基于高速加工的效率與設(shè)備選型

高速切削（High Speed Cutting）和高速加工（High Speed Machining）分別簡稱HSC和HSM，是近十年來迅速崛起的一項先進(jìn)制造技術(shù)。由于高速切削技術(shù)使汽車、模具、飛機(jī)、輕工和信息等行業(yè)的生產(chǎn)率和制造量顯著提高，加工工藝及裝備更新?lián)Q代，因此如同數(shù)控技術(shù)一樣，高速切削和高速加工已成為20世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)一場影響深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。目前，適應(yīng)HSC要求的高速加工中心和其他高速數(shù)控機(jī)床在發(fā)達(dá)國家已呈普及趨勢。
　　高速切削的起源可追溯到20世紀(jì)20年代末期。德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl Salomon）博士于1929年進(jìn)行了超高速模擬實驗。1931年4月發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設(shè)。薩洛蒙指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于每一種工件材料，存在一個速度范圍，在這個速度范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進(jìn)行。但是，當(dāng)切削速度再增大，超過這個速度范圍以后，切削溫度反而降低。同時，切削力也會大幅度下降。按照他的假設(shè)，在具有一定速度的高速區(qū)進(jìn)行切削加工，會有比較低的切削溫度和比較小的切削力，不僅有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速切削，從而大幅度地減少切削時間，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率，而且還將給切削過程帶來一系列的優(yōu)良特性。
　　一．高速加工的效率
　　1.高速加工提高了產(chǎn)品加工的速度
　　對于精加工，從材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上，普通數(shù)控機(jī)床精加工時一般進(jìn)給速度在3米-6米/每分鐘，而高速機(jī)床一般在15米-60米/每分鐘，大家知道一般產(chǎn)品加工大部時間花在精加工，對粗加工而言高速加工采取了非常小的切深，但時間范圍內(nèi)的切削量還是比普通數(shù)控機(jī)床加工快幾倍。
　　2.高速加工可獲得高質(zhì)量的加工表面
　　因高速加工采取了極小的進(jìn)給量與切深，故可獲得很高的表面質(zhì)量，有時甚至可以省去鉗工修光的工序，因表面質(zhì)量的提高又省去了修光及點火花等工序所需的時間，再則在高速加工速度范圍內(nèi)，切削溫度降低，同時切削力也會大幅度下降，使加工的產(chǎn)品不會因切削力 與切削溫度影響加工精度。
　　3.簡化了加工工序
傳統(tǒng)銑削加工只能在淬火之前進(jìn)行，因淬火造成的變形必須要經(jīng)手工修整或采用電加工最終成形。現(xiàn)在則可以通過高速加工完成，省去了電極材料、電極加工編程及加工，以及電加工過程所需所有費用，而且不會出現(xiàn)電加工所導(dǎo)致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量減少，便可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細(xì)節(jié)進(jìn)行加工，節(jié)省了部分加工或手工修整工藝。減少人工修光時間及工藝的簡化對縮短生產(chǎn)周期的貢獻(xiàn)甚至可超過高速加工速度提高而產(chǎn)生的價值，崎立GRAND68A曾經(jīng)使用6個毫米的刀加工出深度50mm直徑0.2mm的小園柱，普通數(shù)控機(jī)床是無法做到的。
4.使模具修復(fù)過程變得更加方便
模具在使用過程中往往需要多次修復(fù)，以延長使用壽命，過去主要是靠電加工來完成，如果采用高速加工可以更快地完成該工作，而且可使用原NC程序，無需重新編制，且能做到精確無誤。
　　二．高速加工設(shè)備選型
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　　高速加工對機(jī)床的要求
　　主軸速度應(yīng)能達(dá)到15000～40000r/min；進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)15～60m/min；快速移動速度達(dá)30-90m/min；加速度為1g；高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)；高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸； 精確的熱補(bǔ)償系統(tǒng)；高速處理能力的控制系統(tǒng)（線性插補(bǔ)5-20Microns或NURBS插補(bǔ)功能）； 具有預(yù)處理能力的控制系統(tǒng)。刀夾、刀具的加速度小于3g；刀具的徑向跳動小于0.015mm；
　　1.高速主軸
　　目前，高速機(jī)床普遍采用電主軸，由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，俗稱“內(nèi)藏式電主軸”，電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列主軸溫升與振動等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能。決定電主軸性能的優(yōu)良重要部份在軸承，電主軸采用的軸承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。目前國內(nèi)主要應(yīng)用陶瓷滾動軸承，STA公司采用德國GMN公司的軸承生產(chǎn)的電主軸是一款性能優(yōu)良的產(chǎn)品，其旋轉(zhuǎn)精度和剛度都相當(dāng)高。目前常使用CYTEC，意大利FAEMAT，瑞士IBAG等廠家的電主軸。
　　國內(nèi)用戶在購買機(jī)床時一般應(yīng)注重主軸的參數(shù)，主軸一般有轉(zhuǎn)速、功率、扭矩三個基本重要參數(shù)，不能一味追求高轉(zhuǎn)速、高功率就是好，應(yīng)根據(jù)機(jī)床的大小，進(jìn)給速度，NC控制系統(tǒng)整體進(jìn)行搭配，如果你的機(jī)床主軸6萬轉(zhuǎn)/每分鐘，進(jìn)給速度才6米/每分鐘，怎能談得上高速機(jī)床。主軸的高速旋轉(zhuǎn)切削產(chǎn)生大量的熱，在沒有快速的移動下，切削熱大量傳導(dǎo)給工件，致使產(chǎn)品熱變型，無法對鋁等易熱變型的材料加工，這就好比我們的一支手指頭在一根點燃的蠟燭上移動，當(dāng)我們的手指頭移動的速度夠快的話，始終感覺不到手指頭會痛。
　　一般轉(zhuǎn)速快，功率一樣的情況下，扭矩會小，扭矩小了對加工的時間內(nèi)切削去除量有很大的影響，那么要有同樣的時間內(nèi)去除量，功率必須大，大功率的電主軸相當(dāng)貴，對于初次購買高速機(jī)床不是很好的選擇。
　　我們購買高速機(jī)床時應(yīng)選主軸轉(zhuǎn)速大約16000-30000轉(zhuǎn)/每分鐘為宜，功率10KW-20KW，扭力5N·M-20 N·M。
　　高速主軸還有重要的一點是刀具接口，應(yīng)選用HSK型接口，中型機(jī)床一般HSK-40E、HSK-50E，大機(jī)床一般采用HSKA63BT和其它刀具接口目前市場上很難達(dá)到2萬轉(zhuǎn)以上的參數(shù)特性。
　　2.機(jī)床結(jié)構(gòu)和進(jìn)給系統(tǒng)
　　為了響應(yīng)每分鐘15-60m/min的進(jìn)給速度，那么必須還需要一套好的進(jìn)給系統(tǒng)。目前很多文章介紹高速機(jī)床使用直線電機(jī)做為傳動，直線電機(jī)是一種優(yōu)良的傳動設(shè)備，價格很貴，使用量不多，總的傳動系統(tǒng)必須高的加速度，高傳導(dǎo)性，零間隙，使用滾珠絲桿必須有高的DN值、大鏍矩、高加速度、良好的冷卻系統(tǒng)。崎立GRAND680B采用空調(diào)冷卻水對絲桿、軸承進(jìn)行嚴(yán)格溫升控制，實現(xiàn)30米進(jìn)給，溫升控制在30℃,使絲桿軸承大量延升壽命.
　　高速機(jī)床的結(jié)構(gòu)一般采用龍門式結(jié)構(gòu),米漢納鑄鐵,特殊箱型結(jié)構(gòu)及加大助式設(shè)計,使機(jī)臺具有超強(qiáng)剛性,確保重切削時之抗扭曲力與極佳之吸震能力.使機(jī)床可獲得最佳的承載能力.采用雙墻式結(jié)構(gòu)支撐橫梁，橫梁在墻式支撐上可進(jìn)行快速進(jìn)給運(yùn)動, 雙墻式支撐的橫梁要求在兩面墻上采用雙動力的驅(qū)動,雙驅(qū)動時要保證兩邊進(jìn)給的同步性.由于采用龍門式結(jié)構(gòu)比立柱式更容易實現(xiàn)高速運(yùn)動且結(jié)構(gòu)簡單,一些小型加工中心也做成龍門式結(jié)構(gòu).
　　高速機(jī)床的床身和工作臺必須有高的動、靜剛度和抗振性;好的精度保持性; 更好的抗熱變形能力.在材料上,高性能的加工中心大多應(yīng)用高強(qiáng)度密烘(Mehanna)鑄鐵.同時,過去僅用于精密機(jī)床的聚合物混凝土、大理石已經(jīng)開始用于高性能加工中心.大理石聚合物混凝土整體鑄造的床身的振動性能和鑄鐵材料比較,其諧振峰值小得多,且共振頻率略向前移.
　　高速進(jìn)給系統(tǒng)是高速數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一.隨著高速加工技術(shù)和高速數(shù)控機(jī)床的不斷發(fā)展,對高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的要求越來越高.目前對高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的要求可概括為:高速度、高加速度、高精度、高可靠性和高安全性，合理的成本。
　　采用直線電動機(jī)進(jìn)給驅(qū)動的優(yōu)點是速度高、加速度大、定位精度高、行程不受限制。目前，直線電動機(jī)已有多種類型，其中在高速進(jìn)給系統(tǒng)中應(yīng)用較多的如：直線直流電動機(jī)、交流永磁（同步）直線電動機(jī)、交流感應(yīng)（異步）直線電動機(jī)。
　　進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計和選用，直接影響高速機(jī)床的技術(shù)水平和加工能力。為高速加工的需要，進(jìn)給系統(tǒng)必須滿足如下要求：能提供高速機(jī)床所需的高速度和高加速度，并具有很寬的調(diào)速范圍；能在所要求的速度、加速度和調(diào)速范圍內(nèi)長期穩(wěn)定可靠工作；能實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和誤差極小的跟蹤；工作平穩(wěn)，無爬行、無振動、噪聲��；具有優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)特性；滿足節(jié)能和環(huán)保等方面的要求。
　　3.高速系統(tǒng)
　　CNC控制器應(yīng)有短的插補(bǔ)時間，短的伺服響應(yīng)時間，大的超前程序預(yù)處理能力，配有高速高精度軟件，前饋處理，速度超前處理，大的程序代碼傳輸速率或網(wǎng)絡(luò)功能，高檔系統(tǒng)應(yīng)有納米插補(bǔ)功能，NURBS插補(bǔ)功能，NURBS是曲面曲線插補(bǔ)，使加工代碼更短，線條更圓滑，產(chǎn)品更光潔度精度更高，但是購買機(jī)床時不一定應(yīng)具備此功能，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用選定。
　　以上只是微薄的對您選購高速機(jī)床的建議。購買高速機(jī)床時您還應(yīng)具備豐富的產(chǎn)品加工經(jīng)驗，豐富的CAD/CAM經(jīng)驗。