速度、精度和效率是制造技术的关键性能指标。高性能加工技术包括高速切削加工(HighspeedMa chining)技术、复合加工(Multi-functionalMachining)技术 、精密和超精密切削加工(Highprecision/Ultra-highprecisi onMachining)技术、硬切削/干切削加工(DryMachining/HardM achining)技术等。本文主要从国内外高速切削机床与工具技术的应用情况进行叙述,并 对发展趋势和应用前景进行展望。1高速高效加工技术提高机械加工生产率是机械制造领域永恒的 课题,也是当前机械制造领域普遍关注的问题。高速、高效加工技术是目前获得高效机械加工生产 率的重要手段,也是企业进行技术创新、提高产品经济效益的重要途径之一。1.1高速加工技术 高速加工技术主要应用于航空和航天产品的零件制造、模具制造以及汽车零部件制造等,其加工特 点是:1)要求较高的切削速度和切削效率航空航天器为了最大限度地减轻重量,采用薄壁细筋结 构(最薄壁的厚度仅为1mm),机械加工量大。提高生产效率的主要途径之一是提高切削速度和 进给速度。2)材料加工难度大大量采用的镍基合金和钛合金零件强度大、硬度高,加工中易硬化 ,刀具磨损严重,加工效率很低,采用高速切削,其切速可提高到常规切速的10倍左右。为此, 航空、航天工业对加工机床的技术要求主要表现在:采用高硬度、高质量工具系统适应高转速加工 ;采用高速传动部件(高速主轴、直线电机、高速滚动部件等)实现高速加工;采用高进给速度、 高主轴转速、大功率和大扭矩,实现高效加工。1.1.1高速传动技术要实现机床的高速进给, 必须选用高速传动部件或直接驱动部件。主要有高速滚珠丝杠、直线滚动导轨、高速转台或采用直 线伺服电动机和直接驱动转台等。1)高速滚珠丝杠目前,滚珠丝杠螺母副DmN值已从7万提高 到20万以上。通过采用滚珠丝杠中间内冷却,多头、大导程,可实现180～240m/min 的高速运动。2)直线伺服电动机为提高数控高频响应特性,大力开展直线伺服电动机(简称直线 电动机)的研究工作,对直线电动机的电磁间隙、反馈电栅、零位方式、电磁干扰、防油、防尘一 系列基础共性技术进行攻关,并开发研制了具有高性能矫顽磁力、磁能积、磁感强度高的永磁合金 材料与之配套。大功率、大推力直线电动机在高速数控铣和加工中心等方面得到了较多的应用,使 机床运动的加速度达到3g,实现了120m/min的快速进给。3)高速转台(直接驱动转台 )目前已有直接驱动转台(即内装电机式数控转台)问世,转动90°的时间仅为0.4～0.8 s,可720°旋转,回转精度1',定位精度2μm。4)高速主轴为适应高速加工的要求,开 展了主轴轴承的结构研究和陶瓷新材料的应用研究以及不同转速下采用的轴承润滑方式试验等。采 用磁浮轴承、空气静压轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式,开发了主轴内藏增速机构, 使主轴转速提高(见表1)。表1国内外主要机床的技术水平对比表立式加工中心卧式加工中心数 控车床重型数控龙门铣高速龙门铣机床主要参数/mm400630400800Φ250630 2500500010005000主轴功率/kW7～1515～3715～3775～100 45～80主轴转速/r·min-110000～200008000～15000>5000 3500～600012000～40000快速移动速度/m·min-145～8045～8 030～4515～2545～60切削进给速度/m·min-145～6045～6025～ 4510～1530～451.1.2高速控制和驱动技术1)控制技术数控系统采用超大规模集 成电路和多CPU结构以及分级中断控制方式,使NC处理速度大幅度提高,可在同一台机床上同 时进行加工和程序编制,以提高系统的数据处理能力,插补运算速度和精度。编程也更加简单。使 用双样条函数插补技术进行编程简便、快捷,例如目前加工1个规则的回转曲面,只要输入轮廓的 侧母线及回转半径,即可非常方便地完成建模;对非规则曲面,只要输入轮廓的起始母线及终止母 线以及对应点的导向连接线,也可马上完成建模。过去的五轴联动直线插补技术,仅仅是空间曲线 的近似,现在的五轴加工采用矢量空间曲线,由于在块边界进行了机床定向平滑过渡,从而大大改 善了表面加工质量,同时也使加工速度大幅度提高。2)伺服驱动技术伺服电动机的转速不断提高 ,目前光电编码器每转输出的脉冲已可达到13～16万个;光栅线位移传感器的快速提高到12 0m/min,精度达到0.5μm。数字伺服技术克服了模拟信号的飘移和噪音,避免了前馈控 制所产生的伺服滞后现象和机电谐振,提高了二环增量,增加了控制方法(如前馈控制、自适应控 制、学习控制),并进行摩擦补偿,使得系统速度达到240m/min,加工速度18m/s2 。1.1.3高速切削工具1)超硬材料刀具并超硬材料刀具主要指聚晶金刚石(PCD)刀具、 立方氧化硼(CBN)刀具和陶瓷刀具等。目前,PCD刀具、CBN刀具、陶瓷刀具和PCD涂 层刀具已开始得到应用,对非金属材料、复合材料以及刀具寿命的提高都具有很大的作用。PCD 刀具和CBN刀具高速切削不同材料的技术指标见表2。表2PCD刀具和CBN刀具切削不同材 料的技术指标铝合金钢铸铁钛合金材料硬度表面粗糙度车削速度/m·min-11000～70 00500～20003000100～1000攻丝速度/m·min-112铰孔速度/m· min-150～60HRC40～60Ra1μm2)高速工具系统依据高速切削的要求,国外 开发了高速工具系统结构,并对工具系统在高速下的动刚度、刀体扩张量、动平衡、调整机构的偏 移、可转位刀片移位的弹性分量、刀具的安全性、刀具磨损、破损及其监控、切屑控制和及时排除 等项技术开展了研究。其突出的代表为HSK工具系统。随着高速加工机床的逐渐普及,采用端面 和锥面双重定位的HSK工具系统逐步取代传统的7∶24工具系统,已成为高速加工刀具系统的 发展趋势。2高效加工技术高效加工(HEM)与高速加工(HSM)的区别在于:高效加工并不 追求机床主轴转速达到最高,而是将关注焦点集中于优化切削加工,以获得最高的加工效率。实现 高效加工的方法包括复合加工工艺和强力切削等。汽车、模具、航空、航天等行业是高效加工的主 要应用领域,高效加工技术及其切削刀具在这些领域具有迫切的需求和广阔的应用前景。2.1复 合加工技术复合加工技术包括工序复合、工艺复合、不同加工方法组合、机床功能扩展以及系统集 成化。1)工序复合加工集铣削、车削、孔加工和磨削等加工于一身的一次性装夹,不同工序复合 加工工艺技术已经成为当今金属切削机床的标准配置。2)工艺复合加工集车、铣、滚齿、磨、淬 火与激光热处理等不同工艺的复合加工技术是提高生产效率、减少加工周期的一个重要发展方向。 3)不同加工方法组合如铣削-激光淬火复合加工、冲压激光切割的复合加工、金属烧结镜面切削 的复合加工以及加工清洗融于1台机床上的复合工艺等不同加工方法组合的机床。4)功能扩展为 提高加工效率和批量生产零件的加工能力,出现了多轴、多刀架同时加工的机床,刀具围绕主轴四 周布置,采用一套数控系统、一套液压系统、一套气动系统来进行双主轴加工,对节省占地空间, 降低制造成本具有重要的意义。5)集成化机床不仅能完成加工,还具备自动测量、自动上下料、 自动换刀、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能,形成包括工业机器人、物流系统组成的 数字化和智能化制造系统,提高了自动化程度、减少了辅助劳动时间。2.2复合加工刀具复合加 工刀具是将2把或2把以上的同类或不同类的加工刀具组合成一体的专用刀具,他能在1次加工过 程中完成多种不同的工艺。例如MAZAK公司研究出一刀多切削功能(如车曲面、端面、切槽、 切断;钻削、攻丝、倒角;钻孔、扩孔和铰孔等组合加工)的高速高精度数控刀具。此外,目前还 开发出了齿轮筒式外拉刀,曲轴车———车拉刀,使切削加工效率提高了几十倍。2.3硬切削和 干切削加工技术硬切削是指对高硬度(>54HRC)材料直接进行切削加工。硬切削可直接作为 最终精加工工序,而传统加工常以磨削作为最终工序。干切削为不加注任何切削液的切削。干切削 刀具的材料必须具有极高的红硬性和热韧性,良好的耐磨性、耐热冲击和抗黏结性。据2005年 EMO展会论坛介绍,德国RODERS公司开发了一种复合机床,运用硬切削技术,采用高速铣 削和坐标磨削技术,开发即适合铣削又适合磨削的主轴,改进直线电动机的设计和控制系统硬件性 能等,使直接驱动进给轴的运动显著改善了加工效率,从而使淬硬工具钢加工的表面粗糙度从Ra 0.2μm减小到Ra0.1μm,较大型的工件加工表面粗糙度从Ra10μm减小到Ra5μ m。3精密和超精密加工技术从1950年到2000年的50年间,机床的加工精度提高了2个 数量级,如图2所示即平均8年精度提高约1倍。精密机械加工精度将从现在的0.01mm提升 到0.001mm。超精密工作母机的微细加工精度可达0.05μm,形状精度达0.01μm 。采用光、电、化学等能源特种加工可达纳米级0.001μm的加工精度。3.1精密加工技术 1)机床热变形变小随着高速、高效机床的出现,新型刀具材料的使用以及生产效率的提高,机床 热变形对加工精度的影响愈发明显。目前由于机床热变形引起的误差已占加工工件的制造误差的4 0%～70%,有时高达89%。因此,国际上将关于机床热变形的研究提到空前的高度,相继提出了热结构优化技术、温度控制技术和热位移数控补偿技术,并提出了热敏感点理论,解决温度测量点的选择问题,建立了各种数学模型方法,并建立了多种预报程序,对机床切削振颤、温升、变形等进行预报,提出了一系列机床精度预报判定准则,使预报的准确性得以提高。这
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