對高速切削加工機床的要求

　　高速切削加工機床與普通機床的主要區(qū)別在于高速機床必須能夠提供高的切削速度和滿足高速切削加工下一系列的功能要求，主要包括如下幾點。

　　(1) 要有一個適合高速運轉(zhuǎn)的主軸單元及其驅(qū)動系統(tǒng)

　　高速主軸單元的設(shè)計，是實現(xiàn)高速加工的最關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域之一，同時也是高速加工機床最為關(guān)鍵的部件。它不僅要能在很高的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，而且要有高的同軸度、高的傳遞力矩和傳動功率、良好的散熱和冷卻裝置，要經(jīng)過嚴(yán)格的動平衡矯正，主軸部件的設(shè)計要保證具有良好的動態(tài)和熱態(tài)特性，具有極高的角加、減速度來保證在極短時間內(nèi)實現(xiàn)升降速和在指定位置的準(zhǔn)停。高速機床與普通機床的不同之處，反映在高速主軸單元上主要表現(xiàn)在如下幾個技術(shù)參數(shù)的變化：主軸轉(zhuǎn)速一般為普通機床主軸轉(zhuǎn)速的5~10倍，機床的最高轉(zhuǎn)速一般都大于10000 r/min，有的高達60000~100000 r/min;主軸單元電機功率一般高達20~80 kW，以滿足高速、高效和重載荷切削的要求;主軸單元從啟動到達到選定的最高轉(zhuǎn)速(或從最高轉(zhuǎn)速到停止)需要的時間較短，一般只需1~2 s即可完成。就是說，主軸的加、減速度比普通機床高得多，一般比常規(guī)數(shù)控機床高出一個數(shù)量級，從而達到1~8 g(g=9.81m/s2)。高速加工機床的主運動一般是由電主軸來完成的。

　　(2) 要有一個快速反應(yīng)的進給系統(tǒng)單元部件和數(shù)控伺服驅(qū)動系統(tǒng)

　　高速機床在高速切削加工時，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，機床進給速度和其加、減速度也必須大幅度提高，以保證刀具每齒或工件每轉(zhuǎn)進給量基本不變。同時機床空行程運動速度也必須大大提高�，F(xiàn)代高速加工機床進給系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的運動速度要求達到40~120 m/min，進給加速度和減速度同樣要求達到1~8 g，亦即9.81~78.48 m/s2。為此，機床進給驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計必須突破傳統(tǒng)一般數(shù)控機床中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+普通滾珠絲杠”的進給傳動方式。結(jié)構(gòu)形式上采取的主要措施有：一是大幅度減輕進給移動部件的重量，為此，最有效的辦法就是在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)“零傳動”，即直接采用直線電機驅(qū)動;二是采用多頭螺紋行星滾柱絲杠代替常規(guī)鋼球式滾珠絲杠以及采用無間隙直線滾動導(dǎo)軌，實現(xiàn)進給部件的高速移動和快速準(zhǔn)確定位;三是采用快速反應(yīng)的伺服驅(qū)動CNC控制系統(tǒng)。

　　(3) 要有高效、快速的冷卻系統(tǒng)

　　在高速切削加工條件下，單位時間內(nèi)切削區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能使這些熱量迅速地從切削區(qū)域傳走，不但妨礙切削工作的正常進行，而且會造成機床、刀具和工具系統(tǒng)的熱變形，嚴(yán)重影響加工精度和機床的動剛性。作為高速切削加工的配套技術(shù)，近年來日本的三井精機和J.E.公司共同開發(fā)了HJH系列高壓噴射裝置，把壓力為7MPa、流量為60L/min左右的高壓冷卻液射向機床的切削部位，進行冷卻，消除切削產(chǎn)生的熱量。另外有的加工中心則采用大量冷卻液以瀑布方式由機床頂部淋向機床工作臺，把大量的熱切屑立即沖走，始終保持工作臺的清潔，并形成一個恒溫的小環(huán)境，保證高的加工精度。高速“電主軸”單元結(jié)構(gòu)設(shè)計時，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計也是不可忽視的一個重要方面。為了防止主軸部件在高速運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，支撐軸承必須考慮采用有效的強制冷卻方法。就是說，對于高速切削加工機床，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮設(shè)計必要的冷卻和散熱裝置。

　　(4) 要有高剛性的床體結(jié)構(gòu)

　　高速切削加工機床在高速切削狀態(tài)下，一方面，產(chǎn)生的切削力作用在床體上;另一方面，因速度很高，還會產(chǎn)生較大的附加慣性力作用在床體上。因而機床床身受力較大。設(shè)計時必須要求其具有足夠的強度、剛度和高的阻尼特性。高剛性和阻尼特性是高速加工中保證加工質(zhì)量和提高刀具壽命的需要。

　　(5) 要有安全裝置和實時監(jiān)控系統(tǒng)

　　在高速切削加工過程中，若刀具斷裂或破損，其初速將如同子彈一般，易于造成危險和人身傷害。為此，機床工作時必須用足夠堅固的板材將切削區(qū)封閉起來，同時還要考慮便于人工觀察切削區(qū)狀況。除此之外，工件和刀具必須保證夾緊牢靠，必須采用主動在線監(jiān)控系統(tǒng)，對刀具磨損、破損和主軸運行狀況等進行在線識別和監(jiān)控，確保人身和設(shè)備安全。

　　(6) 要有方便可靠的換刀裝置

　　通過新型換刀結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證高速切削加工下?lián)Q刀方便、可靠、迅捷，換刀時間短。這也是高速切削加工機床要求所必需的。

　　(7) 要有優(yōu)良的熱態(tài)特性和靜、動態(tài)特性

　　高速切削加工情況下，單位時間內(nèi)其移動部件間因摩擦產(chǎn)生的熱量較多，熱變形較大。機床結(jié)構(gòu)設(shè)計必須保證其在內(nèi)部熱源和外部熱源作用下，不能產(chǎn)生較大的熱變形。為此，高速切削加工機床上一般要采取特殊的冷卻措施，來冷卻主軸電機、主軸支撐軸承、直線電機、液壓油箱、電氣柜等，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構(gòu)件。同時因高速切削加工下的動態(tài)力(慣性力、切削力、阻尼力等)和靜態(tài)力(夾緊力等)較大，機床各支撐部件和其總體必須具有足夠的動、靜剛度，不致產(chǎn)生較大的力變形，保證零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。

　　總之，應(yīng)考慮高速切削加工的特殊性，必須對實施高速切削加工的機床提出新的要求。只有這樣才能實現(xiàn)高速、高效、高精度的平衡切削。