摘要：介紹了趣高逮加工機床及刀具新進展。對超高速機床的幾個主要關鍵技術高速主軸單元、高速主軸軸承、直線電機進給驅動系統、高速機床控制系統以及高速加工刀具進行了討論。并就我國發展超高速機床和刀具技術進行了討論。 關鍵詞：高速機床高速主軸直線電機高速刀具 超高速加工是指高于常規切削速度5倍乃至十幾倍條件下所進行的切削加工。例如在試驗室中，鋁臺金加工已達6000m/lmin；而在實際生產中也達到了1500～5500m/min。在實驗室中，磨削中單層鍍砂輪磨削速度達3001～S，目前正探索500m/s速度的磨削；而實際生產中也達到了250m/s。超高速加工不但可 太幅度提商零件的加工效率、縮短加工時間、降低加工成本；而且可以使零件的表面加工質量和加工精度達到更高的水平。 一、高速機床的主軸加工單元 高速主軸單元是高速、超高速加工機床最為關鍵的部件。其主要類型有電主軸。在國外具備各種先進的電氣驅動和控制技術的電主軸已經達到專業化生產和商品化供應，如瑞士的Fisher公司生產的電主軸。這些技術包括可實現準停的變額驅動，變速精度在0.5%內的優化矢量控制，帶c軸功能的矢量控制。在這些主軸單元，主軸套筒外徑從33-250min有十多個規格。轉速最高達18000m/min，功率最大可達70kw。在EN097上，電主軸是機床制造技術中最熱門的功能部件，參展商達76家。而且瑞士著名的Micron機床廠的成員Step-Tec公司已專業生產電主軸部件。 在高速主軸系窺中成功地采用了各種超高速軸承。這種軸承要求主軸旋轉時有較高剮度和承載能力，而且要求有較長的使用壽命。這種軸承是高精度陶瓷球角接觸球軸承、磁力軸承、流體動靜壓軸承。 為了減少高速旋轉時產生的離心力，高精度陶瓷球角接觸球軸承中，滾動體使用熱壓氮化硅（s N4）陶瓷材料，軸承內外圈仍為軸承鋼。這種軸承為密珠結構，接觸角為l5。，而且是外徑定心的保持器，前后兩個支承處安排兩個背靠背安裝陶瓷軸承。這種軸承的 n值已超過2 x 10[sup]6[/sup]mm·r/rain，陶瓷球密度低、離心力小；剛度高；發熱少；熱穩定性好；壽命長；為了增加軸承滾道的耐磨性，可以對滾道進行涂層處理或其他表面處理。這種軸承轉速比相應規格的錒軸承提高50％以上，溫升可減少35％6o％ ，彈性模量是軸承鋼的1．5倍。這種軸承的極限轉速與其潤滑方式有著重要的關系 一般都采用油氣潤滑和噴油潤滑。油氣為空氣與有的混合，壓縮空氣（來自工廠氣源，經精細過濾器）常供，麗油（少數廠家還加某種添加劑）采取定時、必需的最小量的供給。油氣潤滑軸承極限轉速可以達（1.8～2.1）×10[sup]6[/sup]/min。噴油潤滑軸承極限轉速可達（2.3-2.5）×10[sup]6[/sup]/min，這種潤滑方式會污染環境。而這兩種潤滑方式需要專門的潤滑裝置。一般采用迷宮和壓縮空氣外吹的方式。 流體動靜壓軸承在高速主軸系統中也應用較多 美國k口mou公司在HvM8∞ 高速加工中心上采用液體動靜壓軸承，主軸轉速可超過；20000r/min，軸頸表面圓周速度達50m/s 軸承的特點為高壓、大間隙、小孔節流。國外從90年代開始投A大量人力物力開發高速動靜壓軸承，對這種軸承的剛度、承載能力、溫升、穩定性作了大量的研究。目前美國已推出了主軸轉速超過40000r/rain的高速液體動靜壓軸承，潤滑劑采用水。高速液體動靜壓軸承設計制造技術在國外已成熟。同時，高速動靜壓軸承與主軸系統一體化技術也在發展中。 磁懸浮軸承因其不可比擬的優越性而受到青睞。磁力懸浮軸承Dmn值可達4×10[sup]6[/sup] mm/min，承載力達300kN，軸向靜剛度達2000N/um，動剛度達100N/um，可靠性超過4000h。瑞士Ibag公司主軸制造廠制造的采用磁懸浮軸承的主軸單元，主軸轉速可達201300～40000r/min，最高可達200000r/min。德國KAPP公司采用的磁懸浮軸承砂輪主軸，轉速達60000r/rain。目前市場上有Ibag 、GNN和日本Seiko—Seiki三家公司供應帶磁懸浮軸承的電主軸。 綜上所述，目前高速大功率主軸單元中，基于功能和經濟性的要求，采用陶瓷混合球速承或液體動靜壓軸承。但隨著主軸向更高速發展，磁懸浮軸承是各研究機構和制造商更為重視的研究和應用領域。 二、高速機床的進給驅動系統 超高速機床要求進給系統有與主軸高轉速相應的高速進給運動（空行程時的移動速度更高），直線電機驅動實現了無接觸直接驅動，避免r滾珠絲杼（齒輪、齒條）傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點，可獲得高精度的高速移動并具有極好的穩定性。最早開發使用進給直線電機的美國Ingersoll公司在其I-WN8加工中心的x、y、z軸上使用了永磁式直線電機，進給最高速度達76.2m/min。意太利Vigolzone公司生產的高速臥式加工中心，三軸采用直線電機，進給速度三軸均達到70m/min，加速度到1gc德國的Extcell-0公司生產的XHC24臥式加工中心，采用了I公司的直線驅動電機，最高進給速度可達60m/rain，加速度為l 在CIMT97上德國西門子公司作了直線電機120m/rain高速進給表演，該公司直線電機最大的進給速度達2oom/min，最大推力可達6600N，最大位移距離為504mm。目前直線電機加速度可達2g以上。另外，日本Mazak公司的直線電機也在市場上占較大份額。 三、高速加工機床的控制系統 目前，主軸電機的設計仍然是在現有的矢量控制變頻調速交流電機的基礎上，優化現有的技術，呆用更復雜的、性能更好的半導體器件和處理速度更高的處理器以及進一步優化矢量控制技術等。高速機床中，數字主軸控制系統和數字伺服軸驅動系統應具有超高速響應特征。主軸單元的控制系統，除了要求控制主軸電機時有很高的快速響應特性之外，對主軸支撐系統也應該有很好的動態響應特征。采用液壓或磁懸浮軸承軸承時，要能夠根據不同的加工材料、不同的刀具材料 及加工過程的動態變化自動調整相關參數 工件加工的監測裝置應選用如雙頻激光干涉儀這樣的具有高的跟蹤特性和分辨率的監測元件。 進給直線電機的控制系統利用現有的變頻調速和矢量控制技術，并不斷完善在高速加工中，輸入的控制程序仍是標準ISONC代碼。但在高速條件下，傳統的NC程序存在很多問題，諸如應采用特殊的編程方法，使切削數據適合高速主軸的功率特征曲線的問題；如何解決高速加工時CAD，CAM高速通信時的可靠性問題等，需進一步研究加以解決。 四、高性能的刀具系統技術 對于安裝在超高速主軸上的旋轉類刀具（包括砂輪）來說，刀具的結構安全性和高精度的動平衡是至關重要的。當主軸轉速超過10000r/min時一方面由于離心力的作用使主軸傳統的7：24錐度端口產生擴張，刀具的定位精度和連接剛性下降，振動加劇，甚至發生連接部的咬合現象。另一方面常用刀片夾緊機構的可靠性下降，刀具整體不平衡量的影響加強（與轉速平方成正比）。為此，德國開發出HSK（短錐空心柄）連接方式和對刀具進行等級平衡及主軸自動平衡的系統技術。HSK連接具有很高的接觸剮度、夾緊可靠、重復定位精度高．適合于20000～46000r/min的超高速主軸。而主軸自動化平衡系統能把由刀具殘余不平衡和配合誤差引起的振動降低90％ 以上。近幾年開發了不少適合于超高速切削的刀具，采用比強高的刀體材料和零件少、簡單、安全的刀體結構，同時具有較短切削刃、較大刀尖角、較強斷屑能力和經過優化設計的切削幾何角度。如今一些刀具公司已能提供具有HSK接口和不同平衡精度的超高速刀具，如KOMET和SAD—VIC．已用于飛機和汽車的高速加工。 [b] 五、機床支承技術與輔助單元技術[/b] 機床支承技術主要指機床的支承構件的設計及制造技術。輔助單元技術包括快速工件裝夾技術、機床安全裝置、高效冷卻潤滑液過濾系統、切削處理及工件清潔技術。機床的床身和立柱和底座等支撐基礎件，要求有良好的靜剛度、動剛度和熱剛度。對精密高速機床，國內外都有采用聚合物混凝土（人造花崗石）來制造床身和立柱，也有的將立柱和底座采用鑄鐵澆鑄而成，還有采用鋼板焊接件，井將阻尼材料填充其內腔以提高抗震性。效果很好。 六、國同內高速機床技術的發展 我國有關單位在研究和開發超高速機床加工技術亦取得不小進步。沈陽工學院研制超高速車銑床，已取得階段性成果。北京機床研究所生產出主軸轉速達8000r/min、功率達7kw的立式加工中心。同濟大學、廣東工業大學分別對主軸單元動特性和直線電機的應用技術進行了系統的研究。東北大學研究了熱壓氮化硅陶瓷球軸承，建立r超高速磨削實驗臺，能進行200m/s的磨削加工試驗。 七、超高速機床發展趨勢 隨著制造觀念更新和制造技術的全面進步，超高速切削和超高速機床將在如下幾個方面取得新發展： （1）在干切削或準干切削狀態下實現綠色的超高速切削采用于切削或最小量霧化潤滑的準干切削方式，會從根本上改善切削的環境狀態，達到工業生產的有關環保標準（璐014000系列）要求，同時節省對切削的直接投資和廢液處理及環保費用。刀具技術是達到這一目的的關鍵。 （2）在重切削工藝中進行超高速切削 這對提高我國大中型設備制造的生產效益有十分重要的作用，如新日本工機5NK的某車床超高速加工大型軋輥，比普通加工效率提高5倍。 （3）開發完善各種超高速切削工藝如超高速 L加工。超高速車床有更高、更可靠的動態特性和自動平衡能力。 （4）基于新型檢測技術的加工狀態監控系統工況監控增加加工過程的穩定性和安全性，對監控系統靈敏l生、瞬時響應性和可靠性提出了更高的要求，采用新的檢測方法 例如采用質量輕、體積小、靈敏度高的新型傳感器（如z元件）和開發具有多項檢測功能的超高速切削監控系統。 八、發展我國的超高速機床技術 我國在超高速機床技術領域進行了一定程度的研究，但與國外先進技術相比，尚有很大差距亟待發展。顯然，刀具、數控機床和加工中心均為超高速加工的關鍵。應重點研究開發，主要內容如下： （1）大功率、超高速主軸單元技術研究 包括內裝式高速大功率主軸電機及其矢量控制調速和監控系統，主軸材料、結構（具有HSK63錐孔）、高速精密陶瓷滾動軸承、液體動靜壓混合軸承設計與開發；主軸系統動特性及熱特性的研究，柔性主軸及其軸承的彈性支承技術研究；主軸單元的自動平衡裝置；主軸系統的潤滑與冷卻技術的研究；主軸的多目標優化與虛擬設計技術研究；主軸換刀技術的研究使主軸最高轉速達10000r/min～30000 r/min。 （2）超高速進給單元技術 包括高速直線進給電機的研究；高速位置芯片環的研制，高加減速控制技術、高速精密交流伺服系統及電機的研究；系統慣量與伺服電機參數匹配關系的研究；精密滾珠絲杠副投大導程絲杠副的研制等。高速進給系統的快移速度達40m/rain～80m/trt1．n、切削進給速度達_94～60m/rain，加減速度大于lg。 （3）超高速加工測試技術 開發對超高速加：機麻主軸單元、進給單元系統和機床支承及輔助單元系統等功能部件和驅動控制系統的監控技術。超高速進給單元技術。超高速切削刀具磨、破損，磨具的修整等狀態監控系統及保證快速反應替換的刀具管理系統軟件，刀具磨損破損監控系統的智能化。在超高速切 I5過程中的工件加工精度、加工表面質量及安全狀態的在線監控技術。 （4）超高速刀具 高速高精度端面定位的HSK刀具錐柄及工具系統，包括高速ATC自動換刀裝置、機械手換刀方式、刀一刀達15s。超高速切削刀具幾何參數和結構設計，包括刀具幾何角度的優化選擇、刀體安全結構、刀片夾緊結構、回轉刀具的動平衡及其安全性技術（旋轉刀片應在2倍于最高轉速時不破裂）。開發超高速加工新型刀具、磨具材料，使刀具的切削速度達到國際工業發達國家9o年代末水平，砂輪磨削速度達100m/s～150m/s。 （5）高速CNC系統技術 包括平滑加減特性的智能控制、誤差補償、前饋控制。 總之，如何針對上述領域、集中有限資金，協同攻關，避免項目低水平的重復開發，對我國機床行業的振興及長遠發展具有重要意義。 [b][align=center]詳細內容請點擊： 超高速加工機床及刀具技術新發展[/align][/b]