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1高速加工的特點及關鍵技術高速加工技術是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。高速加工是實現高效率制造的核心技術，工序的集約化和設備的通用化使之具有很高的生產效率。高速加工是一種不增加設備數量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術，其切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150~100m/min，纖維增強塑料為2000~9000m/min。 1.1高速加工的特點高速加工技術與傳統加工方法相比有以下特點。 1）高速加工可在大幅度提高零件的加工效率、縮短加工時間、降低加工成本的同時，還中以使零件的表面加工質量和加工精度達到更高的水平。 2）高速加工中工件執(zhí)變形的可能性小。由于切屑的切除產品在極短的瞬間，切屑溫度增高，切削熱絕大競爭被切削帶走，因而工件溫度并不高。這對于加工不耐熱的零件，加工對溫度和熱變形十分敏感的零件是有利的，特別適于加工鎂合金零件。 3）高速加工中單位切削力由于工件切削層材料軟化而減小，從而可減小零件加工中的變形，保證零件的尺寸和形位精度。這對于薄壁類和薄板類等加工剛性差的零件的加工特別的有利。 4）高速加工可獲得很好的已加工表面質量和較小的表面粗糙度值。高速加工可減小表面硬化層度、減小表面層殘余應力、表面層微觀組織的熱損傷，從而減小零件表面層材質的機械、物理及化學性質發(fā)生變化的可能性，保證已加工表面的內在質量，從而確保零件的使用性能。因此，高速加工可用于加工精密零件和有特種精密表面要求的零件。 5）高速加工，特別是高速銑削的突出優(yōu)點在于在提高切削速度的同時可提高進給速度。當保持切削厚度不變，進給速度比常規(guī)規(guī)銑削可提高5~10倍，從而達到很高的材料切除率，有效地降低切削機動時間，提高機床的利用率。 1.2高速加工關鍵技術高速加工關鍵技術主要包括以下內容。 1.2.1高速切削機理高速切削的“高速”是一個相對概念，為常規(guī)切削速度的5~10倍。高速切削最初是作為提高加工效率、降低成本的一種手段，實際上產生了效好的連帶效果，能夠有效地克服難加工材料切削中的各種困難。要實現難加工材料的高速切削，道德應該加強機理研究，這是必然的先行條件。 1.2.2高速主軸單元制造技術高速電主軸是一套組件，包括電主軸及其附件，即電主軸、高速變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置等，因此它融合了高速軸承、冷卻、、潤滑等技術。 1.2.3高速進給單元制造技術高速的主軸速度必須配備相應的高速進給系統。研究具有高速、大加/減速度的進給系統是進給單元的關鍵。 1.2.4高速加工用刀具系統技術在影響金屬切削發(fā)展的各種因素中，刀具材料及刀具制造技術起著決定性的作用，并推動高速加工實用化。高速切削加工時，對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的切削效果。因此，高速加工刀具所涉及的關鍵技術有：高速加工用刀具材料及制備技術，高速加工用刀具結構及刀具幾何參數的研究 1.2.5高速在線檢測與CNC控制系統高速加工在線檢測技術主要是指在高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理等，對高速機床及系統的狀態(tài)進行實時在線的監(jiān)測和控制。在線檢測技術的內容可分為對機床系統工作狀態(tài)檢查和加工系統狀態(tài)的檢查。在高速加工中，輸入的控制程序仍是標準ISO數字控制代碼。但在高速條件下，傳統的數控程序存在諸多的問題，應采用特殊的編程方法，例如：如何使切削數據適合高速主軸的功率特征曲線，如何解決高速加工時CAD、CAM高速通信的可靠性等，這些問題都需要進一步加以研究。 2電光軸高速機床的重要性部件是機床主軸，傳統機床主軸是通過中間的傳動裝置（如皮帶。齒輪等）帶動主軸旋轉進行工作。電主軸又稱內置式電動機主軸單元，就是將高速電動機置于機床主軸部件的內部，通過交流變頻控制系統，使主軸獲得所需的二作速度和扭矩。電主軸及其驅動系統是一種技術含量很高的機電一體化產品，涉及機械。電動機、驅動和控制、支承、潤滑、材料熱處理及振動等諸多領域，是一套相對獨立、完整的功能部件。 2.1結構及工作原理主軸電動機和機床主軸合為一體的電主軸，通常采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”（High Frequency Spindle）[1-3]。圖1所示為電主軸的結構簡圖，基礎代謝要特征是將電動機內置于主軸內部直接驅動主軸，實現電動機、主軸一體化的功能。其工作原理和普通的異步電動機的工作原理一致，改變輸入電動機定子繞組的電流頻率和勵磁電壓獲得各種轉速。在加速和制動過程中，通過改變頻率進行加/減速，以免電動機溫度過高。由于電動機旋轉磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，幫改變電主軸輸入電流的相序便可改變電主軸的旋轉方向。 [img]http://jiansuji001.com/xh/19頁.jpg[/img] 與傳統機床主軸相比，電主軸具有如下特點： 1）主軸由內裝式電動機直接驅動，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，具有結構緊湊、機械效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點。 2）采用交流變頻調速和矢量控制，輸出功率大，調整范圍寬，功率、轉矩特性好。 3）機械結構簡單，轉動慣量小，可實現很高的速度和加速度及定角度的快速準停。 4）電主軸更容易實現高速化，其動態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性更好。主軸端部徑跳可達0.004mm，距主軸端部300mm處徑跳為0.008mm。 5）由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長。 2.2電主軸的選用對于已經系列化供應市場的電主軸，生產廠家提供有詳細的外形尺寸、冷卻方式、潤滑方式及輸入、輸出參數，主軸的選用比較簡單，只需配套滿足功率、電流和使用要求的變頻電源和外用冷卻、潤滑設施即可。事實上，電主軸的現有規(guī)格型號往往不能滿足用戶自己的需求，許多情況下仍需用戶依照自己的要求定做電主軸。電軸的選擇依據見圖2. 電主軸的主要參數包括：1）主軸最高轉速和恒功率范圍；2）主軸的額定功率和最大扭矩；3）主軸軸承直徑和前、后軸承跨距。選用電主軸最重要的是選定其最高轉速、寶寶功率和轉距及其與轉速的關系。如圖2所示，根據切削工藝計算所需的轉速、轉矩和功率的同時，還應充分考慮從最終用戶的實際需要出發(fā)，以免造成性能冗余、資金浪費；根據實際可行的切削規(guī)范，對多個典型工件的多個典型工序多做計算；不要單純依靠產品技術來選用，而應多與供應商銷售服務專家交流，聽取有根據的有益建議；注意正確選擇軸承類型與潤滑方式。 [img]http://jiansuji001.com/xh/20頁左.jpg[/img] 另外，掌握憶主軸轉矩、功率和轉速之間的關系特性，可在不同的情況下，最大限度地利用電動機和驅動器的工作潛力，以提高經濟效益。 2.3電主軸的關鍵技術高速電主軸是一項涉及電主軸本身及其附件的系統工程技術。所融合的技術主要包括如下內容。 1）高性能的驅動電動機技術。電主軸的核心是電動機性能，正確設計電動機的電磁參數十分重要。 2）合理選用和配置支承。電主軸的支承需要選擇合適的主軸軸承形式，其支承必須滿足電主軸高速、高回轉精度的要求，同時需要相應的剛度。電主同的支承形式主要有滾動軸承支承，氣壓和液壓的動、靜壓軸承支承和電磁軸承支承三種，其中使用最普遍的是滾動軸承支承。 3）設計有效的冷卻系統。電主軸中有兩大熱源：內置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。分析檢測結果表明，轉子的溫度高達140~160℃，定子溫度也有45~85℃。圖3所示為高速主軸單元冷卻系統圖，為了盡快給高速運動的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，嚴格控制電主軸的溫度，使其穩(wěn)定在一個恒定值內。 [img]http://jiansuji001.com/xh/20頁右.jpg[/img] 4）合理確定主軸零件與電動機定子的配合過盈量。電主軸的過盈量不僅應滿足靜態(tài)傳遞能力的要求，而且還要考慮主軸動態(tài)特性的影響。過盈量的大小直接影響電主軸的性能，過盈量過大，會使主軸裝配困難，影響裝配精度，甚至破壞配合表面；過盈量過小，則會影響主軸傳遞扭矩的能力。 5）電主軸應具有良好的動平衡特性[4]。對于電主軸，由于電動機轉子直接過盈固定在主軸上，增加了主軸的轉動質量。一般認為，8000r/min是高速加工中的最低主軸轉速，高轉速下主軸動轉部分的微小不平衡質量繞旋轉軸回轉，形成了慣性離心力，該離心力F的計算公式如下： F =Meω2=Me(лn/30)2……………………（1）式中：M為系統總質量。Kg；e為不平衡偏心距，mm；ω為角速度（1/s）；n為工作轉速，r/min。由式（1）可說明：離心力是按2л周期變化的矢量，其大小與轉速的平方成正比，即使偏心距很小時，在高轉速、大質量下也會產生很大的離心力。在生產過程中，系統總是在空載回轉與切削加工這兩個狀態(tài)中不斷地切換狀態(tài)，而且切削時，受力狀況還要復雜得多，最終使主軸軸承受到大小和方向不定的徑向力，使軸承工作的平穩(wěn)性大受影響，同時加劇了軸承過早的磨損和失效。離心力激起機床的振動，離心力過大，加劇切削刃的非正常磨損，降低了工件的加工精度和表面質量。因此高速電主軸的動平衡精度應嚴格要求，一般都執(zhí)行ISO標準G1–G0.4級。對于這種等級的動平衡要求，不僅需在裝配前對主軸上的每個零件分別進行動平衡，還需在裝配后進行整體動平衡，甚至還要設計專門的自動平衡系統來實現主軸在線動平衡，確保主軸高速平衡運行。 3結語隨著高速切削逐漸成為現代金屬切削的發(fā)展趨勢，我國在“十五”期間，高速加工技術的研究與應用也取得了重要進展，開展了直線電動機應用技術的研究，完成了8000~10000r/min機械式高速主軸單元和10000~18000r/min高速電主軸單元的產品開發(fā)和加工制造工藝的研究和應用，研制成功適合高速機床加工的HS工具系統，并已將其轉化成國家標準。 “十一五”是我國經濟發(fā)展的關鍵時期，隨著個性化產品的社會需求增加，其生產條件為多品種、單件小批制造加工，高速加工技術必將在生產工藝離散型或混合企業(yè)中得到進一步的應用和發(fā)展。


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