高速切削加工技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

呂巖超

摘要：高速切削技術(shù)是一門先進(jìn)的工藝制造技術(shù)，在各類機(jī)械產(chǎn)品的制造加工中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 高速切削機(jī)床作為高速切削技術(shù)的重要組成部分，呈現(xiàn)出超高速化、高精密度的發(fā)展趨勢(shì)，是當(dāng)今機(jī)械裝備研究與開發(fā)的重點(diǎn)。 系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外高速機(jī)床的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)；詳細(xì)分析了高速機(jī)床中的高速主軸系統(tǒng)、高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高性能控制系統(tǒng)和刀具系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，為機(jī)床的技術(shù)改進(jìn)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供了專業(yè)建議與設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：高速切削；數(shù)控機(jī)床；加工技術(shù)

引言

高速切削技術(shù)作為一種近年來逐漸發(fā)展起來的生產(chǎn)技術(shù)，加工范圍廣，加工精度高，普遍應(yīng)用于航空航天、船舶交通和模具制造等領(lǐng)域，生產(chǎn)效率高，具有良好的應(yīng)用前景和開闊的發(fā)展市場(chǎng)，為社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。高速切削機(jī)床是借助高速切削技術(shù)迅速成長(zhǎng)起來的一種新型機(jī)床，它摒棄了傳統(tǒng)機(jī)床在加工速度和精度等方面存在的劣勢(shì)，擴(kuò)大了加工范圍，并不斷地在機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)上尋求突破，使復(fù)雜類機(jī)械產(chǎn)品的加工成為可能。

一、關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）高速主軸系統(tǒng)

（1）高速軸承技術(shù)

為了保證主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)支撐部件的強(qiáng)度和剛度，對(duì)所選用軸承的特性提出了很高的要求。 隨著機(jī)械制造工業(yè)的迅速發(fā)展和新材料、新結(jié)構(gòu)的高速應(yīng)用，軸承逐漸被開發(fā)出來，如動(dòng)靜壓液體軸承、磁浮和混合球軸承等，根據(jù)主軸功率的不同，選擇合適的軸承支撐，當(dāng)主軸功率較小時(shí)，主軸一般采用高精度的滾動(dòng)球軸承，當(dāng)主軸功率較大時(shí)，主軸可采用陶瓷滾珠球軸承作為支撐。

（2）高速電機(jī)技術(shù)

由于高速電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)速度高、響應(yīng)能力快、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高速主軸系統(tǒng)中。 同時(shí)，隨著機(jī)床主軸高速化進(jìn)程的發(fā)展，倘若電機(jī)仍然依靠皮帶或齒輪等傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，將會(huì)造成機(jī)床的噪聲和振動(dòng)問題，影響機(jī)床的加工精度和效率；采用電機(jī)內(nèi)裝直接驅(qū)動(dòng)的形式，省去皮帶等中間環(huán)節(jié)，可以有效減小主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而提高生產(chǎn)效率。

（二）高速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力學(xué)分析表明，想要獲得較高的進(jìn)給加減速度，就必須盡可能大程度地降低移動(dòng)零部件的質(zhì)量、提高電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)力。

（1）電動(dòng)機(jī)

直線電機(jī)因速度高、加速度大、行程不受控制以及定位和跟蹤精度都很高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中。 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上摒棄了低效率的中間環(huán)節(jié)，僅由兩個(gè)互不接觸的部件組成，因此不存在摩擦磨損，具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能和較高的速度響應(yīng)能力，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)上又顯著提高了加工效率。

（2）導(dǎo)軌

導(dǎo)軌是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，面對(duì)機(jī)床高速化的發(fā)展趨勢(shì)，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的應(yīng)用日益廣泛，其主要部件包括導(dǎo)軌、滑塊、鋼球和返向器等，其中，導(dǎo)軌為支撐部件，安裝于工作機(jī)上；滑塊是移動(dòng)部件，安裝于導(dǎo)軌部件上，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球沿導(dǎo)軌上的滾道滾動(dòng)，到達(dá)滑塊端部后又可以通過返向器再次進(jìn)入滾道，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，由于直線滾動(dòng)導(dǎo)軌采用點(diǎn)或線接觸，減小了摩擦系數(shù)，提升了機(jī)床的響應(yīng)速度和快移速度，提高加工效率。

（3）滾珠絲杠

滾珠絲杠可以改變運(yùn)動(dòng)形式，且傳動(dòng)具有可逆性；滾珠絲杠可以進(jìn)行預(yù)緊并消除間隙，因而軸向剛度高，定位精度高；同時(shí)，滾珠絲杠具有運(yùn)動(dòng)靈敏、效率高、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，在高速機(jī)床上得以廣泛應(yīng)用。為使進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足高速切削進(jìn)給的要求，滾珠絲杠可選擇螺紋頭數(shù)較多的粗螺距滾珠絲杠，也可以選擇小螺距的大型號(hào)滾珠絲杠，兩種機(jī)構(gòu)都可以在保證加工精度的前提下提高進(jìn)給速度。

（三）高性能控制系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)處理能力

高性能的 CNC 控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在高速機(jī)床上，其 CPU 為 32 位或 64 位，程序的處理速度可以達(dá)到 1.6m/s。 高速切削技術(shù)對(duì) CNC 控制系統(tǒng)大致有如下兩點(diǎn)要求：一是處理單個(gè)程序段的速度要快；二是在高速下仍要保證插補(bǔ)的精確度。 此外，目前的 CNC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)既可以傳輸圖形數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)和產(chǎn)品的加工狀態(tài)等多方面的資料，又便于給用戶提供所需的技術(shù)支持，完善機(jī)床服務(wù)，在很大程度上提高了產(chǎn)品的加工效率。

（2）檢測(cè)系統(tǒng)

高性能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于具有準(zhǔn)確的檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)依靠進(jìn)給速度和位置閉環(huán)配合控制。如今一種變結(jié)構(gòu)的伺服控制方式正得到廣泛應(yīng)用，該控制方式對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動(dòng)的變化均不敏感，且能夠根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在瞬態(tài)過程中的變化，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)給定的描述曲線準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)和追蹤，能有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

二、數(shù)控機(jī)床中高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用展望

（一）高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓展

現(xiàn)階段，高速切削機(jī)床主要應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中，但未來高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用范圍必將進(jìn)一步拓展。首先，電加工機(jī)床高速化發(fā)展成為重要趨勢(shì)。在許多生產(chǎn)領(lǐng)域，鋁合金零件的應(yīng)用替代了傳統(tǒng)的零件更換，具有多種功能的高速切削機(jī)床成為發(fā)展的核心。由于高速切削具有較強(qiáng)優(yōu)越性，不同領(lǐng)域中高速切削都獲得了較為廣泛的應(yīng)用，并推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的全面發(fā)展。此外，關(guān)于高速切削的配套技術(shù)也獲得了全面發(fā)展，使得轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度都不斷提升。

（二）精細(xì)程度不斷提升

高速切削在提升速度的同時(shí)還必須保證精確度，否則速度的提升完全沒有意義。近幾年，為了保障高速切削下的加工精度，人們對(duì)各種配套技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了較為顯著的進(jìn)展。通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效改善多功能數(shù)控機(jī)床的靜力、動(dòng)力與熱力性能。目前，高速數(shù)控機(jī)床在精度方面獲得了較大提升，大多數(shù)高速數(shù)控機(jī)床的全行程定位精度可以控制在 0.005mm 之內(nèi)。

三、結(jié)語(yǔ)

高速切削技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用具有較為廣泛的前景，不僅能有效降低能源消耗，也能避免環(huán)境污染?；诖耍疚膶?duì)當(dāng)前高速切削技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并指明了未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立波.中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)床與液壓，2018（5）：22-23