高速銑削加工機(jī)床

高
速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。由于模具加工的特殊性以
及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn)，對(duì)模具高速加工的相關(guān)技術(shù)及工藝系統(tǒng)(加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等)提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。

    1. 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件

   
高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有
的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，這不但可保證機(jī)床精度穩(wěn)定，也可防止切削時(shí)刀具振顫。采用封閉式床身設(shè)
計(jì)，整體鑄造床身，對(duì)稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋等也是提高機(jī)床穩(wěn)定性的重要措施。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門(mén)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)
算等，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。

    2. 機(jī)床主軸

   
高速機(jī)床的主軸性能是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的重要條件。高速切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~100000m/min，主軸功率大于15kW。通過(guò)主軸壓
縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.005mm。還要求主軸具有快速升速、在指定位置快速準(zhǔn)停的性能(即具有極高的角加減速度)，因此
高速主軸常采用液體靜壓軸承式、空氣靜壓軸承式、熱壓氮化硅（Si3N4）陶瓷軸承磁懸浮軸承式等結(jié)構(gòu)形式。潤(rùn)滑多采用油氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等技術(shù)。主軸冷
卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。

    3. 機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

    為滿足模具高速加工的需要，高速加工機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有下列特性：

    (1) 高的進(jìn)給速度。研究表明，對(duì)于小直徑刀具，提高轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量有利于降低刀具磨損。目前常用的進(jìn)給速度范圍為20~30m/min，如采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動(dòng)，進(jìn)給速度可達(dá)60m/min；采用直線電機(jī)則可使進(jìn)給速度達(dá)到120m/min。

    (2)高的加速度。對(duì)三維復(fù)雜曲面廓形的高速加工要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的加速度特性，要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min，3D輪廓加工速度為10m/min)，能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。

   
機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問(wèn)世，并成功應(yīng)用
于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使CNC機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問(wèn)題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。

    4. 數(shù)控系統(tǒng)

    先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，模具高速切削加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為：

    (1) 高速的數(shù)字控制回路(Digital control loop)，包括：32位或64位并行處理器及1.5Gb以上的硬盤(pán)；極短的直線電機(jī)采樣時(shí)間。

    (2)速度和加速度的前饋控制(Feed forward control)；數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬行控制(Jerk control)。

    (3) 先進(jìn)的插補(bǔ)方法( 基于NURBS的樣條插補(bǔ))，以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。

   
(4)預(yù)處理(Look-ahead)功能。要求具有大容量緩沖寄存器，可預(yù)先閱讀和檢查多個(gè)程序段(如DMG機(jī)床可多達(dá)500個(gè)程序段，Simens系
統(tǒng)可達(dá)1000~2000個(gè)程序段)，以便在被加工表面形狀(曲率)發(fā)生變化時(shí)可及時(shí)采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過(guò)切等。

    (5)誤差補(bǔ)償功能，包括因直線電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?此外，模具高速切削加工對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。

    (6) 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口， 如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而許多先進(jìn)的加工中心均已采用以太局域網(wǎng)(Ethernet)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速度可達(dá)200kb。

    5. 冷卻潤(rùn)滑

   
高速加工采用帶涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。這是因?yàn)椋恒娤髦鬏S高速旋轉(zhuǎn)，切削液若要達(dá)到切削區(qū)，首先要克服極大
的離心力；即使它克服了離心力進(jìn)入切削區(qū)，也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā)，冷卻效果很小甚至沒(méi)有；同時(shí)切削液會(huì)使刀具刃部的溫度激烈變化，容易導(dǎo)致裂
紋的產(chǎn)生，所以要采用油/氣冷卻潤(rùn)滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切削，從而將大量的切削熱帶走，同時(shí)經(jīng)霧化的潤(rùn)滑油可以
在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護(hù)膜，可有效地延長(zhǎng)刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。