浅谈高速切削加工关键技术及应用

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1、浅谈高速切削加工关键技术及应用在机械加工技术中，切削加工是应用最广泛的加工方法。近年来，高速切削技术蓬勃发展，己成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削的主要目标之一是通过高生产率来降低生产成本。它主要应用于精加工工序，常常是用于加工淬硬模具钢。另一个H标是通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力。H前，高速切削技术在航空航天、模具生产和汽车制造等行业己经获得广泛应用，并产生了巨大的经济效益。高速切削作为一种新的切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。1.高速切削的特点高速切削是一个相对概念，迄今尚未右一个确切的界定。

2、高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5倍〜10倍的切削加工，有时也称为超高速切削。也有将主轴转速达到10000r/min〜60000r/min,快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min以上，加速度大于lg的切削加工定义为高速切削。高速切削的速度比常规切削速度儿乎高出一个数量级，切削机理与常规的不一样。由于切削机理的改变，产生出许多自身的特点，同时也就对应有自身适合的应用范围：①材料切除率高进给速度随切速的提高也可相应提高5〜10倍，这样，单位时间内的材料切除率可提高3〜6倍，适用于材料切除率要求大的地方，如航空航天

3、、模具和汽车制造等领域。①切削力低切速高，使剪切变形区变窄、剪切角增大，变形系数减小以及切屑流出速度快，从而可使切削变形减小、切削力降低，可比常规切削低30%〜90%o特别适合加工刚性差的工件。②热变形小90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量极少，因而不会由于温升导致热变形，特别适合加工易热变形的零件。③高精度由于高转速和高进给速度，使机床的激振频率特别高，己远高于“机床一工件一刀具”系统的固有频率，使加工过程平稳、振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。适合于光学等领域的加工。④减少工序许多零件在常规加工时需要

4、分粗、精加工工序，有时机加后还需要手工打磨，而使用高速切削常可集中在一道工序中完成。1.关键技术a)高速主轴系统高速主轴系统，是高速切削技术最重要的关键技术之一，目前主轴转速在1.5万〜3万r/min的加工中心越来越呰及，己经有转速高达10万〜15万r/min的加工中心。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热量，会引起热变形和高温，所以必须严格控制。为此，对高速主轴提出如下性能要求：(1)结构紧凑，总质量小，惯性小，可避免振动和噪音，具有良好的启停性能；(1)足够的刚性和高的回转

5、精度；(2)良好的热稳定性；（4）功率大；（5）先进的润滑和冷却系统；（6）可靠的主轴监测系统。高速主轴为满足上述性能要求，结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构。采用集成化主轴，机构由于减少传动部件，具存更高的可靠性。高速主轴要求在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加减速度。为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。轴承是决定主轴寿命和负荷大小的关键部件。为Y适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热

6、等新技术。目前高速主轴主要采取陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动静压轴承等。主轴轴承润滑对主轴转速的提高有着重要作用，高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑等。b）高速进给系统控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其进行技术改进和技术创新，才能适应高速切削的要求。主要技术措施有：（1）丝杠采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（2）为降低高速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传动系统的精度。（3）改进螺母结构设计

7、，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列，可右效降低高速运行时的噪声。（4）改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（5）采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺母与驱动电机的转子集成为一体，由转子直接驱动。该结构由于丝杠固定不动，螺母作高速旋转的同时作轴向移动，故可消除丝杠临界转速的限制。高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为（0.5〜1.0）g，行程范围＜6m，用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其加速度可高达（2〜10）g，行程范围

8、不受限制，用于高裆高速数控机床和高速加工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（1）高速响应性。由于系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使整个闭环控制系统动态响应性能大大提