高速加工技术的应用和发展前景

前言

  目前国际上对高速加工尚无明确、统一的定义。一般认为，凡切削速度、进给速度高于常规值5～10倍以上，可称为高速加工。目前适用于进行高速切削的
加工中心，其主轴转速一般都在10000r/min以上，有的可高达60000～100000r/min，主轴轴承的dn值高达2×10的6次方，主轴电机功率15～80kW。不同行业对进给量和快速行程速度有不同的要求，大约在30～100m/min的范围内变化。除了具有上述高速性能外，加工中心的主轴和工作台还应具备极高的加速度性能，主轴从启动到最高转速(或相反)只用1～2s的时间，工作台的加(减)速度要达到(1～10)g(g=9.81m/s2)。上述运动指标都比目前普通数控机床高5～10倍以上。近年来，国内外各工业部门，特别是航空航天、汽车工业、模具工业和摩托车工业等对高速加工中心的需求量与日俱增，美、日、德、瑞士和意大利等工业发达国家已生产多种商品化产品。

  高速加工技术与一般加工方法相比有以下优点：(1)加工时间大幅度缩短，只有原来的1/4左右，意味着一台用于高速加工的高速机床可以代替4台普通CNC机床；(2)高速加工时，机床的激振频率很高，远离“机床—刀具—工件”工艺系统的固有频率，工作平稳，振动小，所以其加工表面质量很高，无需再进行其它表面处理工序；(3)单位时间的材料切除率可增加6倍，故生产率极高；(4)切削力可减少80%以上，尤其是径向切削力大幅度降低，零件变形小，加工时基本不产生热量，所以特别有利于薄壁细筋件的加工；(5)高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽和快速多次走刀来提高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽；(6)高速机床的投资回收快，可缩短交货期，减少车间占地面积，减少工人数量。

  一般来说，高速加工中心都是全数控机床和高精度机床，其传动和结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。这种传动方式的主要特点是，取消了从驱动电机至工作部件(主轴、工作台等)之间的一切中间机械传动环节(皮带、齿轮、滚珠丝杠、螺母等)，把传动链的长度缩小为零。零传动不但大大简化了机床的传动与结构，而且还显著地提高了机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性，是一种新型的传动方式。

  高速电主轴

  电主轴是高速加工中心的主要部件，其机械结构虽不复杂，但要求的加工精度极高，关键零件的材质和热处理要求都较严格，是一种机电一体化的高科技产品，整个部件必须在恒温、洁净的环境中进行装配和调校。其性能参数和制造质量的高低，在很大程度上决定了整台高速加工中心的加工速度、工作精度和生产效率。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器及换刀装置等。

  目前国外较流行的电主轴参数如下：

  机床类型——额定扭矩(Nm)——转速(r/min)——刀柄

  钻铣床——0.02～10——40000～150000——HSK E25/E32，SK120或弹簧夹头

  小型加工中心——4～70——20000～60000——HSK E32/E40/E50/E63/A63

  中型加工中心——16～200——12000～30000——HSK E50/E63/A63/A80/A100

  龙门加工中心——70～300——8000～24000——HSK A63/A80/A100

  电主轴所融合的技术包括：

  高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，特点是耐磨、耐热，其寿命是传统轴承的几倍，有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。

  高速电机技术：电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电机，其关键技术是高速度下的动平衡。

  润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个称为定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。而油气润滑指的是润滑在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很关键，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

  冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

  内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。

  自动换刀装置:为了适应加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟簧、刀具拉紧油缸。

  高速刀具的装夹方式:广泛采用HSK、SKI等高速刀柄。

  高频变频装置:要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须采用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达几千赫芝。

  目前世界各工业发达国家不惜代价，纷纷投入巨资，配备精良的加工与测试设备，建立专门的电主轴生产基地，实现电主轴的系列化、专业化生产。国外比较著名的电主轴生产厂商有：德国的GMN，瑞士的FISCHER、IBAG和STEP TEC，美国的PRECISE，日本的NHK和KOYO以及意大利的GAMFIOR和FOEMAT等。

  直线电机高速进给单元

  由于滚珠丝杠系统的组成元件多(伺服电机、传动齿轮、丝杠、滚珠、螺母、支架等)，传动链长，滚珠丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件，当运动速度要求较高时，由于滚珠丝杠传动惯量大、扭矩刚度低、传动误差大、摩擦磨损严重、弹性变形引起爬行、反向死区引起非残性误差等一系列缺陷，从而影响加工中心动态性能。目前，一般滚珠丝杠的最大速度为20～30m/min，加速度(0.1～0.3)g，远远不能满足高速加工的要求。

  1993年，德国ExcellO公司在汉诺威国际机床博览会上首次展出世界第一台带有直线电机驱动工作台的HSC 240型高速加工中心，该加工中心采用德国Indramat开发的感应式直线电机。该机床最高主轴转速为24000r/min，工作台最大进给速度为60m/min。与此同时，美国Ingersoll公司在HVM 800型高速加工中心上，采用了美国Anorad公司开发的永磁式直线电机，其最高主轴转速为20000r/min，工作台最大进给速度76.2m/min。

  直线电机进给驱动有如下优点：(1)速度高。直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，容易实现高速直线运动，目前最大进给速度可达80～120m/min。(2)加速度大。直线电机的启动推力大，结构简单、重量轻，运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可达(2～10)g。(3)定位精度高。直线电机进给系统，用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，通过反馈对工作台的位移精度进行精确的控制，因而刚度高，定位精度高达0.1～0.01μm。(4)行程不受限制。直线电机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初期(工作台)就可运动到哪里，不管行程多远，对整个系统的刚度不会有任何影响。如最近美国Cincinnati Milacron公司为航空工业生产了一台HyperMach大型高速加工中心，主轴转速60000r/min，主电机功率80kW。采用了直线电机，其x轴行程长达46m，工作台最高进给速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g。在该机床上加工一个大型薄壁飞机零件只需30分钟；而同样的零件在一般高速铣床上加工，耗时3小时；在普通
数控铣床上加工，则需8小时。

  作为加工中心进给系统的一种新的驱动方式——直线电机，只有几年的历史，目前在设计、制造和应用等方面还存在一些问题，如防磁问题、直线电机散热问题、工作台的结构轻化问题、高速导轨结构类型的选择问题、直线电机驱动与闭环控制系统等，而且成本也较高，这一系列问题都有待进一步研究解决。尽管如此，直线电机在高速加工中心上的应用，已呈现出滚珠丝杠所无法比拟的诸多优点，并有望成为21世纪高速加工中心进给系统的基本传动方式。

  高速加工技术的应用和发展趋势

  正如前面所谈到的，高速加工具有生产率高、切削力小、工件热变形小及加工精度和表面质量高等几大优点，而且在近10年来，由于高速机床、高速刀具和其它关键技术的迅速发展，高速加工在国内外得到了广泛的应用。

  高速加工技术的应用

  航空航天工业

  减轻重量对于航空航天器有着极其重要的意义。在飞机工业中，主要采取两个措施来减轻零部件的重量：即零部件尽量采用铝合金、铝钛合金或纤维增强塑料等轻质材料制造；把过去由几十个、甚至几百个零件通过铆接或焊接起来的组合构件，合并成一个带有大量薄壁和细筋的复杂零件，用“整体制造法”制造。即从一个实心的整体毛坯中，切除和淘空85%以上的多余材料加工而成。由于切削余量很大，如果采用普通方法加工，则切削工时长，生产效率低，不能满足飞机产品更新换代的要求。采用“整体制造法”有三个优点：用高速加工来加工这类带有大量薄壁、细筋的复杂轻合金构件，其材料切除率高达100～180cm3/min，为常规加工的3倍以上，大大压缩了切削工时；飞机上的零件数量可减少40%以上，省去了原来组合构件的装配和铆焊工序，节省了大量的装配、调校工时和制造工模夹具的时间，减少了占用的生产面积，减轻了飞机部件的重量，扩大了柔性生产的能力，减少了部件之间的结合面，提高了飞机飞行的安全性。

  如加工一全长为3.35m、有的部位壁厚不到1mm的大型薄壁飞机构件，该构件以往由500多个零件组装而成，以前加工这个组合构件的生产周期为3个月。现用一块整体毛坯，通过高速加工来制造这个零件，其生产周期不足两周，生产效率提高6倍以上。

  航空和动力部门大量采用镍基合金(如Incomel718)和钛合金(TiAl6V4)来制造飞机和发动机零件。这些材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中易硬化、切削温度高、刀具磨损严重，是一类难加工材料，过去一般采用很低的切削用量。如采用高速切削，则切削速度可提高到100～1000m/min，为常规切削速度的10倍左右，不但大幅度提高了生产效率，而且还有效地减少了刀具磨损，提高了零件的表面加工质量。

  汽车、摩托车工业

  近10年来，新建的汽车、摩托车生产线多半采用由多台加工中心和数控机床组成的柔性生产线，它能适应产品不断更新的要求，但由于是单轴顺序加工，生产效率没有多轴、多面、并行加工的组合机床自动线高。高速加工技术就是采用高速加工中心和其它高速数控机床组成高速柔性生产线。这种生产线集“高柔性”与“高效率”于一体，既可满足产品不断更新换代的要求，做到一次投资，长期受益，又有接近于组合机床刚性自动线的生产效率。从而打破了汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了多品种、中小批量的高效生产。

  如美国Ford汽车公司和Ingersoll机床公司合作，寻求能兼顾柔性和效率的汽车生产线方案。经过多年的努力，研制成HVM800型卧式加工中心，同时采用高速电主轴和直线电机，主轴最高转速为24000r/min，工作台最大进给达76.2m/min，即不到1秒钟工作台可行程1m，瞬间完成一个工作行程。用这种高速加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入要减少40%。换产的准备时间也快得多，主要工作是编制软件，而不是大量制造工夹具，现已成为一条名符其实的敏捷制造生产线。我国汽车工业近年来也开始用高速加工中心组成柔性生产线取代组合机床刚性自动线。

  模具工业

  大多数模具都是由高硬度、耐磨性能好的合金材料(经热处理)制造，加工难度很大。以往广泛采用电火花(EDM)加工成形，然而这是一种靠放电烧蚀的微切削加工方式，生产效率极低。

  用高速铣削代替电加工是加快模具开发速度、提高模具制造质量的一个新方法。用高速铣削加工模具，不仅可用高转速，大进给，而且粗、精加工一次完成，大大提高了生产效率。采用高速切削加工淬硬钢模具，硬度60HRC以上，表面粗糙度Ra0.6μm，达到了磨削加工的水平，效率比电加工高数倍，不仅节省了大量的修光时间，还可代替绝大部分的电加工工序。

  模具型腔通常采用小直径球头立铣刀进行高速硬铣削，要求机床的最高主轴转速高达20000～40000r/min，但进给速度要求不是太高，一般采用进给速度30m/min，为防止加工时发生颤振，机床必须具有足够的刚度。除此而外，高速加工还可用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表的高速加工。

  高速加工技术的发展趋势

  作为面向21世纪的一项先进制造技术——高速加工，将继续克服当前存在的某些技术障碍，在以下几个方面将会得到更快的发展。

  ①扩大材料加工范围:从铝合金加工扩大到钢材的高速加工，解决钢件高速加工存在的技术难点。

  ②用干式切削替代湿式切削。解决高速加工使用大量冷却液造成对自然环境的污染问题，进一步研究开发适用于干式切削的新型刀具材料，研究开发干式切削加工中心。

  ③进一步改善高速机床的驱动和控制技术，开发快速的CAD/CAM系统和实用的编程软件，以满足实际生产的需要。

  ④研究高速机床的安全防护和远程监控技术。确保高速加工的生产安全。

  ⑤改善研究和试验条件，继续深入开发高速切削机理的理论研究、仿真研究和虚拟研究，进一步弄清高速切削过程的物理本质和变化规律，建立高速切削数据库，指导用户正确使用已有高速机床，充分发挥高速加工中心的效能。