高速切削的技术关键

1. 高速切削的技术关键

高速主轴是高速切削的首要条件，对于不同的工件材料，目前的切削速度可达5～100m/s。主轴的转速与刀具的直径有关，采用小直径的球头铣刀时，主轴转速可达100000r/min。

（1）滚珠轴承高速主轴

当前高速切削铣床上装备的主轴多数为滚珠轴承电动主轴。如图1所示，电动主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。除此之外，主轴运转时，还必须配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置。

高速主轴的轴承大多用压力角为15º或25º的角接触滚珠轴承，其精度等级以精密级（C级）和超精密级（B级）为主。为了提高轴承的极限转速，有的轴承厂在普通系列基础上增添了高速轴承系列，所不同的主要是采用直径较小的钢球和保持架以外圈滚道导向，从而减少了钢球由离心力的作用而引起的对轴承外圈的压力和改善保持架运转时的润滑条件。高速主轴轴承的最新发展是所谓的混合轴承，它的内、外圈由轴承钢制成，但滚珠由氮化硅陶瓷制成。与钢球相比，陶瓷球密度减少60%，因而可大幅度地降低离心力。另外，陶瓷的弹性模量比钢高50%，在相同的滚珠直径时，混合轴承具有更高的刚度。氮化硅陶瓷的另外一个特点是摩擦系数低，由此可减少轴承运转时的摩擦发热、磨损及功率损失。为了便于比较不同轴的主轴的转速特性，一般采用转速特征值来度量，其定义为：

转速特征值＝轴径×转速

除轴承外，润滑方式也是影响主轴极限转的一个重要因素，表1是各种轴承在不同润滑条件下所能达到的特征值。

表 1 电动主轴转速特征值

油脂润滑是一种使用最多的方式，优点是结构简单，维护方便，可靠性高和造价低廉。缺点是最高转速较低，要提高转速，只有通过采用陶瓷滚珠的途径。

油雾润滑又称气/油润滑，在主轴起动前必须先起动润滑装置，该装置将润滑油与压缩空气混合然后通过管路将油雾喷入各轴承。这种润滑方式属于强制润滑，在正常工作情况下，可保证良好的润滑条件以提高转速。其缺点是结构复杂，主轴壳体要附设许多必须密封的润滑通道，制造成本较高。另外，主轴除驱动电气装置外，还必须有润滑状态监视系统，以便当润滑系统出现故障时，能及时停车，避免主轴遭到损坏。油雾润滑的另一个缺点是油耗较多，且在较高的转速时，润滑油膜与滚珠摩擦发热，主轴温升较大，限制了转速更大提高。

要进一步提高转速就必须使用油气润滑又称喷油润滑。这种润滑方式是将微量润滑油滴按固定的时间间隔喷入润滑管路，油滴在管路中与压缩空气相混合形成了含油量很低的油气。这种油气的稠度大低于上面提到的油雾，所以滚珠与轴承内外圈之间的油膜很薄，轴承的摩擦损失由此相应减少，从而降低了主轴发热，提高了主轴的最高转速。油气润滑与油雾润滑的造价基本相似，所以新一代的高速电动主轴绝大多数均采用油气润滑。

滚珠轴承主轴的运动精度主要取决于所选用的轴承的精度。运动误差除了由主轴各零件的形状误差引起的低频误差外，还有滚动体的高频运动误差。这些运动误差不但影响工件的表面粗糙度，而且影响刀具寿命。目前市场上的滚珠轴承高速主轴的最高回转精度可达0.5μm，并已开发更高精度的新型电动主轴。

（2）液体体静压轴承高速主轴

图2是一个液体静压轴承高速主轴，其轴承元件的几何形状进行优化设计，转速特征值可达1×106，轴径为30mm的主轴，其最高转速可达30000r/min以上。

静压轴承为减少高速运转发热，轴径不宜过大，因而与滚珠轴承主轴相比，其径向刚度较低。但轴向刚度能远超过滚珠轴承主轴，因为滚珠轴承受离心力限制，其压力角一般较小为15º或25º，故轴向刚度较小。对于轴向切削力较大的加工场合，如采用球头铣刀加工工具或模具时，宜采用液体静压轴承主轴。另外，液体静压轴承的油膜具有很大的阻尼，动态刚度很高，特别适合于像铣削的断续切削过程。

液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在0.2μm以下。因而不但可以提高刀具的使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和低的表面粗糙度。制造模具时，采用液体静压轴承主轴进行铣削时可以省去最后的磨削和手工修整的工序，从而提高生产效率，降低产品成本。由于液体静压轴承的液体摩擦损失，故驱动功率损失比滚珠轴承为大。因此选用何种轴承，必须根据具体应用要求来定。假如材料切除量大，对加工表面粗糙度要求不很高时，要优先考虑采用滚珠轴承主轴。如果加工精度的允差小且表面粗糙度要求很小时，应该采用液体静压轴承主轴。

（3）空气静压轴承高速主轴

它可以进一步提高主轴的转速和回转精度。图3是一个为高速切削而研制的空气静压轴承高速主轴，它的转速特征值可达2.7×106r/min，回转误差在50nm以下，最高转速可达100000r/min。采用金刚石刀具可以进行镜面铣削，加工各种复杂的高精度形面。

气体静压轴承主轴的优点在于高回转精度、高转速和低温升，因而主要适合于工件形状精度和表面粗糙度有高的要求的场合。它的缺点是承载能力较低，不适合于材料切除量较大的应用场合。此外它要求高清洁度的压缩空气，故使用费用和维护费用较高。为防止主轴过载而出现主轴卡死而造成严重损坏，故对其使用条件要作仔细的分析。

（4）磁浮轴承高速主轴

它可以达到更高的主轴转速，如图4所示。磁浮主轴的转子由两个径向和两个轴向轴承支承，转子与支承间隙一般在0.1mm左右，由于空气间隙的摩擦热量很小，故磁浮主轴的转速特征值可达4×106r/min，为滚珠轴承主轴的两倍，如主轴的最高转速相同，则磁浮主轴可采用较大的轴径，有较高的刚性（约为滚珠轴承主轴的10倍）和较大的承载能力。磁浮轴承的回转精度，主要取决于主轴内所用的位移传感器的精度和灵敏度以及控制电路的精度性能。目前使用的磁浮主轴的回转精度可达0.2μm。

磁浮主轴的优点是高精度、高转速和高刚度。缺点是不仅机械结构复杂，而且需要一整套的传感器系统和控制电路，所以磁浮主轴的造价一般是滚珠轴承主轴的两倍以上。它的另一个缺点是温度问题，主轴部件内除了驱动电机外，还有轴向和径向轴承的线圈，每个线圈都是一个附加的热源。因此，磁浮主轴必须有很好的冷却系统，否则主轴的温升会很大。彭响工件的加工精度。

（5）驱动电机高速化

早期的电动主轴以异步电机驱动为主，其转子和定子以散件的方式供给主轴生产厂进行组装。主轴最大输出功率主要取决于电动机转子的最大容许速度，这一速度受转子材料的强度限制。普通电机的转子的容许速度在120m/s以下，特殊的电机的转子容许速度可达150m/s或更高、图5是各种转速情况下可达的最大输出功率。S1是容许速度为150m/s时的主轴输出功率，S2则对应容许速度为120m/s时的最大输出功率。图中各零散点表示不同主轴生产厂在其产品目录中提供的数据。由此可见，迄今实际使用的主轴功率大多在120m/s的曲线以下。要提高主轴的最大输出功率，必须提高转子的机械结构的强度。

驱动电机影响主轴性能的另一个因素是电机本身产生的热量造成主轴温升，导致主动轴轴向伸长和中心高发生变化，其后果是加工精度在主轴运转的过程中不断波动，在用异步电机驱动时尤为突出。因为异步电机除定子的绕组发热外，转子由于短路环的作用也产生热量。定子内的热量可以通过附加的冷却系统进行排除，但转子内的热量只能通过定子与转子间的间隙向外传递，使转子温度易升高引起伸长。

解决异步电机转子发热的办法是采用同步电机。同步电机的转子是由永久磁铁制成，运转时转子内不形成电流，所以自身不会发热。定子绕组产生的热量则可像异步电机那样通过附加的冷却系统予以排除。图6是不同主轴功率条件下同步电动机与异步电动机的比较。由此可见，异步电动机主轴只适用于转速较低的场合。当转速较高时，必须使用同步电动机，否则较难控制主轴的温升和轴向伸长。

2．高速切削机床结构

高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外，高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展：一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。

（1）进给驱动系统高速化

高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。为了能达到更高的进给速度，近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在1997年进给速度已达120m/min。

直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图7所示，可假想把一个旋转电动机沿母线剪开并铺平就成为一个直线电动机。它无需其他修动装置就可产生直线运动。由于电动机与滑台刚连在一起，整个驱动的刚度较高，从而可达到很宽的调节频带。驱动系统的加速度取决于驱动电动机的功率和滑台的质量。与丝杠驱动系统相比，滑台上的附加质量能明显地影响直线电动机驱动系统的动态特性。尽管如此，直线电动机由于有较宽的调节频带能够达到比丝杠驱动更高的轨迹精度。与旋转电动机相比，直线电动机的电流发热损失很大，当电动机的功率较大时，必须配备相应的冷却系统。

（2）运动部件较量化和伺服进给控制精密化

图8是一台高速切割的加工中心，其X、Y、Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直线电机驱动，最大进给力分别为15000N、10000N和7500N。各轴进给速度可达100m/min，加速度在9.5～19m/s2。采用聚晶金刚石（PKD）铣刀加工铝合金时，可用下列切削用量：刀盘直径100mm，刀齿数12，切削速度5030m/min，进结速度15m/min，主轴转速16000r/min，切宽αe＝50mm，切削深度αp＝1mm。

为了减少高速运动的跟踪误差和获得平稳的加／减速，数控系统应用了现代控制理论能实现前瞻控制、前置反馈和速度的平滑变化等。

图9是美国Ingersoll公司为英国British Aerospace公司提供的大型高速型面铣床。床身底面积为33m×15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。该机床装有4个液体静压主轴头可同时进行切削,主轴直径245mm，长度240mm，主轴电动机在10000～20000r/min范围内的输出功率为150kW。4个主轴同时工作时，工件材料的切除率可达26000cm3/min。

（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。