3． 高速铣削的关键技术

       高速切削是制造技术中引人注目的一项新技术，其应用面广，对制造业的影响大。高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展的结果。高速切削主要包括以下几方面的基础理论与关键技术：

       1)高速切削机理；

       2)高速切削刀具技术；

       3)高速切削机床技术；

       4)高速切削工艺技术；

       5)高速加工的测试技术等。

       德国Darmstadt工业大学生产工程和机床研究所的舒尔兹教授(H．Schulz)对高速切削技术进行了多年的深入研究，他对高速切削所包含的技术提出了下面的框图（图3.1）。

3．1高速切削机理的研究

       高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。试想，如果没有萨洛蒙高速切削假设、没有德国、美国和日本等国的科学家、工程师不断的研究，去证实萨洛蒙的理论，去完善和修改高速切削理论，也不会有今天高速切削的快速发展和广泛应用。因此，在高速切削技术的发展中，高速切削机理的研究仍然占有重要的地位，而且高速切削机理和相关理论至今还远远没有完善，高速切削数据库尚未真正建立起来。

       我国高速切削机理研究工作，和美国、德国、日本等先进工业国家比还有相当大的差距。基础理论的落后也极大地制约了高速切削技术在我国的发展和应用。

       高速切削机理的研究主要有以下几个方面：

       (1) 高速切削过程和切屑成形机理的研究对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究，采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。

       (2) 高速加工基本规律的研究对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行研究，提出反映其内在联系的数学模型。实验方案设计和试验数据处理也是研究工作中需要解决的问题。工艺参数应基于建立的数学模型及多目标优化的结果。

       (3) 各种材料的高速切削机理研究由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性，所以，要研究各种工程材料在高速切削下的切削机理，包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验研究和分析，建立高速切削数据库，以便指导生产。

       (4) 高速切削虚拟技术研究在试验研究的基础上，利用虚拟现实和仿真技术，虚拟高速加工过程中刀具和工件相对运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真，显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等，预测被加工工件的加工质量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响等。

       应该指出．虚拟现实技术是基于计算机技术和信息技术的发展而产生的一种信息处理技术。采用虚拟技术对高速切削的理论进行研究具有节约资源、加快研究进度的优越性，特别是对于一些试验条件不具备或试验很难做、且耗资耗力巨大的试验，用虚拟技术进行分析研究，虚拟仿真试验情况，是非常有价值的。但是虚拟仿真必须有试验数据作基础，同时还要检验虚拟仿真的真实性和可信性。虚拟现实技术的应用，无疑会给高速切削机理的研究工作提供一种崭新和有效的方法，必将大大加快高速切削理论研究工作的进程。

3．2 高速切削刀具

       高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高的关键因素是切削刀具是否能承受越来越高的切削温度。在萨洛蒙高速切削假设中并没有把切削刀具作为一个重要因素。但是随着现代高速切削机理研究和高速切削试验的不断深入，证明高速切削的最关键技术之一就是高速切削所用的刀具。舒尔兹教授在第一届德国—法国高速切削年会(1997年)上做的报告中指出，目前，在高速加工技术中，有两个基本的研究发展目标，一个是高速引起的刀具寿命问题，另一个是具有高精度的高速机床。

       切削刀具的性能在很大程度上会制约高速切削技术的应用和推广。目前，高速切削刀具的国产化也是机械制造行业急需解决的问题。

       高速切削刀具与普通加工的刀具有很大不同。目前，在高速切削中使用的刀具有硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、陶瓷等材料。在我国，一些高校和研究单位也在进行这些新刀具材料的研究，但规模很小，距实用化还有相当大的距离。

3．3 高速切削机床技术

       高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加工的技术水平、很大程度反映在高速机床的设计制造技术上。在现代机床制造中、机床的高速化是一个必然的发展趋势。在要求机床高速的同时，还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。

       高速机床技术主要包括高速单元技术(或称功能部件)和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速 CNC 控制系统等；机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。

分别简介如下：

       (1) 高速主轴单元

       高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速加工机床的核心部件．在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高转速和高刚度的矛盾、高速度和大转矩的矛盾等等。

       因此，提高主轴转速和精度是一项很困难的工作，设计和制造高速主轴必须综合考虑满足多方面的技术要求。

       高速主轴一般做成电主轴的结构形式，其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等等。

       (2) 高速进给系统

       进给系统的高速性也是评价高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持高速加工刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。

       高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。

       目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相关联的还有工作台(拖板)、导轨的设计制造技术等等。

       (3) CNC控制系统

相对而言，现有的控制系统对超高速机床所需的进给率来说是显得太慢了，超高速机床要求其CNC系统的数据处理时间要快得多，高的进给速率要求CNC系统有很高的内部数据处理速率，而且还应有较大的程序存储量。CNC 控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨迹、预先前馈控制、反应的伺服系统等。

       (4) 床身、立柱和工作台

       高速机床设计的另一个关键点，是如何在降低运动部件惯量的同时，保持基础支承部件高的静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助工程的方法用有限元法和优化设计，能获得减轻重量、提高刚度的床身、立柱和工作台结构。为获得较好的动态性能，有些高速机床床身由聚合物混凝土材料制成。

       (5) 切屑处理和冷却系统

       高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适用．例如对抗热冲击性能差的刀具．在有些情况下，切削液反而会降低刀具的使用寿命，这时可采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作。

       (6) 安全装置

       机床运动部件的高速运动、大量高速流出的切屑以及高压喷洒的切削液等等，都要求高速机床要有一个足够大的密封工作空间。刀具破损时的安全防护尤为重要，工作室的仓壁一定要能吸收喷射部分的能量。此外防护装置必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直接接触切削区的情况下的操作安全。

3．4 高速切削的工艺技术

       高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。切削方法选择不当，会使刀具加剧磨损，完全达不到高速加工的目的。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。

       (1) 切削方法和切削参数的选择与优化

       在高速切削中，必须对切削方法和切削参数进行优化选择。其中包括优化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程(顺铣还是逆铣)等。

       (2) 对各种不同材料的切削方法

切削铝、铜等轻合金，与切削钢和铸铁以及切削难加工合金钢，由于切削机理不同，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好的切削效果。根据不同加工材料来研究高速切削工艺方法，也是高速切削工艺技术研究的重要内容之一。

       (3) 刀具材料和刀具几何参数的选择

       在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的选择综合进行。 高速切削工艺技术研究是一项很有意义的工作。实践证明，如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺技术作指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用。高速切削的工艺技术和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。这一点是高速机床应用中要特别加以注意的问题。

3．5 高速加工的测试技术

       高速加工是在密封的机床工作区间里进行的，在零件加工过程中，操作人员很难直接进行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控、实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。

       高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。近年来、在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。现在已经在机床使用的有：主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发射传感器、工件加工可视监视器等。 智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。例如，神经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别。

二、高速切削机床

（—） 如何有效地选择高速切削机床

       高速切削加工是最重要的现代制造技术，而实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床。自 20世纪  80年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。一般来说，一个完整的高速机床系统主要包括：高的静/动刚度支承构件（机床的基本结构）；高精度、高转速的高速主轴；高控制精度、高进给速度和高进给加速度的进给系统；高速、高精度 CNC 系统；高效的冷却系统（干切削机床除外）；安全防护与实时监控系统等。

       1、高速切削机床基本结构 

       机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土(或人造花岗岩)，这种材料阻尼特性为铸铁的 7～10倍，比重只有铸铁的  1/3。提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。

       2、高速主轴 

       高速主轴是实现高速切削最关键的技术之一。随着工业上对主轴转速要求不断提高，高速主轴技术近年来得到了迅猛发展，在理论与实验研究的基础上研制开发出实用的高速主轴单元已商品化。目前主轴转速在 10000～20000r/min的加工中心越来越普及，转速高达  100000r/min，200000r/min，250000r/min  的实用高速主轴也正在研制开发中。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，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求：

       (1)  高转速和高转速范围；

       (2)  足够的刚性和较高的回转精度；

       (3)  良好的热稳定性；

       (4)  大功率；

       (5)  可靠的工具装卡性能；

       (6)  先进的润滑和冷却系统；

       (7)  可靠的主轴监测系统。

       轴承作为高速主轴技术中的关键，它直接决定了主轴的负荷容量、工作性能（高速、高刚度、高运动精度）、工作寿命及主轴的动、静态性能。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑､散热等新技术。目前高速主轴主要采用  3  种特殊轴承：(1) 陶瓷轴承；(2) 磁力轴承；(3)  空气轴承。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用，高速主轴一般采用油雾润滑或喷油润滑。

       3、高速进给机构 

       高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达 50～120m/min，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨､滚珠丝杠､伺服系统､工作台结构等提出了新的要求。而且，由于机床上直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上       

       主要采用如下措施：

       (1)  采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的 1/20 左右，而且，使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大减少；

       (2)  高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度；

       (3) 高速进给伺服系统已发展为数字化､智能化和软件化｡高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电机和控制技术；

       (4)  为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料；

       (5) 为提高进给速度，更先进､更高速的直线电机已经发展起来｡直线电机消除了机械传动系统的间隙､弹性变形等问题，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙｡直线电机具有高加､减速特性，加速度可达 2g，为传统驱动装置的 10～20  倍，进给速度为传统的4～5 倍，采用直线电机驱动，具有单位面积推力大､易产生高速运动､机械结构不需维护等明显优点｡

       4、高速CNC控制系统 

       数控高速切削加工要求 CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在高速切削时（特别是在  4～5  轴坐标联动加工复杂曲面时）仍具有良好的加工性能。

       高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标：

一是、单个程序段处理时间，为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用 32位  CPU和  64位  CPU，并采用多处理器；

二是、插补精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段处理功能。

       此外，还可采用 NURBS(非线形 B样条)插补､回冲加速､平滑插补､钟形加减速等轮廓控制技术｡

       高速切削加工 CNC系统的功能特征包括：

       (1)  加减预插补；

       (2)  前馈控制；

       (3)  精确矢量补偿；

       (4) 最佳拐角减速度｡

       5、高速切削机床安全防护与实时监控系统 

       高速切削的速度相当高，当主轴转速达 40000r/min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。因此，对高速切削引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲，高速切削的安全保障包括以下诸方面:机床操作者及机床周围现场人员的安全保障；避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤；识别和避免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面，机床设有安全保护墙和门窗。刀片，特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由于离心力作用产生飞离外，还要进行极限转速的测定。刀具夹紧､工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测，机床主轴功率监测，主轴转速监测，刀具破损监测，主轴轴承状况监测，电器控制系统过程稳定性监测等。

       6、选购高速切削机床的方法

       高速切削机床是实现高速切削加工的前提和关键。但是，如何有选择地购买高速切削机床，怎样将高速切削机床融入现有的加工机制中，还有诸多的不确定性，该方面的技术知识还很片面。应用合理、可靠的结构化程序，可以比较安全、稳妥地去选择高速切削机床。下面将介绍一种有组织、有步骤地购买高速切削机床并将其应用到现有的生产环境中去的方法，该方法包括五个阶段(如图6.1)。