高速加工機床的設計與應用

    本文分兩部分綜合介紹了有關(guān)高速加工機床的設計與應用的一些基本知識，指出了：善於對各種可選的設計技術(shù)方案和加工工藝方法進行綜合分析與評估，并善於學習、總結(jié)經(jīng)驗，指導新的實踐，才是設計好和應用的高速加工機床的關(guān)鍵。

圖1 五軸聯(lián)動高速加工中心機床示例

    高速加工機床是基于現(xiàn)代刀具材料的發(fā)展，為滿足航空、航天、汽車和模具等行業(yè)的發(fā)展需要而在數(shù)控銑床、加工中心的基礎上發(fā)展起來的高效、高性能加工機床，因此，它的基本特征不僅是切削速度高（是常規(guī)切削速度的5-10倍），進給/快移速度快（達40m/min至180m/min），加減速度大（現(xiàn)多為1g~2g），而且還包含有刀具和或工件交換的時間短（在數(shù)秒至1秒以內(nèi)）以及常常具有多軸聯(lián)動功能等特點。

由于高速加工機床具有諸多優(yōu)點，如： 

     生產(chǎn)效率高，材料去除率是常規(guī)切削加工機床的3~6倍，從而可大大縮短零件的加工時間和制造周期；

    切削力比常規(guī)速度時少30%~50%和約30%以上的切削熱將被切屑所帶走，所以工件溫升和變形少，有利于進行薄壁件切削和提高加工精度； 

    由于切削速度高，切削過程中產(chǎn)生的強迫振動頻率一般遠離了機床工藝系統(tǒng)的固有頻率，故切削過程更平穩(wěn)，有利于提高加工表面質(zhì)量和刀具壽命，免掉許多費時費工的人工順序作業(yè)；

    許多機電產(chǎn)品所用的零部件，無論是單件或批量需求的，都可在相應的高速加工機床（如多軸聯(lián)動的高速加工中心和車銑中心）上進行多工序復合加工甚至一次裝夾實現(xiàn)全部加工。

    所以，高速加工機床自上世紀八十年代中期出現(xiàn)以來，便受到人們普遍的重視。隨著有關(guān)技術(shù)，如高速電主軸、直線電機、功能強、性能好的數(shù)控伺服系統(tǒng)等的快速發(fā)展和日益完善，高速加工機床的生產(chǎn)與應用，現(xiàn)已變得很普遍；不僅大的國際有名的機床制造廠商能生產(chǎn)，一般的國內(nèi)外機床廠也在開始制造，而且成了世界機床業(yè)中爭先開發(fā)的主導產(chǎn)品，不僅模具，航天、航空等行業(yè)在進行單件或小批生產(chǎn)中應用，在汽車乃至一航機械制造業(yè)中進行批量生產(chǎn)時也在廣泛使用，從而成了這些行業(yè)中的主流加工裝備。

    然而，為了更好地成功開發(fā)和充分地合理地應用高速加工機床，本人以為，高速加工機床的設計、制造者和應用者仍應對下列諸方面的問題有更多、更深刻的理解和研究，并善于學習、總結(jié)和創(chuàng)新。

圖2 人造花崗巖整體澆注的床身結(jié)構(gòu)

高速加工對機床結(jié)構(gòu)的基本要求和設計原則

    由于高速加工中的切削速度，進給速度和加減速度都大，因此機床的發(fā)熱量，運動部件的慣量也大，容易導致機床結(jié)構(gòu)的過量溫升、熱變形和產(chǎn)生沖擊振動，最終會影響到加工精度、質(zhì)量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性。所以，高速加工對機床結(jié)構(gòu)的基本要求，首先是要三高，即靜剛度高、動剛度高和熱剛度高，也就是說，“三剛”特性要好；其次是運動部件要輕量化，即要盡量減少傳動系統(tǒng)的慣量。為此，機床結(jié)構(gòu)設計應采取的原則措施是：

    為了提高結(jié)構(gòu)的靜剛度，首先是選擇彈性模量大的材料，如鋼、鑄鐵等作為結(jié)構(gòu)件的基本材料；其次是根據(jù)受力的性質(zhì)（拉，壓或扭）和條件（力的大小，方向和作用點）選擇合理的結(jié)構(gòu)截面形狀、尺寸、筋壁布置和機床的總體布局；三是結(jié)構(gòu)件間的接合面要平整，面積大小要適當，接觸點在接合面上的分布要均勻，連接要牢固等；四是盡量采用箱形和整體型結(jié)構(gòu)。

    為了提高結(jié)構(gòu)的動剛度，首先是在保證靜剛度的前提下，選擇阻尼系數(shù)大的材料，如人造花崗巖，鑄鐵等作為基礎結(jié)構(gòu)件的材料；二是通過模型試驗或模態(tài)分析合理設計和調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)接合面的剛度值，以改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的固有振動頻率，使其遠離切削過程中所產(chǎn)生的強迫振動頻率，避免產(chǎn)生共振的可能性；三是有意采用能增加附加阻尼的結(jié)構(gòu)設計，如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續(xù)焊接的焊件等；四是直線運動部件的支承導軌面間距離要盡可能寬闊，驅(qū)動力的作用線要居中并盡可能靠近運動部件的重心，傳動鏈中應無反向間隙，以保證運動平穩(wěn)，無沖擊。

    為了提高結(jié)構(gòu)的熱剛度，原則上首先應采用熱容量大、熱脹系數(shù)小的材料和熱脹系數(shù)相近的材料作為結(jié)構(gòu)材料；其次是根據(jù)機床上的熱源和溫度場的分布情況，盡量采用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結(jié)構(gòu)，包括采用熱補償措施的結(jié)構(gòu)等，以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響。

    為了減少運動部件的重量和傳動系統(tǒng)的慣量，一是選用比重小的材料，如鋁合金和復合材料等，作為運動部件的結(jié)構(gòu)材料；二是在保證剛度和承載能力的前提下，盡量去除多馀的材料；三是采用直接傳動，簡化傳動系統(tǒng)，縮短傳動鏈，以提高機床的運動品質(zhì)。

    現(xiàn)實中能同時滿足上述條件要求的材料和結(jié)構(gòu)是沒有的，只能按實際要求進行綜合評估后選取。

圖3 現(xiàn)代刀具加工不同工件材料時可選用的切削速度和進給率范圍

圖4 不同刀具直徑和不同切速下所要求的刀具/主軸轉(zhuǎn)速

高速電主軸單元

    高速加工的典型應用是以小直徑的硬質(zhì)合金銑刀來對各種材料的模具、模型和鋁合金件進行銑削，機床主軸轉(zhuǎn)速是根據(jù)現(xiàn)代刀具材料所能達到的經(jīng)濟合理切削速度范圍（圖3）和按此速度及不同的銑刀直徑所計算得的刀具/主軸轉(zhuǎn)速（圖4）來確定�？梢姵�切削鈦或鎳合金時，由于刀具所能達到的合理切削速度較低（300m/min以下），刀具主軸最高轉(zhuǎn)速可在10000r/min以下外，其他材料的切削所要求的刀具/主軸最高轉(zhuǎn)速都在10000r/min以上，甚至要求達到50000r/min至80000r/min。如此高的主軸轉(zhuǎn)速，采用一般機床用的主傳動結(jié)構(gòu)（電機加皮帶輪和齒輪傳動）方式是不可能實現(xiàn)的，一般都需采用由變頻調(diào)速電機和機床主軸集成在一起的所謂“電主軸”直接驅(qū)動來實現(xiàn)。

    電主軸是通過交流變頻調(diào)速和矢量控制來實現(xiàn)主軸的寬調(diào)速的。它的優(yōu)點不僅是簡化了主傳動結(jié)構(gòu)，減少主傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，而且降低了功耗，提高了實現(xiàn)更高主軸速度和加減速度的能力，從而也可實現(xiàn)定角度的快速準仃（C軸控制）功能，這對高速加工機床是十分重要的。

    當然，高速主軸本身的設計制造會涉及許多特殊問題，如主軸（電機轉(zhuǎn)子）支承的結(jié)構(gòu)型式和潤滑方式，電機的發(fā)熱和冷卻措施，主軸和刀具的連接以及動平衡問題等，好在這些問題已有許多科研單位進行了研究和解決，高速電主軸單元在國內(nèi)外均有了專門的生產(chǎn)廠家進行了專業(yè)化、系列化的生產(chǎn)，機床設計制造者只需根據(jù)加工對象要求，確定所需的主軸轉(zhuǎn)速和扭矩范圍來合理地選用就是了。

高速進給系統(tǒng)

    高速進給系統(tǒng)是高速加工機床極其重要的組成部份，對它的設計要求，首先應當是能提供高速切削時所要求的高的進給/快移速度和加減速度；其次是應具有所要求的調(diào)速寬度和軌跡跟蹤精度；同時還應有很好承受動、靜載荷的能力和剛度，從而保證高速加工應有的效率和質(zhì)量。

    決定高速進給系統(tǒng)上述性能要求的因素主要有三個方面：即進給運動的傳動方式、各軸進給運動間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系和數(shù)控伺服控制系統(tǒng)。

一、進給運動的傳動方式

    高速進給運動的傳動方式，目前廣為應用的主要有兩種：一種是回轉(zhuǎn)伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動，另一種是采用直線電機直接驅(qū)動。

    通過滾珠絲杠間接傳動方式的優(yōu)點是技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)相對簡單，加速度特性受運動部件載荷變化的影響較小，且目前已有許多國內(nèi)外廠家進行標準化，系列化和模塊化的專業(yè)化生產(chǎn)。但是普通傳動用的滾珠絲杠，由于存在慣量大，導程小，又受到臨界轉(zhuǎn)速的限制等，其所能提供的進給/快移速度只有10~20m/min，加速度為0.3g，滿足不了高速加工的要求，因此，高速加工用的進給滾珠絲杠普遍采取如下的改進措施。

    加大絲杠的導程和增加螺紋的頭數(shù)，前者為提高絲杠每轉(zhuǎn)的進給量（即進給速度），后者則為彌補絲杠導程增大后所帶來的軸向剛度和承載能力的下降。

    將實心絲杠改為空心的，這既是為減少絲杠的重量和慣量，也是為便于對絲杠采取通水內(nèi)冷，以利于提高絲杠轉(zhuǎn)速，提高進給/快移速度和加速的能力，減少熱影響；

    改進回珠器和滾道的設計制造質(zhì)量，使?jié)L珠的循環(huán)更流暢，摩擦損耗更少；

    采用滾珠絲杠固定，螺母與聯(lián)結(jié)在移動部件上的伺服電機集成在一起完成旋轉(zhuǎn)和移動，從而避開了絲杠受臨界轉(zhuǎn)速的限制等。

    經(jīng)過采取這些改進措施后，滾珠絲杠傳動的進給方式可提供的進給/快移速度達60m/min~90m/min，加速度可達1~2g。但是由于受到原理結(jié)構(gòu)的限制，要想進一步提高滾珠絲杠傳動的運動速度和加速度很難了，而且受絲杠的可制造長度限制，滾珠絲杠傳動所能提供的運動行程也是有限的。

    與上述的通過滾珠絲杠間接傳動的方式相比，采用直線電機直接驅(qū)動的主要特點和優(yōu)點是將伺服電機的定子和動子分別直接與機床床身及移動部結(jié)合在一起，沒有了中間環(huán)節(jié)，傳動鏈的長度縮短為零，即實現(xiàn)了所謂的“零傳動”，從而大大提高了機械剛度，減少了傳動系統(tǒng)的慣量，獲得更高的速度和加速度能力，并易于控制系統(tǒng)的阻尼力和動態(tài)特性，直線電機最高的進給/快速度可達120m/min乃至240m/min，加速度可達2~10g；行程長度可不受限制；適應性強，靈敏度高，隨動性好，不存在反向間隙，可利用直線光柵尺作為測量反饋元件，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等。

    但是，直線電機直接驅(qū)動也存在一些缺點：如效率低，功耗大，結(jié)構(gòu)尺寸和自重也相對較大；工作過程溫升高，要求強冷卻；因受磁場力影響易于吸引鐵屑和金屬物，故需考慮防磁措施等，特別是要注意的是它的加速度值直接反比于運動部件的載荷量（工作臺/滑座自重加上工件及其他外載荷），即對運動載荷較敏感，故宜用于運動件載荷恒定或變化量不大的場合，在載荷變化重大的情況下，必需能在數(shù)控編程時予以考慮，否則不能保證加工所要求的效率和質(zhì)量。另外，直線電機直接驅(qū)動不具自鎖能力，設計和使用中應注意考慮外加制動措施，特別是在垂直軸進給系統(tǒng)中使用時，尤要注意。

二、各軸進給運動的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系

    如同一般加工機床一樣，高速加工機床一般都有2個以上，多至5個進給運動軸，這些運動軸間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系，目前存在著串聯(lián)，并聯(lián)和混聯(lián)三種型式。

    串聯(lián)結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)機床普遍采用的型式，其特點是各運動軸的布局采用笛卡爾直角坐標系，機床床身、立柱、溜板、工作臺/轉(zhuǎn)臺和主軸箱等部件分別通過相應的導軌支承面串聯(lián)在一起的，各軸運動均可單獨地獨立進行，由于是串聯(lián)，各運動部件的重量往往都較大，且不一致，需特殊調(diào)整方可保持各軸加速度特性的一致性；進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件不僅受拉、壓力，而且受彎、扭力矩的作用，變形復雜，后運動部件受到先運動部件的牽動和加速，加工誤差由各軸運動誤差線性迭加而成，且受導軌精度的影響等，這些都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點。然而由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)，有長期設計、制造和應用的經(jīng)驗，技術(shù)較成熟，故迄今仍為大多數(shù)高速加工機床所采用。但串聯(lián)結(jié)構(gòu)中還有著不同的各運動軸的相互組合配置方式，其所獲得的應用效果是不一樣的，設計時應以高速加工的特點及其對機床結(jié)構(gòu)設計的要求出發(fā)來確定。

圖5 Stewart平臺式并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床

    并聯(lián)結(jié)構(gòu)的典型代表是Stewart平臺式的所謂虛擬軸機床（圖5）。它的特點是運動部件是一個由伺服電機分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動平臺，該平臺可同時作6個自由度的運動，但沒有像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣的物理上固定的X、Y、Z軸和相應的運動支承導軌，而且任何一軸運動都必須由6根可伸縮桿的協(xié)同運動來完成。一般刀具/主軸頭就安裝在該動平臺上，工件則固定在機床的機架上，此外就不再有溜板、導軌等支承件了。與傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機床相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的機床主要有如下優(yōu)點：

    運動部件重量輕，慣量小，更有利于實現(xiàn)進給運動高的速度和加速度；

    刀具主軸頭可同時實現(xiàn)5軸聯(lián)動，結(jié)構(gòu)簡單，且主要的6根伸縮桿具有相同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式，便于模塊化，標準化和系列化生產(chǎn)；

    伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關(guān)件連結(jié)，使桿子只受拉、壓力，不受彎扭力作用，剛度高，并易于通過預加載荷來提高整個進給系統(tǒng)的綜合剛度。

    理論精度高，因為它不像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣，各軸運動誤差有可能被累積和放大，故并聯(lián)結(jié)構(gòu)的進給運動的綜合誤差一般不會大于6根伸縮桿運動誤差的平均值。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點是：

    在同一臺機床上，其進給的行程隨著各伸縮桿的伸出長度和動平臺的位姿角變化而變化，故由行程所決定的可加工空間是非規(guī)則形，不方便應用；

    因受球鉸和虎克鉸轉(zhuǎn)角的限制，帶主軸頭的動平臺所能傾斜的角度較�。ㄒ话阒挥�±40°）從而影響了機床的可加工范圍；

    運動編程較復雜，而且在任一軸向上的簡單直線運動，也要有6根桿的協(xié)調(diào)伸縮運動才能完成等。

    由于有這些問題的存在，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的應用，目前尚不十分廣泛，還有待于進一步研究和發(fā)展。

圖6 混聯(lián)結(jié)構(gòu)機床示意圖

    混聯(lián)結(jié)構(gòu)是在一臺機床上同時采用有串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的進給運動的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，通常的做法是：3個移動坐標仍采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)來完成，主軸加工時所需的另外2個轉(zhuǎn)動坐標則由串聯(lián)到固定工作臺上的回轉(zhuǎn)和可傾斜的工作臺或由串聯(lián)到并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動平臺上的旋轉(zhuǎn)和擺動主軸頭來實現(xiàn)。但是此時的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的6根伸縮桿改成了3副定長桿，除桿的一端仍通過球鉸與動平臺相聯(lián)外，桿的另一端則通過球鉸成組地與滑座聯(lián)結(jié)，滑座由伺服電機控制的滾珠絲杠（或直線電機）驅(qū)動在機床導軌上移動（圖6），從而改變動平臺（主軸頭）在三維空間中的位置，即X、Y、Z軸的運動行程。這樣既克服了純并聯(lián)結(jié)構(gòu)存在的加工空間不規(guī)則和動平臺可傾角度過小的缺點，而且也減少了三套伺服驅(qū)動電機和滾珠絲杠，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。這應是并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)改進的一個方向。

三、數(shù)控、伺服控制系統(tǒng)

    數(shù)控、伺服控制系統(tǒng)是保證實現(xiàn)高速加工的核心技術(shù)裝置，對它的要求是：既能實現(xiàn)所需的高進給速度和加減速度的控制，又要保證所需的軌跡跟蹤精度和加工質(zhì)量。因此，數(shù)控伺服系統(tǒng)首先應具有很高的運算速度（即更短的單個程序段的處理時間）和數(shù)據(jù)存貯及傳輸?shù)哪芰Γ�以處理大量的插補和控制數(shù)據(jù)；二是強大的前瞻功能，以保持最佳的進給速度和加速度，最佳的路徑變換，識別拐角，及時調(diào)整，保證規(guī)定的動態(tài)精度曲線，使加工速度不超過機床的運行特性范圍；三是有效的速度、加速度穩(wěn)定功能和自適應加工輪廓變化的能力，因為加工平滑輪廓和非平滑輪廓時，施加在機床驅(qū)動系統(tǒng)上的力量不一樣的，因此系統(tǒng)必需具有自調(diào)節(jié)能力，以保證機床永不過載，又能保持最佳的加工效率和質(zhì)量，四是系統(tǒng)要力求具有開放性，包括人機界面開放（即具有標準的軟硬件平臺，如PC硬件，Windows操作系統(tǒng)，人機界面開發(fā)工具等）、控制邏輯開放（即具有可編程的機床邏輯控制，網(wǎng)絡功能等）和數(shù)控內(nèi)核開放（如供幾何坐標系統(tǒng)與數(shù)控軸直連的接口等），以使機床生產(chǎn)廠和用戶可以集成自己的人機界面，設計高效、高可靠性的控制邏輯和專有的坐標變換及補償控制軟件等；五是系統(tǒng)應有足夠的（如0.1μm）分辨率和多軸聯(lián)動控制的功能，以保證高精、高速、高效加工的實現(xiàn)。目前德國西門子公司生產(chǎn)的Sinumerik 840D和日本FANUC公司生產(chǎn)的FS16i/18i/21i MODEL B等系統(tǒng)，都是具有一定開放性的系統(tǒng)，能基本滿足上述功能要求。

高速加工刀具

    高速加工和普通加工最大的不同是切削速度和進給速度高，加減速度大，采用的刀具一般直徑都較小和主軸轉(zhuǎn)速多在1萬轉(zhuǎn)/分以上，所以要求刀具的材料具有更高的強度，硬度和耐磨性；更高的韌性和抗沖擊能力以及更好的熱硬性和化學穩(wěn)定性。然而現(xiàn)實中，能同時滿足這些要求的刀具材料目前還沒有，一般都是采用以具有較高強度和韌性的硬質(zhì)合金材料為基體，涂覆一層或多層具有高熱硬性和高耐磨性的材料，如CBN、WC、TiC、TiN、TiCN、Al2O3等涂層來制成高速加工用的刀具。但是也有將超硬材料，如立方氮化硼（CBN）、天然金剛石（ND）、人造金剛石（PCD）等燒結(jié)在硬質(zhì)合金或陶瓷材料基體上，形成綜合性能非常好的高速加工刀具的。

    硬質(zhì)合金刀具由於其材料中含有碳化鎢（WC），碳化鈦（TiC）等高硬度，高熔點的碳化物，耐磨性和耐高溫性均較好，故常被用於對各種金屬材料件進行高速，高功率的銑削加工。

    涂層硬質(zhì)合金刀具由於它把基體材料的韌性與所選用的表面涂層材料的特殊性能結(jié)合在一起，獲得了更具所要求的刀具綜合特性以適應不同材料的加工情況，故應用很廣，在鋼和鑄鐵的高速加工中都能適用。

    超硬材料刀具中的CBN和PCBN刀具主要適用於對淬硬鋼、冷硬鑄鐵、噴涂材料和耐熱合金（如鎳、鉻鑄鐵等）的加工，包括粗、精加工和斷續(xù)銑削；ND和PCD刀具則主要用於有色金屬，鋁合金，預燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維等非鐵材料的加工。

    除了正確選用刀具材料外，應用中還應考慮刀具的幾何角度，排、斷屑功能，刀具型式及其在機床主軸上的裝夾和動平衡等問題，因為這些都是直接或間接地影響到高速加工的質(zhì)量和效率的重要因素。

    從有利於斷屑和減少刀具後表面對工件已加工表面的摩擦出發(fā)，高速加工刀具的前角要比普通加工刀具的前角小10°左右，後角則應大5°~8°。為了防止刀尖處的熱磨損，主、副切刃的連接處應以圓弧過渡，以提高切刃的剛度，減少切刃的磨損概率。

    刀具與機床主軸的連接必需安全可靠，并具有足夠的整體剛性，回轉(zhuǎn)和重復定位精度及傳遞大扭矩的能力。這些要求一般都由主軸與刀柄以及刀柄與刀具之間的連接來保證。傳統(tǒng)的7:24的錐柄和單面夾緊刀具的系統(tǒng)已不適用於高速加工中使用，目前普遍采用的是1:10的中空短錐刀柄（HSK）系統(tǒng)。

HSK刀柄的特點和優(yōu)點是：

    錐面和端面同時接觸定位，刀柄薄壁錐體會隨高速時主軸錐孔的“脹大”而“脹大”，兩者中間不會出現(xiàn)間隙，保證了軸向精度和剛度；

    刀具拉桿爪在刀柄內(nèi)打開，夾緊力將隨著機床主軸轉(zhuǎn)速的升高而加大，提高了裝夾的安全與可靠性；

    中空短錐刀柄減少了刀柄的重量和慣量，有利於主軸的速度和加速度性能的提高等。

    但是，這些改進提高了刀柄的制造精度要求，從而也就提高了成本。

    HSK系列刀柄與機床主軸的連接有兩種結(jié)構(gòu)型式：帶鍵槽和不帶鍵槽的，分別以HSK-A型和HSK-E型表示。

    HSK-A型帶鍵槽，刀具可自定向（用於刀具準仃），故可傳遞較大的扭鉅，經(jīng)符合相關(guān)標準要求的動平衡後，可在主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min~30000r/min的機床上使用。HSK-E型無鍵槽，是固有對稱型，扭矩主要是靠刀柄和主軸間的錐面摩擦來傳遞，刀具不能自定向，故多用在功率不很大，但主軸轉(zhuǎn)速更高的機床上。

    適用於高速加工的HSK刀柄與刀具連接的接口有：彈簧夾套型，液壓型、冷縮型和強力夾緊型等，如所周知，這些型式的接口各有自己的優(yōu)缺點和適用條件，這里不再贅述。

高速加工工藝的制訂和編程策略

    實踐證明，只有好的機床和刀具而沒有合理的工藝和編程策略與之配合，高速加工技術(shù)也難以充分發(fā)揮其作用和取得應有的效果，所以加工工藝的制訂和編程策略在實施高速加工中具有非常重要的意義和作用。

綜合已有的一些實踐經(jīng)驗和理論分析結(jié)果，高速加工工藝的制訂和編程時，應注意以下問題：

1. 加工馀量的清除，一般宜用系列刀具分別進行粗加工，半精加工和精加工的分段處理，不應企圖用單一小刀具一次完成加工；

2. 采用工序集中的原則和合理的工件裝夾位置和方式，力求一次裝夾定位完成工件的全部加工；

3. 高速銑削加工中盡量采用順銑削，因為順銑時刀具切入工件的切屑厚度是由最大而後逐漸變薄，切刃受力狀態(tài)好，產(chǎn)生的熱量比逆銑時少，有利於延長刀具的使用壽命。

4. 要保持金屬去除率恒定，在此條件下，宜用高切速，小切深（背切深度ae不宜大於0.2mm）進行加工，以保證切削載荷的恒定，獲得較好的切削熱轉(zhuǎn)移和加工質(zhì)量。

5. 要盡可能不中斷切削過程和刀具路徑；減少刀具切入切出工件的次數(shù)；盡量避免刀具的急劇轉(zhuǎn)向；在進退刀和從一個切削層進入另一切削層時，應采用螺旋線，圓弧或斜線進出工件，以獲得相對平穩(wěn)的切削過程。

6. 加工凹凸角時應采用圓弧速度補償選項，調(diào)節(jié)刀具在拐角處的進給速度，但切刃的切削速度仍保持恒定，以獲得光滑的表面。

7. 在生成加工程序前應對刀具路徑進行優(yōu)化，合并或取消那些零碎的、短的刀位軌跡，合理安排切削區(qū)域的加工順序，減少進退刀次數(shù)和空刀移動的距離等，在保證加工精度要求的前提下，盡量減少程序段數(shù)。

8. 由於制訂高速加工工藝和確定編程策略時，有許多問題和細節(jié)要考慮，為此，一些國際有名的軟件開發(fā)商，如英國的Delcam公司，以色列的Cimatron公司等，業(yè)已推出不少適用於高速加工用的，具有不同工藝特點和編程策略的通用和專用的CAM編程軟件，如Delcam公司的PowerMILL數(shù)控編程軟件，它是獨立運行的CAM軟件，具有高效區(qū)域加工策略、賽車線加工、擺線加工，自動擺線加工，殘留粗加工、高速精加工、變馀量加工和側(cè)刃（SWARF）加工等的高速加工工藝策略，還支持5軸高速加工方法，包括曲面投影加工、驅(qū)動曲面加工、銑槽加工、多軸鉆孔等，編制高速加工程序時應根據(jù)實際需要選擇功能適用的CAM軟件來進行，并在實施真正的加工前，對生成的高速加工程序進行仿真檢驗，以發(fā)現(xiàn)問題進行進一步修改或修正。

圖8 機床切削加工的穩(wěn)定圖

消除切削顫振的策略

    顫振是切削加工中的共性問題，傳統(tǒng)加工中的做法是通過降低表面切削速度和加大進給量來消除，但實驗和實踐均已證明，這種做法只是對常規(guī)速度加工時是正確有效的，對高速加工而言，并不是一種高生產(chǎn)率的做法。因為從切削顫振產(chǎn)生的機理和科學實驗的結(jié)果表明，一個具體加工工序的切削穩(wěn)定性可由其切削穩(wěn)定圖（以實際加工參數(shù)——主軸轉(zhuǎn)速和切寬——作為變量給出的有顫振和無顫振區(qū)的邊界線）來表示（圖8），而且從穩(wěn)定圖可以清楚地看出，更多和更大的切削穩(wěn)定區(qū)是出現(xiàn)在較高的主軸轉(zhuǎn)速上。因此在高速加工中消除切削顫振的策略應是提高主軸轉(zhuǎn)速（即切削速度）�，F(xiàn)在的問題是：如何能及時地產(chǎn)生或獲得切削穩(wěn)定性的信息。目前有兩種在車間應用中有效獲取該信息的方法：一是用測振傳感器在刀尖上預測機床的動態(tài)特性，并用切削試驗或計算機仿真來驗明其穩(wěn)定性的可靠性；二是在機床主軸部件（如電主軸中）上安裝測振傳感器進行切削過程的在線監(jiān)測。當切削過程出現(xiàn)產(chǎn)生顫振的徵兆時便及時改變切削參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速，以抑制顫振的發(fā)生�，F(xiàn)在Step-Tec生產(chǎn)的帶有Vibroset模塊的高速電主軸就具有在線監(jiān)測振動的功能。

排屑和安全防護

    高速加工中由於切速高，金屬去除率大，從而產(chǎn)生出大量的熱切屑。例如，用一把大的面銑刀進行加工時，每分鐘去除3250cm3的金屬是很常見的事，如按切屑/未加工前的材料體積比為10:1計算，這就意味著5分鐘將能產(chǎn)生出直徑為0.5m的熱切屑球！這些熱切屑必須及時冷卻并排出機床加工區(qū)和機床之外，否則將給加工帶來極大的麻煩和嚴重的後果，如熱變形過量，加工精度下降乃至出現(xiàn)加工故障！

    一般高速加工機床所采取的排屑和冷卻措施有：1. 從機床結(jié)構(gòu)上采用臥式主軸和斜床身，并采取使所有的導軌面盡可能位於切削區(qū)之上的布局，以利切屑自由滑落至機床下部；2. 采用高壓、大流量的冷卻液從刀具或主軸端上噴出，強力沖刷切屑，使之冷卻并一同流入切屑收集溝槽或容器中，隨時由置於溝槽中的螺旋排屑器排出機床體外，但這種方法煙霧大，不利環(huán)保，一定條件下可考慮采用乾切、強風冷和抽真空排屑等。然而不管采用何種排屑方法，為了防止切屑堵塞和故障出現(xiàn)，排屑裝置都應考慮有報警或自行排障功能。

    安全防護包括兩個方面：一是對機床工作部件，如運動導軌、滾珠絲杠、直線電機等的防塵、防屑、防污和防磁保護；另一則是防止高速加工過程中物體（如鐵屑、冷卻液和刀具碎片等）從加工區(qū)中飛出對人身安全造成危害的保護。對高速加工而言，這兩方面的保護都很重要，尤其是後者——對人身安全的保護。因為此時，如有熱切屑或硬質(zhì)合金刀具碎片由於裝夾或焊接不牢而從高速主軸上飛出，其飛出速度將達到180~360km/h，若打在人體上足以造成人體傷害！

    高速加工機床所采取的防護措施，原理結(jié)構(gòu)上基本與一般數(shù)控機床，加工中心相同或相似：對導軌和滾珠絲杠的防護采用可隨移動部件移動而收展的鋼制蓋板或柔性卷簾；對單一滾珠絲杠也可用螺旋彈簧式護套防護；對人身安全的保護則用帶有透明視窗的鋼制或鋁合金制成的罩殼將機床加工區(qū)封閉起來的做法等。所不同的只是高速加工機床用的導軌，滾珠絲杠防護蓋板和護套的運動性能要求更加靈活和快速；直線電機用的防磁蓋板需用不銹鋼制成，對加工區(qū)的防護罩殼要求設計得更加堅固、可靠就是了，有時甚至要求罩殼的開閉需與機床工作互鎖等。

善於綜合分析與評估，總結(jié)經(jīng)驗并創(chuàng)新

    通過前面的介紹，我們已經(jīng)清楚地看到：高速加工機床的設計與應用，如同其他一般機床的設計和應用一樣，為了實現(xiàn)某一技術(shù)目標，如高速、高精或高效，都同時存在著多個可選擇的技術(shù)設計方案和工藝策略方法，包括結(jié)構(gòu)選材、結(jié)構(gòu)形態(tài)和布局，實現(xiàn)技術(shù)目標的措施、原理和方案、加工工藝方法、步驟和編程策略等；而且每個方案和方法，都有其自身的優(yōu)點和不足之處，也就是說，所有的技術(shù)方案和工藝方法，沒有一個是絕對最佳的，只有相對較好的。設計和使用者的任務就在於如何根據(jù)具體要求的需要來擇優(yōu)選定所應采用的技術(shù)方案和工藝方法，擇選的條件主要應包括以下方面的內(nèi)容：

    方案或方法應能滿足給定條件下的目標要求，如單件或批量加工時的精度，效率或質(zhì)量一致性；

    方案或方法實施起來比較方便可靠，如已有經(jīng)過實踐證明有效的、現(xiàn)成成熟的技術(shù)或產(chǎn)品，可以“即插即用”或無需作出大的改動便能用；

    方案或方法的實施成本（包括研制、開發(fā)和應用中的成本費用）較低，且不需要附加（如環(huán)保）的資金投入或只需很少的附加投入，無公害；

方案或方法便於升級，改造或擴展和集成等。

    所以，要想設計好和應用好高速加工機床，設計者和應用者除了需要了解和掌握前面所介紹的一些相關(guān)基本知識和前人的實踐經(jīng)驗之外，更重要的是：

1. 首先要認真研究目前已有的一些具有代表性的高速加工機床所采用的技術(shù)方案和結(jié)構(gòu)設計的特點，弄清其設計意圖和方案選用的依據(jù)，實際應用的效果和不同用戶所確認的該機床的優(yōu)缺點，從而可以吸取別人的經(jīng)驗；

2. 要善於對各種可供選用，特別是其中擬自行研發(fā)或選用的技術(shù)方案和工藝方法，進行綜合的分析比較，評估其研發(fā)和選用的經(jīng)濟合理性、技術(shù)先進性和適用性；

3. 要善於不斷從實踐中總結(jié)自己的經(jīng)驗，并在新的實踐中加以發(fā)展和創(chuàng)新。比如在總結(jié)設計和應用經(jīng)驗時，要思考在什麼條件和技術(shù)目標要求下，自己是如何進行分析、比較和選定了什麼樣的技術(shù)方案或工藝方法的？結(jié)果取得了怎樣的實際應用效果？應用效果是否與自己的設計意圖相吻合？如不吻合，問題出在哪里？應如何去加以改進和創(chuàng)新？改進或創(chuàng)新後的效果又如何？等等。因為只有這樣，我們才有可能逐漸形成自己的Know-How，設計好、應用好高速加工機床，也只有這樣，我們才有可能從後進變先進，創(chuàng)造出更多自有知識產(chǎn)權(quán)的好產(chǎn)品、好工藝、好軟件，永遠擺脫目前老是跟在人家後面走的落後局面。

    然而這些問題的最終解決，單純靠機床設計師和實際操作者的自然積累經(jīng)驗是不行的，時間太慢了，必須有大學和科研單位投入專門的力量，進行有針對性的專題科學試驗研究才行，特別是有關(guān)高速加工工藝方面的理論和具體工藝參數(shù)的選擇，如不同材料和材質(zhì)的工件，如何優(yōu)選刀具材料，刀具幾何形狀和切削參數(shù)等來進行加工，方可獲最佳的加工效果——精度、效率、刀具壽命和高速主軸的壽命等。可是遺憾的是：目前我國在這方面的投入可能是太少了！例如，據(jù)世界著名的高速加工機床生產(chǎn)廠家——Mikron公司的銷售總監(jiān)單錫林先生最近披露：雖然至今已有超過30家中國企業(yè)購買了30多臺Mikron公司生產(chǎn)的主軸轉(zhuǎn)速超過40000r/min的高速加工機床在生產(chǎn)線上使用，但還沒有一臺這樣的機床是我國高�；蚩蒲袉挝毁徺I并用於進行高速加工試驗研究的！當然這只是一個公司反映出來的一個側(cè)面，并不排除我國的某些高�；蚩蒲袉挝灰奄徲辛似渌�公司生產(chǎn)的類似的高速加工機床作為試驗研發(fā)平臺。但是，我們可以設想，如果高校或科研單位沒有高速加工試驗研發(fā)用的平臺，那麼高速加工技術(shù)的研發(fā)和數(shù)據(jù)采集又從何談起呢！因此，我們在此提出專項科研投入的問題，還是值得有關(guān)部門給予重視和注意的。