現代高速加工技術及裝備

　　摘要：高速切削加工技術是高速主軸系統、高速切削加工理論等諸多相關的硬件與軟件技術綜合而成的，廣泛應用于航空航天、汽車及模具制造業。
　　關鍵詞：高速加工 高速切削技術 高速加工機床
　　中圖分類號:TG501 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　高速加工是20世紀數控技術之后的又一次革命性的技術發展。從 20 世紀末進人實用化階段以后，作為高效率的加工手段之一，在目前的制造業中得到了廣泛的應用。
　　
　　1 高速切削技術的內涵
　　德國切削物理學家Carl Salomon在1929年進行了開創性的研究，指出在常規的切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于每一種件材料，存在一個速度范圍，在這個速度范圍內，由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進行。但是，當切削速度再增大，超過這個速度范圍以后，切削溫度反而降低。在超高速切削的條件下，切屑的形成過程和普通切削不同。隨著切削速度的提高，塑性材料的切屑形態將從帶狀、片狀到碎屑不斷演變。單位切削力初期呈上升趨勢，爾后急劇下降。
　　1.1 高速加工技術的優越性
　　在高速切削加工范圍，單位時間內材料切除率增加，大幅度提高加工效率。切削力減少，有利于對剛性較差和薄壁零件的切削加工。切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，有利于減少加工零件的內應力和熱變形，提高加工精度。同時高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。
　　1.2 高速切削速度的劃分
　　按不同加工工藝劃分：車削700~7000m/min，銑削300~6000m/min，鉆削200~1100m/min，磨削150~360m/s，這種劃分比常規切削速度提高一個數量級，還有繼續提高趨勢。
　　
　　2 高速加工技術的結構體系
　　高速切削加工技術是一個復雜的系統工程，是諸多單元技術集成的一項綜合技術。
　　2.1 高速加工中心主軸及高速切削刀柄
　　高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速加工機床的核心部件，高速主軸一般做成電主軸的結構形式，其關鍵技術包括高速主軸軸承、無外殼主平衡等等。由于沒有中間傳動環節，有時又稱它為“直接傳動主軸”。
　　高速切削刀柄系統：加工中心主軸與刀具的連接大多采用7:24錐度的單面夾緊刀柄系統。這類系統不能適用于高速切削加工，所以開發了刀柄與主軸內孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩大類：一類是對現有7:24錐度刀柄進行的改進性設計；另一類是采用新思路設計的1:10中空短錐刀柄系統。
　　2.2 高速進給單元
　　高速進給系統包括進給伺服驅動技術、滾動元件導向技術、高速測量與反饋控制技術和其他的技術。目前常用的高速進給系統有三種主要的驅動方式:高速滾珠絲杠、直線電動機和虛擬軸機構。采用直線電動機具有明顯的技術優勢。
　　2.3 高速切削機床支撐件
　　高速機床設計的另一個關鍵點，就是如何在降低運動部件慣量的同時，保持基礎支承部件有高的靜剛度、動剛度和熱剛度。聚合物混凝土、大理石已經開始用于基礎件的制造。通過計算機有限元設計法和對各部件進行的優化設什，能獲得減輕重量、提高剛度的床身、立柱和工作臺等優化的結構。
　　CNC控制系統
　　超高速機床要求其CNC系統的數據處理時間要快得多，高的進給速率也要求CNC系統有很高的內部數據處理速率，而且還應有較大的程序存儲量。CNC控制系統的關鍵技術主要包括快速處理刀具軌跡、預先前饋控制、快速反應的伺服系統等。
　　2.5 高速切削刀具
　　為保證高速旋轉狀態下的刀具能夠繞軸線穩定旋轉，目前采用兩種辦法，一是采用帶有動平衡裝置的刀具，刀套里面安裝了機械劃塊或采用流體動平衡設計；另外一種就是采用整體刀具，刀套與刀體合為體。采用熱脹冷縮的辦法裝夾刀具，也可以得到很好的效果，即將刀套通過加熱裝置加熱后，再裝人刀體的方法，待冷卻后即可夾緊刀具。
　　2.6 高速切削工藝
　　高速加工和傳統加工工藝有所不同。傳統加工認為，高效率來自低轉速、大切深、緩進給、單行程。而在高速加工中，高轉速、低切深、快進給、多行程則更為有利。
　　2.7高速切削狀態下的數控編程
　　保持金屬去除量的恒定，因此在高速切削過程中，分層切削要優于仿形加工。在高速切削過程中，讓刀具沿一定坡度或螺旋線方向切入工件要優于讓刀具真接沿 z 向直接插入。刀具軌跡的平滑是保證切削負載恒定的重要條件．螺旋曲線走刀是高速切削加工中一種較為有效的走刀方式。在尖角處要有平滑的走刀軌跡。
　　
　　3 高速加工機床的發展現狀
　　數控機床的加工精度和切削速度大約每8年提高一倍，定位精度很快將告別微米時代而進入亞微米時代，高速度和高精度是現代數控高速加工機床的主要特征。多軸聯動、復合加工、創新的整體解決方案是現代數控高速加工機床發展的主要趨勢。
　　3.1 多軸聯動
　　大多數五軸高速加工機床采用A、C軸擺角方式，由于變斜角的角度值變化不規則，造成機床在走刀加工零件過程中C軸擺角常常出現回擺或大回擺現象，影響整個零件加工效率。三軸銑頭同時具有A、B、C三種擺角構成，其能聯動，能順利完成空間任意角度的最佳運動，可克服C軸回擺和A、C擺角的極值問題。
　　3.2 復合加工
　　工序復合和工藝復合兩大類前者在一臺機床只能完成同一工藝方法的多個工序，后者在一臺機床不但能完成同一工藝方法的多個工序，而且可以完成多種不同工藝方法的多個工序。數控高速加工機床復合化是機床發展的主要趨勢，典型的如：車銑復合中心。
　　3.3 按行業劃分數控機床，不但提供高科技的設備而且提供創新的整體解決方案
　　例如：能源領域的設備(DMG)為例
　　車削技術 CTV//立式車床用于傳動工件和電機工件加工；TWIN//雙主軸車削中心用于 驅動技術部件加工。
　　銑削技術 HSC//高速切削加工中心用于葉輪的加工；DMC U/FD//大型/超大型銑削中心 用于發電廠和風能設備中重型、大型工件加工。
　　
　　4 結語
　　高速加工技術是現代先進制造技術之一．其產生是市場經濟全球化和各種先進技術發展的綜合結果。航空航天、汽車及模具制造業對高速加工的認同與強烈要求，推動著高速加工技術在國際上的發展。
　　
　　參考文獻
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