高速銑削加工的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)綜述

    高速加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在航天、汽車、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業(yè)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。
    一般來說能稱為高速加工中心的，其切削速度和進(jìn)給速度為常規(guī)的10倍左右，也就是說主軸的轉(zhuǎn)速超過20000r/min，甚至能達(dá)到60000 r/min；切削速度達(dá)到60m/min，甚至120m/min。不僅如此，為了降低輔助時(shí)間要求能在瞬間達(dá)到高速和在高速行程中瞬間準(zhǔn)停。對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)的加工中心而言，同時(shí)要求在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，并最大限度地縮短切削-切削的時(shí)間�；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)和叉形主軸的運(yùn)動(dòng)速度，要高出傳統(tǒng)傳動(dòng)方式5~6倍。要滿足上述要求，就需要主機(jī)在具有高動(dòng)、靜剛度的同時(shí)，還要配備高性能的功能部件，如高速電主軸、直線電機(jī)、轉(zhuǎn)矩電機(jī)、高速自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等。

高速加工中心主要功能部件的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
1.主軸系統(tǒng)
    對(duì)于高速加工中心而言電主軸已成為機(jī)床的核心部件，由于在高速加工領(lǐng)域中多采用小直徑的銑刀（直徑僅0.1~2mm），而要滿足150m/min以上的切削速度就要求提高主軸的轉(zhuǎn)速。目前，主軸轉(zhuǎn)速在20000~40000 r/min的加工中心已經(jīng)越來越普及，如瑞士Mikro公司的XSM400U。該設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到54000r/min，為了適應(yīng)高轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的溫升、振動(dòng)和位移，主軸軸承采用陶瓷軸承、磁力軸承和空氣軸承替代了傳統(tǒng)軸承；同時(shí)對(duì)主軸高轉(zhuǎn)速帶來的溫升、位移和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、修正和補(bǔ)償，以確保主軸系統(tǒng)的高速度和高精度。目前德國(guó)的Kugler公司已生產(chǎn)出采用空氣軸承的主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)160000r/min的5軸高精度銑床，德國(guó)Fruanhofer正在研制300000r/min的高速主軸。
2.進(jìn)給系統(tǒng)
    對(duì)于高速加工中心而言，高的切削速度固然是主導(dǎo)因素，然而要實(shí)現(xiàn)真正的高效加工，提高進(jìn)給速度和降低輔助時(shí)間尤為重要。
    由于直線電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其速度高、加速度大、定位精度和跟蹤精度高及行程不受限制的優(yōu)勢(shì)已充分體現(xiàn)在高速加工中心上，如德國(guó)德馬吉公司的DMC75Vinear型高速加工中心，其快速進(jìn)給速度已達(dá)到90m/min，加速度達(dá)到2g，相應(yīng)的定位精度和重復(fù)定位精度也有大幅度提高，目前直線電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)提高到120m/min，甚至200m/min，加速度達(dá)到6g，當(dāng)然如此高的加速度情況下提高機(jī)床的剛度就顯得尤為重要。
    對(duì)于多軸聯(lián)動(dòng)的高速加工中心、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和叉形主軸的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)是通過轉(zhuǎn)矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，它就和直線電機(jī)一樣采用了直接驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高加速度，其能達(dá)到的角加速度是傳統(tǒng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)的6倍，加速度可達(dá)到3g。
    直線電機(jī)和轉(zhuǎn)矩電機(jī)在高速加工中心上的組合應(yīng)用為高速度、高精度和高的表面質(zhì)量加工模具提供了最佳條件。
3.輔助系統(tǒng)
    作為高速加工中心重要部件之一的自動(dòng)換刀裝置（ATC）的高速化也相應(yīng)成為高速加工中心的重要技術(shù)指標(biāo)。
    快速自動(dòng)換刀技術(shù)是以減少輔助加工時(shí)間為主要目的，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成刀具自動(dòng)交換的技術(shù)方法，如采用機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置，其速度要大大高于液壓和氣動(dòng)換刀裝置。日本SODIC公司生產(chǎn)的MC450立式加工中心所采用的換刀機(jī)構(gòu)，刀-刀時(shí)間僅0.6s。同時(shí)為了提高自動(dòng)換刀時(shí)間還采用了如多主軸換刀、雙主軸換刀和多機(jī)械手換刀等方式，如奧地利ANGERG公司生產(chǎn)的多主軸加工中心，實(shí)現(xiàn)了切削-切削時(shí)間僅0.4s；德國(guó)CHIRON公司采用多機(jī)械手的換刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了切削-切削換刀時(shí)間僅1.5s。自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的發(fā)展有力地推動(dòng)了高速加工的實(shí)現(xiàn)。
4.CNC控制系統(tǒng)
    要實(shí)現(xiàn)高速加工必須配以高性能的CNC控制系統(tǒng)，因?yàn)樗�是決定機(jī)床加工速度、精度和加工件表面質(zhì)量等性能的重要因素。首先在加工高精度空間曲面時(shí)，復(fù)雜的刀具軌跡需要龐大的加工程序，因此，程序段處理時(shí)間的長(zhǎng)短是決定CNC控制系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)。目前如海德漢的iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)程序段的處理時(shí)間可達(dá)0.5ms。除縮短程序處理時(shí)間外，控制系統(tǒng)還具有能以納米的分辨率進(jìn)行工作的Nurbs和樣條插補(bǔ)功能，以便在高速加工的情況下獲得高的加工精度和表面質(zhì)量。另外，其還必須能與不同廠家的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行連接，尤其對(duì)5軸聯(lián)動(dòng)加工，巨大的數(shù)據(jù)程序可以通過CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以很高的速度傳送到控制系統(tǒng)上，最大限度的縮短調(diào)整時(shí)間和編程時(shí)間。
機(jī)床行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
1.虛擬軸機(jī)床
    虛擬軸機(jī)床由于具有運(yùn)動(dòng)慣量小、剛性潛力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低和5軸5面加工等特點(diǎn)，對(duì)加工模具具有很大潛力，當(dāng)前虛擬機(jī)床已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。
    目前，虛擬軸機(jī)床的熱門產(chǎn)品是瑞典Tricept（特立開普特）公司的“三條腿”機(jī)床。它配備了大功率電主軸，功率達(dá)48kW，最高轉(zhuǎn)速為30000r/min，直徑?170mm，快進(jìn)速度達(dá)65 m/min,加速度高達(dá)20m/s2，因而切削效率很高。其工作臺(tái)直徑為2.4m,配備12把刀，換刀時(shí)間5~10s，特別適用于模具加工。據(jù)悉，該產(chǎn)品已出售100多臺(tái)，其中6臺(tái)進(jìn)入中國(guó)。用虛擬軸機(jī)床組成的FTL，已在瑞典SAAB汽車公司生產(chǎn)了5萬(wàn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。
2.復(fù)合加工機(jī)床值得注意
    為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，復(fù)合加工機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，如日本TAKISAWA機(jī)床公司的TML-8型立式加工中心和車床削中心組合機(jī)以及日本MAZAK公司的200Y復(fù)合機(jī)床，都綜合了加工中心和車削中心的加工功能，可完成復(fù)合加工。一次裝夾可完成車、鉆、銑、攻等工序，并可達(dá)到很高的切削精度，而且夾具簡(jiǎn)單，減少了成本。又如德國(guó)的OTTO Bihler公司的MC82型復(fù)合中心可進(jìn)行成型、焊接、攻絲、車螺紋、裝配和檢測(cè)等工序，提供了最大限度的柔性和生產(chǎn)率，進(jìn)一步縮短了非生產(chǎn)時(shí)間。
3.適應(yīng)環(huán)保要求的干切削技術(shù)的應(yīng)用
    傳統(tǒng)切削過程多采用切削液提高刀具壽命，改善加工表面質(zhì)量，并利于排出切削熱，但是在高速切削過程中切削液的飛濺和形成的霧狀液滴將污染操作現(xiàn)場(chǎng)和影響操作者健康，而變質(zhì)切削液的更換排放又會(huì)影響環(huán)境，因而發(fā)展?jié)M足環(huán)保要求的干切削技術(shù)是綠色制造的一項(xiàng)重要內(nèi)容。尤其要求強(qiáng)烈的是汽車工業(yè)，因?yàn)榍邢饕旱膬r(jià)格很高，典型生產(chǎn)線設(shè)備的刀具成本約占50％，噴淋占30％，再加上收集和處理廢液帶來的高昂成本，因此，其設(shè)備若換成干式加工，不僅降低了生產(chǎn)成本又滿足了環(huán)保要求。
4.20年后的機(jī)床模型描述
    日本Mazak公司預(yù)報(bào)了未來20年技術(shù)發(fā)展的新概念，它的機(jī)床模型特征是：數(shù)字化機(jī)械和數(shù)字化通信的結(jié)合，其規(guī)格參數(shù)將達(dá)到如下指標(biāo)：主軸轉(zhuǎn)速100000r/min；運(yùn)動(dòng)加速度8g；切削速度660m/s（2馬赫）；采用主軸停止機(jī)換刀；工作臺(tái)最小分度精度1/100000；工作臺(tái)轉(zhuǎn)速8000r/min；6軸控制5軸同時(shí)聯(lián)動(dòng)，在這臺(tái)干切削機(jī)床上，可同時(shí)具有車削、銑削、激光淬火、內(nèi)外圓磨削及機(jī)內(nèi)測(cè)量。
    總之，高速加工中心是一種高技術(shù)的集成產(chǎn)品，是機(jī)、電、液、氣及刀具等各技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的綜合反映，它們既相互促進(jìn)又相互制約，如加工中心高速技術(shù)的發(fā)展就要求數(shù)控系統(tǒng)提高運(yùn)算速度，從32位提升到64位，分辨率的提高促進(jìn)了機(jī)床定位精度的提高，生產(chǎn)效率的提高就要求提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，這就促進(jìn)了電主軸和直線電機(jī)的發(fā)展，同樣近年來刀具技術(shù)的發(fā)展有力地支持了機(jī)床高速化的發(fā)展，使提高切削速度成為可能。而機(jī)床高速化也推動(dòng)了刀具技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來像日本Mazak公司所描述的機(jī)床產(chǎn)品也將應(yīng)運(yùn)而生。