高速机床的关键技术和发展趋势

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【摘要】高速切削是切削加工发展的主要方向之一，高速机床是实现高速切削的基础。近年来，高速切削技术的快速发展带动了高速机床制造技术的进步，不仅体现在传统机床关键部件的重大改进，而且产生了新的机床结构以及关键零部件，把机床制造技术带入了一个新的领域。本文具体分析研究了高速机床的关键技术和发展趋势。

【关键词】高速机床关键技术发展趋势

中图分类号：TG508 文献标识码：A 文章编号：

高速机床是指能够进行高速切削的机床。目前适用于进行高速切削的加工中心和数控机床，其主轴转速一般都在10000r/min以上，有的高达60000-100000r/min，主电机功率15-80kW。高速切削还在进一步发展中，不同加工方式和不同材料的高速切削范围也有所差别，表1给出了几种典型加工方式的高速切削范围。

表1 典型加工方式的高速加工范围

高速切削要求高速机床的主轴和工作台具备极高的加速度性能，主轴从启动到最高转速（或相反）只用1-2s，工作台的加速（减速）度要达到1-10g。如此高的加速度会对机床造成巨大的动载荷，必须提高机床的动、静刚度，因此高速机床的产生使机床从“速度设计”进入“加速度设计”的新阶段。

与常规加工相比，高速加工有许多突出的优点：单位时间的材料切除率可增加3-6倍；切削力可降低30%以上，特别有利于薄壁细长工件的高速精密加工；95%-98%的切削热被切屑带走，工件可基本保持冷态；高速加工能加工出非常光洁、精密的零件，如高速铣削和高速车削可以达到磨削的光洁度；工件表面残余应力非常小。高速加工技术首先在美国航空航天工业中得到广泛应用，如今汽车工业和模具工业也越来越多采用高速加工。例如用小直径立铣刀对模具型腔进行超高速铣削，因为效率高、精度高、表面光洁，故可省去后续的电加工和手工研磨等工序，大大加快了新产品的开发周期。

常用的机床关键件如钢球式机械主轴、滚珠丝杆、数控系统以及现有的设计理念已不能支撑高速机床, 由此产生了一系列的技术创新, 如高速滚珠丝杆、直线电机、电主轴、高性能数控系统、新型结构及新设计理念。

一、高速滚珠丝杆

用滚珠丝杆驱动运动部件是最常见的结构设计。但高速运动与快速启动使常用的滚珠丝杆产生了严重的发热、噪声等精度和性能问题。因此, 制造商采取了多种措施, 提高滚珠丝杆的高速性能, 由此产生了高速滚珠丝杆。通常的滚珠丝杆的d・n 值为80 000r・mm/ min, 高速化的滚珠丝杆的d・n 值达到150 000r・mm/ min 以上, 这样可方便地将机床进给速度提高到40m/ min 左右。当然, 对丝杆制造商来说, 其难度相当大, 需对滚珠运动轨道、滚珠及材料、滚珠保持架等多方面进行重大突破。

为解决丝杆高速运转时产生的高热量问题, 制造商对丝杆结构进行改进, 将丝杆做成中空式, 把恒温冷却液导入丝杆的内孔中, 对滚珠丝杆进行强制冷却, 保持丝杆副的恒定温度, 从而提高滚珠丝杆的高速性能和工作精度。

二、直线电机

高线速度的滚珠丝杆对运动件速度的提高还是有限的。20 世纪90 年代, 德国和美国相继研制出一种新型电机――直线电机, 直线电机的开发与应用, 创造了一种全新的驱动方式。直线电机的原理是把旋转电机径向剖开, 然后拉直演变而成的,它是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置, 从而取消了电动机到工作台之间的所有中间机械传动环节, 把机床进给传动链的长度缩短为零, 实现了机床进给系统的“零传动”, 并消除了机械传动系统的能量损耗。

直线电机用于机床进给系统时, 通常能达到的指标为:进给速度可达90~ 180m/ min, 甚至更快;实现的最大加速度高达2~ 10 g;定位精度高达0. 1~ 0. 01Lm。

当然, 直线电机毕竟属于电机的一种, 虽然集成的水冷系统能抑制电机的发热, 但移动部件(直线电机的次级) 的发热相对大些, 这是机械设计需考虑的问题。

三、电主轴

传统的主轴电机通过皮带或齿轮带动主轴转动。这种传动系统已无法达到高速切削的速度或性能( 如噪声、振动等) 要求。与直线电机的思路相似, 发明者将主轴电机与机床主轴合二为一, 即出现了电主轴。

电主轴单元主要由主轴、轴承、内装式电机和刀具( 或工件) 夹持装置( 卡盘) 等4 部分组成。电主轴的机械结构虽然简单, 但制造精度要求极高。其中轴承是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件, 也是高速切削机床的核心部件之一。

电主轴的轴承有4 种: ( 1) 混合陶瓷轴承, 用氮化硅制成的滚珠与钢制轨道相组合, 在高速转动时离心力小、刚性好、温度低、寿命长, 功率可达80kW,转速高达150 000r/ min。是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件。( 2) 磁悬浮轴承, 它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来, 其转速可达45 000r/ min, 功率为20kW, 精度高, 可成为未来超高速主轴轴承的一种选择, 但其价格较高, 目前应用还不够广泛。( 3) 液体动静压轴承, 采用流体动、静力相结合的办法, 使主轴在油膜支承中旋转, 径向和轴向跳动小, 刚性好, 阻尼特性好, 适于粗、精加工, 寿命长。但其无通用性, 维护保养比较困难。目前主要用于重载主轴, 也逐渐用于高速主轴。( 4) 空气静压轴承, 采用空气冷却和气膜支承, 运转平滑, 由于气体的粘度小, 允许在摩擦损耗不大、剂和支承温升不高的情况下实现高速旋转, 适合作高速回转副的支承元件, 但由于其可承受切削载荷及过载能力较小, 主要用于高速、轻载和超精密的场合, 如高速内圆磨床主轴的轴承。

四、高性能数控系统

为满足高速化条件下机床精度的要求, 控制系统在电机反馈元件、控制技术、驱动技术、插补技术等方面也作了相应的创新, 向更强( power) 、更大( torque) 、更高( speed) 、更长( life) 的目标发展。如西门子公司开发的611D 控制模块等。

五、新型设计理念和新型结构

高速切削机床, 除要求其具有高的主轴运转速度和高的运动部件移动速度, 还要求它们具有高的加速度性能。通常, 主轴从启动到最高转速( 停止时相反) 应在极短的时间内完成( 1~ 2s) , 同样理由, 运动部件的加速度( 或减速度) 也非常高( 1~ 10g 或更高) 。如此大的加减速度给机床带来了极大的动载荷, 加上直线电机的发热等因素, 传统的设计理念已不适用了。一是必须用多种方式提高机床的动静刚度, 满足高加减速度需求, 一是利用补偿技术, 消除客观存在的发热的影响等。这些都是设计理念的变化。

除此以外, 甚至跳出常见结构的框框, 发明一些新型的结构方案, 并联机床结构就是其中的代表。所谓并联机床结构, 就是由1 个活动平台( 末端执行器) 和1 个固定平台及6 个杆副组成, 杆副分别以球铰( 或固定平台上的虎克铰) 联接两平台。变化6 杆长度( 每杆由1 个驱动器驱动) , 活动平台得到6 个自由度的空间运动。这种结构没有固定方向的导轨副, 机床上工件固定不动, 6 杆共同驱动电主轴, 每杆只受拉压不受弯矩, 因而容易获得快速进给和高加速度, 机床总体刚性大。当然这种机床因关节多而且关节精度不易达到要求, 且编程坐标轴多, 不直观, 也很复杂, 加上空间布局限制了机床加工能力, 目前的发展受到限制。但它的出现, 拓展了人们的思维, 并在天文等领域有了应用。

参考文献：

[1] 单东日,张青.我国高速、高精、复合数控机床研发目标及关键技术[J]. 制造技术与机床. 2009(06)

[2] 赵中太,陈波.浅谈高速机床的振动[J]. 制造技术与机床. 2010(02)

[3] 丁锦宏.高速数控机床概述[J]. 中国制造业信息化. 2006(11)