高速切削（下）

（3）新运动原理机床的出现

进入90年代以来，在高速切削领域出现了一种完全新型的机床——六杆机床（又称并联结构机床）。它的基本原理如图10所示，机床的主轴由六条伸缩杆支承，通过调整各伸缩杆的长度，使机床主轴在其工作范围内既可作直线运动。也可作转动。与传统机床相比，六杆机床能够有六个自由度的运动，而传统机床则多数只能在其直角坐标系内运动。六杆机床结构简单，每条伸缩杆可采用滚珠丝杠驱动或直线电机驱动。因为六条伸缩杆完全相同，所以易于组织大批量生产，从而降低生产成本。由于每条伸缩杆只是轴向受力，结构刚度高，可以降低其质量以达到高速进进给的目标。这种机床的关键是它的数控单元，因为机床主轴的每一个位移都需通过六条伸缩杆的独立运动来组合，数控单元必须保证每条伸缩杆在运动结束时，能同时达到预定的位置。

图11是一台已投入使用的六杆铣床。用它可高速铣削涡轮机叶片和各种压注模具。该机床的闭环刚度是传统机床的5倍，进给速度可达30m／min，加工精度一般在2～5μm。

除伸缩杆式的六杆机床外，在此基础上还发展了其他类型的机床。

图12是德国斯图加特大学研制的并联结构六杆机床。与伸缩杆机床不同，它的六条杆的长度是固定的。六条杆在垂直导轨上作直线运动以实现主轴的六个自由度的运动。这种机床结构紧凑，刚性较大，部件的种类很少，易于实现大批量生产，可降低机床制造费用。

图13是德国汉诺威大学研制的三杆五轴机床。与图12的机床相比，该机床只有三条支承杆，每条支承杆在一个倾斜的直线导轨上运动。三个直线运动再加上连带主轴的两个旋转运动，便构成了五个自由度的运动。该机床的结构上分紧凑，由于巧妙地把直线运动和旋转运动进行了组合。相同的机床空间体积能达到比其他机床更大的工作空间。

图14是德国亚琛工大研制的另一种采用并联结构的机床。机床有两个由直线电机驱动的伸缩杆和两个随动的折叠杆。改变两伸缩杆的长度便可实现主轴X-Y平面内的运动。为了实现Z向的运动，主轴装在一个由直线电机驱动的Z向滑台上。对于大多数三轴铣削过程来讲，要求Z向有最快的运动，该机床由于把Z向运动部件的质量减少到最低的程度，因而可大幅度地提高Z向的进给速度。

3. 高速切削的刀具系统

高速切削时的一个主要问题是刀具磨损，与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨损机理与普通切削有很大区别。

另外，由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面因素。

（1）刀具材料

刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主。刀具的发展主要集中在如下两方面：一是研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性。

图15是采用不同镀膜（氮化钛、氮化钛铝）的硬质合金铣刀可达到刀具寿命。采用适宜的镀膜可成倍地提高刀具的使用寿命，潜在的经济效益十分可观。此外，刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命的重要因素。如图16所示，加工合金钢40CrMnMo7时，最佳的刀具材料为表面处理过的金属陶瓷，而加工合金铸铁GG25CrMo时，立方氮化硼刀具的使用寿命为最长。

另一个发展方面是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。长期以来，高速切削麻花钻都采用整体硬质合金的结构，聚晶金刚石和立方氮化硼只能用来制作直刃刀具，近期的研究在这方面已有所突破，有的刀具工厂在1997年汉诺威的世界机床博览会上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花钻。形状更为复杂的聚晶金刚石刀具仍在研究中。

（2）刀柄结构

它是高速切削时的一个关键件，主要体现在它传递机床精度和切削力的作用。刀柄的一端是机床主轴、另一端是刀具。高速切动时既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所以高速切削时刀柄须满足下列要求：

1）很高的几何精度和装夹重复精度；
2）很高的装夹刚度；
3）高速运转时安全可靠。

刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以图17所示的圆锥空心柄（HSK）为主。它是德国工业界联合研究的成果，目前已列入国际标准。它以其端面及1：10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7：24锥柄相比，有如优点：

1）重量减少约50％；
2）重复使用时装夹和定位精度高；
3）刚度高，并可传送大的转矩；
4）装夹力随转速升高而加大。

（3）接装刀具的模块

刀柄与刀具间的接装有多种形式，常用的锥形夹头具有灵活性好，适用于不同的刀具直径，它的缺点是可传递的扭矩有限且装夹精度很低。

要提高装夹精度和刚度需采用其他方法，目前常用的有收缩夹头、液压膨胀夹头和力膨胀夹头。

收缩夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内。这种夹头的优点是精度高，刚性大。缺点是操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形。

液压控胀夹头的原理如图18所示，在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。其优点是精度高，刚性大，操作方便。缺点是对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。

力膨胀夹头的原理如图19所示。刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变形成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性回复，刀具就被夹持在孔内。这种夹头的优点在于装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。

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高速切削（下）

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