高速切削加工技術在數控機床中的應用

呂巖超

摘要：高速切削技術是一門先進的工藝制造技術，在各類機械產品的制造加工中具有獨特優勢。 高速切削機床作為高速切削技術的重要組成部分，呈現出超高速化、高精密度的發展趨勢，是當今機械裝備研究與開發的重點。 系統總結了國內外高速機床的最新發展動態與趨勢；詳細分析了高速機床中的高速主軸系統、高速進給驅動系統、高性能控制系統和刀具系統等關鍵技術，為機床的技術改進和結構創新提供了專業建議與設計思路。

關鍵詞：高速切削；數控機床；加工技術

引言

高速切削技術作為一種近年來逐漸發展起來的生產技術，加工范圍廣，加工精度高，普遍應用于航空航天、船舶交通和模具制造等領域，生產效率高，具有良好的應用前景和開闊的發展市場，為社會帶來了巨大的經濟效益。高速切削機床是借助高速切削技術迅速成長起來的一種新型機床，它摒棄了傳統機床在加工速度和精度等方面存在的劣勢，擴大了加工范圍，并不斷地在機床關鍵技術上尋求突破，使復雜類機械產品的加工成為可能。

一、關鍵技術研究

（一）高速主軸系統

（1）高速軸承技術

為了保證主軸高速旋轉時支撐部件的強度和剛度，對所選用軸承的特性提出了很高的要求。 隨著機械制造工業的迅速發展和新材料、新結構的高速應用，軸承逐漸被開發出來，如動靜壓液體軸承、磁浮和混合球軸承等，根據主軸功率的不同，選擇合適的軸承支撐，當主軸功率較小時，主軸一般采用高精度的滾動球軸承，當主軸功率較大時，主軸可采用陶瓷滾珠球軸承作為支撐。

（2）高速電機技術

由于高速電機具有轉動速度高、響應能力快、傳動效率高等優點，現已廣泛應用于高速主軸系統中。 同時，隨著機床主軸高速化進程的發展，倘若電機仍然依靠皮帶或齒輪等傳統驅動方式，將會造成機床的噪聲和振動問題，影響機床的加工精度和效率；采用電機內裝直接驅動的形式，省去皮帶等中間環節，可以有效減小主軸傳動系統的轉動慣量，從而提高生產效率。

（二）高速進給驅動系統

動力學分析表明，想要獲得較高的進給加減速度，就必須盡可能大程度地降低移動零部件的質量、提高電動機的進給驅動力。

（1）電動機

直線電機因速度高、加速度大、行程不受控制以及定位和跟蹤精度都很高等優點，被廣泛應用于機床進給系統中。 直線電機驅動系統在結構上摒棄了低效率的中間環節，僅由兩個互不接觸的部件組成，因此不存在摩擦磨損，具有良好的靜動態性能和較高的速度響應能力，在傳統結構的優勢上又顯著提高了加工效率。

（2）導軌

導軌是進給驅動系統中的引導運動部件，面對機床高速化的發展趨勢，直線滾動導軌的應用日益廣泛，其主要部件包括導軌、滑塊、鋼球和返向器等，其中，導軌為支撐部件，安裝于工作機上；滑塊是移動部件，安裝于導軌部件上，當導軌與滑塊作相對運動時，鋼球沿導軌上的滾道滾動，到達滑塊端部后又可以通過返向器再次進入滾道，從而實現往復滾動運動。 同時，由于直線滾動導軌采用點或線接觸，減小了摩擦系數，提升了機床的響應速度和快移速度，提高加工效率。

（3）滾珠絲杠

滾珠絲杠可以改變運動形式，且傳動具有可逆性；滾珠絲杠可以進行預緊并消除間隙，因而軸向剛度高，定位精度高；同時，滾珠絲杠具有運動靈敏、效率高、發熱小等優點，在高速機床上得以廣泛應用。為使進給驅動系統滿足高速切削進給的要求，滾珠絲杠可選擇螺紋頭數較多的粗螺距滾珠絲杠，也可以選擇小螺距的大型號滾珠絲杠，兩種機構都可以在保證加工精度的前提下提高進給速度。

（三）高性能控制系統

（1）數據處理能力

高性能的 CNC 控制系統已經被廣泛應用在高速機床上，其 CPU 為 32 位或 64 位，程序的處理速度可以達到 1.6m/s。 高速切削技術對 CNC 控制系統大致有如下兩點要求：一是處理單個程序段的速度要快；二是在高速下仍要保證插補的精確度。 此外，目前的 CNC 系統實現了數控系統的開放性，利用網絡平臺既可以傳輸圖形數據、工藝參數和產品的加工狀態等多方面的資料，又便于給用戶提供所需的技術支持，完善機床服務，在很大程度上提高了產品的加工效率。

（2）檢測系統

高性能控制系統實現的關鍵在于具有準確的檢測系統，同時依靠進給速度和位置閉環配合控制。如今一種變結構的伺服控制方式正得到廣泛應用，該控制方式對系統參數和外部擾動的變化均不敏感，且能夠根據系統當前所處的狀態，實現系統在瞬態過程中的變化，同時可實現對給定的描述曲線準確、快速地檢測和追蹤，能有效改善系統的動態特性。

二、數控機床中高速切削加工技術的應用展望

（一）高速切削加工技術的應用范圍不斷拓展

現階段，高速切削機床主要應用于汽車生產中，但未來高速切削加工技術的應用范圍必將進一步拓展。首先，電加工機床高速化發展成為重要趨勢。在許多生產領域，鋁合金零件的應用替代了傳統的零件更換，具有多種功能的高速切削機床成為發展的核心。由于高速切削具有較強優越性，不同領域中高速切削都獲得了較為廣泛的應用，并推動了數控機床的全面發展。此外，關于高速切削的配套技術也獲得了全面發展，使得轉速與進給速度都不斷提升。

（二）精細程度不斷提升

高速切削在提升速度的同時還必須保證精確度，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，人們對各種配套技術進行了大量研究，并取得了較為顯著的進展。通過計算機仿真進行設計，有效改善多功能數控機床的靜力、動力與熱力性能。目前，高速數控機床在精度方面獲得了較大提升，大多數高速數控機床的全行程定位精度可以控制在 0.005mm 之內。

三、結語

高速切削技術在數控機床中的應用具有較為廣泛的前景，不僅能有效降低能源消耗，也能避免環境污染。基于此，本文對當前高速切削技術在數控機床中的應用進行分析，并指明了未來數控機床的發展方向。

參考文獻：

[1]張立波.中國數控機床產業發展現狀與展望[J].機床與液壓，2018（5）：22-23