高速加工機(jī)床的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

    本文分兩部分綜合介紹了有關(guān)高速加工機(jī)床的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的一些基本知識(shí)，指出了：善於對(duì)各種可選的設(shè)計(jì)技術(shù)方案和加工工藝方法進(jìn)行綜合分析與評(píng)估，并善於學(xué)習(xí)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)新的實(shí)踐，才是設(shè)計(jì)好和應(yīng)用的高速加工機(jī)床的關(guān)鍵。

圖1 五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心機(jī)床示例

    高速加工機(jī)床是基于現(xiàn)代刀具材料的發(fā)展，為滿足航空、航天、汽車(chē)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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高效、高性能加工機(jī)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(jìn)給/快移速度快（達(dá)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(shí)間短（在數(shù)秒至1秒以?xún)?nèi)）以及常常具有多軸聯(lián)動(dòng)功能等特點(diǎn)。

由于高速加工機(jī)床具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如： 

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

    切削力比常規(guī)速度時(shí)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(jìn)行薄壁件切削和提高加工精度； 

    由于切削速度高，切削過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率一般遠(yuǎn)離了機(jī)床工藝系統(tǒng)的固有頻率，故切削過(guò)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(fèi)時(shí)費(fèi)工的人工順序作業(yè)；

    許多機(jī)電產(chǎn)品所用的零部件，無(wú)論是單件或批量需求的，都可在相應(yīng)的高速加工機(jī)床（如多軸聯(lián)動(dòng)的高速加工中心和車(chē)銑中心）上進(jìn)行多工序復(fù)合加工甚至一次裝夾實(shí)現(xiàn)全部加工。

    所以，高速加工機(jī)床自上世紀(jì)八十年代中期出現(xiàn)以來(lái)，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(jī)、功能強(qiáng)、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(jī)床的生產(chǎn)與應(yīng)用，現(xiàn)已變得很普遍；不僅大的國(guó)際有名的機(jī)床制造廠商能生產(chǎn)，一般的國(guó)內(nèi)外機(jī)床廠也在開(kāi)始制造，而且成了世界機(jī)床業(yè)中爭(zhēng)先開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)產(chǎn)品，不僅模具，航天、航空等行業(yè)在進(jìn)行單件或小批生產(chǎn)中應(yīng)用，在汽車(chē)乃至一航機(jī)械制造業(yè)中進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)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(kāi)發(fā)和充分地合理地應(yīng)用高速加工機(jī)床，本人以為，高速加工機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造者和應(yīng)用者仍應(yīng)對(duì)下列諸方面的問(wèn)題有更多、更深刻的理解和研究，并善于學(xué)習(xí)、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(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的基本要求和設(shè)計(jì)原則

    由于高速加工中的切削速度，進(jìn)給速度和加減速度都大，因此機(jī)床的發(fā)熱量，運(yùn)動(dòng)部件的慣量也大，容易導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)的過(guò)量溫升、熱變形和產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，最終會(huì)影響到加工精度、質(zhì)量乃至機(jī)床和刀具的工作壽命和可靠性。所以，高速加工對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的基本要求，首先是要三高，即靜剛度高、動(dòng)剛度高和熱剛度高，也就是說(shuō)，“三剛”特性要好；其次是運(yùn)動(dòng)部件要輕量化，即要盡量減少傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量。為此，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(diǎn)）選擇合理的結(jié)構(gòu)截面形狀、尺寸、筋壁布置和機(jī)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(dāng)，接觸點(diǎn)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(dòng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)件的材料；二是通過(guò)模型試驗(yàn)或模態(tài)分析合理設(shè)計(jì)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(dòng)頻率，使其遠(yuǎn)離切削過(guò)程中所產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)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(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)部件的支承導(dǎo)軌面間距離要盡可能寬闊，驅(qū)動(dòng)力的作用線要居中并盡可能靠近運(yùn)動(dòng)部件的重心，傳動(dòng)鏈中應(yīng)無(wú)反向間隙，以保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊。

    為了提高結(jié)構(gòu)的熱剛度，原則上首先應(yīng)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(jī)床上的熱源和溫度場(chǎng)的分布情況，盡量采用熱對(duì)稱(chēng)和方便散熱或強(qiáng)迫冷卻的結(jié)構(gòu)，包括采用熱補(bǔ)償措施的結(jié)構(gòu)等，以減少熱變形帶來(lái)的對(duì)機(jī)床幾何精度和工作性能的影響。

    為了減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量，一是選用比重小的材料，如鋁合金和復(fù)合材料等，作為運(yùn)動(dòng)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(dòng)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，縮短傳動(dòng)鏈，以提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。

    現(xiàn)實(shí)中能同時(shí)滿足上述條件要求的材料和結(jié)構(gòu)是沒(méi)有的，只能按實(shí)際要求進(jìn)行綜合評(píng)估后選取。

圖3 現(xiàn)代刀具加工不同工件材料時(shí)可選用的切削速度和進(jìn)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(yīng)用是以小直徑的硬質(zhì)合金銑刀來(lái)對(duì)各種材料的模具、模型和鋁合金件進(jìn)行銑削，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速是根據(jù)現(xiàn)代刀具材料所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)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(jì)算得的刀具/主軸轉(zhuǎn)速（圖4）來(lái)確定�？梢�(jiàn)除切削鈦或鎳合金時(shí)，由于刀具所能達(dá)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(dá)到50000r/min至80000r/min。如此高的主軸轉(zhuǎn)速，采用一般機(jī)床用的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（電機(jī)加皮帶輪和齒輪傳動(dòng)）方式是不可能實(shí)現(xiàn)的，一般都需采用由變頻調(diào)速電機(jī)和機(jī)床主軸集成在一起的所謂“電主軸”直接驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    電主軸是通過(guò)交流變頻調(diào)速和矢量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的寬調(diào)速的。它的優(yōu)點(diǎn)不僅是簡(jiǎn)化了主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少主傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且降低了功耗，提高了實(shí)現(xiàn)更高主軸速度和加減速度的能力，從而也可實(shí)現(xiàn)定角度的快速準(zhǔn)仃（C軸控制）功能，這對(duì)高速加工機(jī)床是十分重要的。

    當(dāng)然，高速主軸本身的設(shè)計(jì)制造會(huì)涉及許多特殊問(wèn)題，如主軸（電機(jī)轉(zhuǎn)子）支承的結(jié)構(gòu)型式和潤(rùn)滑方式，電機(jī)的發(fā)熱和冷卻措施，主軸和刀具的連接以及動(dòng)平衡問(wèn)題等，好在這些問(wèn)題已有許多科研單位進(jìn)行了研究和解決，高速電主軸單元在國(guó)內(nèi)外均有了專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)廠家進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)化、系列化的生產(chǎn)，機(jī)床設(shè)計(jì)制造者只需根據(jù)加工對(duì)象要求，確定所需的主軸轉(zhuǎn)速和扭矩范圍來(lái)合理地選用就是了。

高速進(jìn)給系統(tǒng)

    高速進(jìn)給系統(tǒng)是高速加工機(jī)床極其重要的組成部份，對(duì)它的設(shè)計(jì)要求，首先應(yīng)當(dāng)是能提供高速切削時(shí)所要求的高的進(jìn)給/快移速度和加減速度；其次是應(yīng)具有所要求的調(diào)速寬度和軌跡跟蹤精度；同時(shí)還應(yīng)有很好承受動(dòng)、靜載荷的能力和剛度，從而保證高速加工應(yīng)有的效率和質(zhì)量。

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

一、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式

    高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式，目前廣為應(yīng)用的主要有兩種：一種是回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠的間接傳動(dòng)，另一種是采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

    通過(guò)滾珠絲杠間接傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加速度特性受運(yùn)動(dòng)部件載荷變化的影響較小，且目前已有許多國(guó)內(nèi)外廠家進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，系列化和模塊化的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。但是普通傳動(dòng)用的滾珠絲杠，由于存在慣量大，導(dǎo)程小，又受到臨界轉(zhuǎn)速的限制等，其所能提供的進(jìn)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(jìn)給滾珠絲杠普遍采取如下的改進(jìn)措施。

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

    將實(shí)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(duì)絲杠采取通水內(nèi)冷，以利于提高絲杠轉(zhuǎn)速，提高進(jìn)給/快移速度和加速的能力，減少熱影響；

    改進(jìn)回珠器和滾道的設(shè)計(jì)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(dòng)部件上的伺服電機(jī)集成在一起完成旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，從而避開(kāi)了絲杠受臨界轉(zhuǎn)速的限制等。

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

    與上述的通過(guò)滾珠絲杠間接傳動(dòng)的方式相比，采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是將伺服電機(jī)的定子和動(dòng)子分別直接與機(jī)床床身及移動(dòng)部結(jié)合在一起，沒(méi)有了中間環(huán)節(jié)，傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，即實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”，從而大大提高了機(jī)械剛度，減少了傳動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，直線電機(jī)最高的進(jìn)給/快速度可達(dá)120m/min乃至240m/min，加速度可達(dá)2~10g；行程長(zhǎng)度可不受限制；適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏度高，隨動(dòng)性好，不存在反向間隙，可利用直線光柵尺作為測(cè)量反饋元件，實(shí)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)也存在一些缺點(diǎn)：如效率低，功耗大，結(jié)構(gòu)尺寸和自重也相對(duì)較大；工作過(guò)程溫升高，要求強(qiáng)冷卻；因受磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)部件的載荷量（工作臺(tái)/滑座自重加上工件及其他外載荷），即對(duì)運(yùn)動(dòng)載荷較敏感，故宜用于運(yùn)動(dòng)件載荷恒定或變化量不大的場(chǎng)合，在載荷變化重大的情況下，必需能在數(shù)控編程時(shí)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)不具自鎖能力，設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)注意考慮外加制動(dòng)措施，特別是在垂直軸進(jìn)給系統(tǒng)中使用時(shí)，尤要注意。

二、各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系

    如同一般加工機(jī)床一樣，高速加工機(jī)床一般都有2個(gè)以上，多至5個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸，這些運(yùn)動(dòng)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(jī)床普遍采用的型式，其特點(diǎn)是各運(yùn)動(dòng)軸的布局采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，機(jī)床床身、立柱、溜板、工作臺(tái)/轉(zhuǎn)臺(tái)和主軸箱等部件分別通過(guò)相應(yīng)的導(dǎo)軌支承面串聯(lián)在一起的，各軸運(yùn)動(dòng)均可單獨(dú)地獨(dú)立進(jìn)行，由于是串聯(lián)，各運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(fù)雜，后運(yùn)動(dòng)部件受到先運(yùn)動(dòng)部件的牽動(dòng)和加速，加工誤差由各軸運(yùn)動(dòng)誤差線性迭加而成，且受導(dǎo)軌精度的影響等，這些都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。然而由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)，有長(zhǎng)期設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)較成熟，故迄今仍為大多數(shù)高速加工機(jī)床所采用。但串聯(lián)結(jié)構(gòu)中還有著不同的各運(yùn)動(dòng)軸的相互組合配置方式，其所獲得的應(yīng)用效果是不一樣的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以高速加工的特點(diǎn)及其對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求出發(fā)來(lái)確定。

圖5 Stewart平臺(tái)式并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床

    并聯(lián)結(jié)構(gòu)的典型代表是Stewart平臺(tái)式的所謂虛擬軸機(jī)床（圖5）。它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)部件是一個(gè)由伺服電機(jī)分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)可同時(shí)作6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，但沒(méi)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(yīng)的運(yùn)動(dòng)支承導(dǎo)軌，而且任何一軸運(yùn)動(dòng)都必須由6根可伸縮桿的協(xié)同運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。一般刀具/主軸頭就安裝在該動(dòng)平臺(tái)上，工件則固定在機(jī)床的機(jī)架上，此外就不再有溜板、導(dǎo)軌等支承件了。與傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)床相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的機(jī)床主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

    運(yùn)動(dòng)部件重量輕，慣量小，更有利于實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高的速度和加速度；

    刀具主軸頭可同時(shí)實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且主要的6根伸縮桿具有相同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式，便于模塊化，標(biāo)準(zhǔn)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(guò)預(yù)加載荷來(lái)提高整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的綜合剛度。

    理論精度高，因?yàn)樗�不像串�?lián)結(jié)構(gòu)那樣，各軸運(yùn)動(dòng)誤差有可能被累積和放大，故并聯(lián)結(jié)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的綜合誤差一般不會(huì)大于6根伸縮桿運(yùn)動(dòng)誤差的平均值。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：

    在同一臺(tái)機(jī)床上，其進(jìn)給的行程隨著各伸縮桿的伸出長(zhǎng)度和動(dòng)平臺(tái)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(yīng)用；

    因受球鉸和虎克鉸轉(zhuǎn)角的限制，帶主軸頭的動(dòng)平臺(tái)所能傾斜的角度較小（一般只有±40°）從而影響了機(jī)床的可加工范圍；

    運(yùn)動(dòng)編程較復(fù)雜，而且在任一軸向上的簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)，也要有6根桿的協(xié)調(diào)伸縮運(yùn)動(dòng)才能完成等。

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

圖6 混聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床示意圖

    混聯(lián)結(jié)構(gòu)是在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)采用有串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)型式的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，通常的做法是：3個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)仍采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)完成，主軸加工時(shí)所需的另外2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)則由串聯(lián)到固定工作臺(tái)上的回轉(zhuǎn)和可傾斜的工作臺(tái)或由串聯(lián)到并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)主軸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是此時(shí)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的6根伸縮桿改成了3副定長(zhǎng)桿，除桿的一端仍通過(guò)球鉸與動(dòng)平臺(tái)相聯(lián)外，桿的另一端則通過(guò)球鉸成組地與滑座聯(lián)結(jié)，滑座由伺服電機(jī)控制的滾珠絲杠（或直線電機(jī)）驅(qū)動(dòng)在機(jī)床導(dǎo)軌上移動(dòng)（圖6），從而改變動(dòng)平臺(tái)（主軸頭）在三維空間中的位置，即X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)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(dòng)平臺(tái)可傾角度過(guò)小的缺點(diǎn)，而且也減少了三套伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和滾珠絲杠，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。這應(yīng)是并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)的一個(gè)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(shí)現(xiàn)高速加工的核心技術(shù)裝置，對(duì)它的要求是：既能實(shí)現(xiàn)所需的高進(jìn)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(yīng)具有很高的運(yùn)算速度（即更短的單個(gè)程序段的處理時(shí)間）和數(shù)據(jù)存貯及傳輸?shù)哪芰Γ�以處理大量的插補(bǔ)和控制數(shù)據(jù)；二是強(qiáng)大的前瞻功能，以保持最佳的進(jìn)給速度和加速度，最佳的路徑變換，識(shí)別拐角，及時(shí)調(diào)整，保證規(guī)定的動(dòng)態(tài)精度曲線，使加工速度不超過(guò)機(jī)床的運(yùn)行特性范圍；三是有效的速度、加速度穩(wěn)定功能和自適應(yīng)加工輪廓變化的能力，因?yàn)榧庸て交�輪廓和非平滑輪廓時(shí)，施加在機(jī)床驅(qū)動(dòng)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(jī)床永不過(guò)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(kāi)放性，包括人機(jī)界面開(kāi)放（即具有標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)，如PC硬件，Windows操作系統(tǒng)，人機(jī)界面開(kāi)發(fā)工具等）、控制邏輯開(kāi)放（即具有可編程的機(jī)床邏輯控制，網(wǎng)絡(luò)功能等）和數(shù)控內(nèi)核開(kāi)放（如供幾何坐標(biāo)系統(tǒng)與數(shù)控軸直連的接口等），以使機(jī)床生產(chǎn)廠和用戶(hù)可以集成自己的人機(jī)界面，設(shè)計(jì)高效、高可靠性的控制邏輯和專(zhuān)有的坐標(biāo)變換及補(bǔ)償控制軟件等；五是系統(tǒng)應(yīng)有足夠的（如0.1μm）分辨率和多軸聯(lián)動(dòng)控制的功能，以保證高精、高速、高效加工的實(shí)現(xiàn)。目前德國(guó)西門(mén)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(kāi)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(jìn)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(wàn)轉(zhuǎn)/分以上，所以要求刀具的材料具有更高的強(qiáng)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(xué)穩(wěn)定性。然而現(xiàn)實(shí)中，能同時(shí)滿足這些要求的刀具材料目前還沒(méi)有，一般都是采用以具有較高強(qiáng)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(lái)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(diǎn)的碳化物，耐磨性和耐高溫性均較好，故常被用於對(duì)各種金屬材料件進(jìn)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(yīng)不同材料的加工情況，故應(yīng)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(duì)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(yù)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(yīng)用中還應(yīng)考慮刀具的幾何角度，排、斷屑功能，刀具型式及其在機(jī)床主軸上的裝夾和動(dòng)平衡等問(wèn)題，因?yàn)檫@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(duì)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(yīng)大5°~8°。為了防止刀尖處的熱磨損，主、副切刃的連接處應(yīng)以圓弧過(guò)渡，以提高切刃的剛度，減少切刃的磨損概率。

    刀具與機(jī)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(fù)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(lái)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是：

    錐面和端面同時(shí)接觸定位，刀柄薄壁錐體會(huì)隨高速時(shí)主軸錐孔的“脹大”而“脹大”，兩者中間不會(huì)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(kāi)，夾緊力將隨著機(jī)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(jìn)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(jī)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(zhǔn)仃），故可傳遞較大的扭鉅，經(jīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的動(dòng)平衡後，可在主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min~30000r/min的機(jī)床上使用。HSK-E型無(wú)鍵槽，是固有對(duì)稱(chēng)型，扭矩主要是靠刀柄和主軸間的錐面摩擦來(lái)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(jī)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)踐證明，只有好的機(jī)床和刀具而沒(méi)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(yīng)有的效果，所以加工工藝的制訂和編程策略在實(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析結(jié)果，高速加工工藝的制訂和編程時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1. 加工馀量的清除，一般宜用系列刀具分別進(jìn)行粗加工，半精加工和精加工的分段處理，不應(yīng)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?yàn)轫樸姇r(shí)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(shí)少，有利於延長(zhǎng)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(jìn)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(guò)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(jìn)退刀和從一個(gè)切削層進(jìn)入另一切削層時(shí)，應(yīng)采用螺旋線，圓弧或斜線進(jìn)出工件，以獲得相對(duì)平穩(wěn)的切削過(guò)程。

6. 加工凹凸角時(shí)應(yīng)采用圓弧速度補(bǔ)償選項(xiàng)，調(diào)節(jié)刀具在拐角處的進(jìn)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(yīng)對(duì)刀具路徑進(jìn)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(jìn)退刀次數(shù)和空刀移動(dòng)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(shí)，有許多問(wèn)題和細(xì)節(jié)要考慮，為此，一些國(guó)際有名的軟件開(kāi)發(fā)商，如英國(guó)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(diǎn)和編程策略的通用和專(zhuān)用的CAM編程軟件，如Delcam公司的PowerMILL數(shù)控編程軟件，它是獨(dú)立運(yùn)行的CAM軟件，具有高效區(qū)域加工策略、賽車(chē)線加工、擺線加工，自動(dòng)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(dòng)曲面加工、銑槽加工、多軸鉆孔等，編制高速加工程序時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇功能適用的CAM軟件來(lái)進(jìn)行，并在實(shí)施真正的加工前，對(duì)生成的高速加工程序進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步修改或修正。

圖8 機(jī)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(wèn)題，傳統(tǒng)加工中的做法是通過(guò)降低表面切削速度和加大進(jìn)給量來(lái)消除，但實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐均已證明，這種做法只是對(duì)常規(guī)速度加工時(shí)是正確有效的，對(duì)高速加工而言，并不是一種高生產(chǎn)率的做法。因?yàn)閺那邢黝澱癞a(chǎn)生的機(jī)理和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，一個(gè)具體加工工序的切削穩(wěn)定性可由其切削穩(wěn)定圖（以實(shí)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(wú)顫振區(qū)的邊界線）來(lái)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(yīng)是提高主軸轉(zhuǎn)速（即切削速度）�，F(xiàn)在的問(wèn)題是：如何能及時(shí)地產(chǎn)生或獲得切削穩(wěn)定性的信息。目前有兩種在車(chē)間應(yīng)用中有效獲取該信息的方法：一是用測(cè)振傳感器在刀尖上預(yù)測(cè)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，并用切削試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)仿真來(lái)驗(yàn)明其穩(wěn)定性的可靠性；二是在機(jī)床主軸部件（如電主軸中）上安裝測(cè)振傳感器進(jìn)行切削過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)。當(dāng)切削過(guò)程出現(xiàn)產(chǎn)生顫振的徵兆時(shí)便及時(shí)改變切削參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速，以抑制顫振的發(fā)生。現(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(cè)振動(dòng)的功能。

排屑和安全防護(hù)

    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(jìn)行加工時(shí)，每分鐘去除3250cm3的金屬是很常見(jiàn)的事，如按切屑/未加工前的材料體積比為10:1計(jì)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(shí)冷卻并排出機(jī)床加工區(qū)和機(jī)床之外，否則將給加工帶來(lái)極大的麻煩和嚴(yán)重的後果，如熱變形過(guò)量，加工精度下降乃至出現(xiàn)加工故障！

    一般高速加工機(jī)床所采取的排屑和冷卻措施有：1. 從機(jī)床結(jié)構(gòu)上采用臥式主軸和斜床身，并采取使所有的導(dǎo)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(jī)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(qiáng)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(shí)由置於溝槽中的螺旋排屑器排出機(jī)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(qiáng)風(fēng)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(yīng)考慮有報(bào)警或自行排障功能。

    安全防護(hù)包括兩個(gè)方面：一是對(duì)機(jī)床工作部件，如運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、直線電機(jī)等的防塵、防屑、防污和防磁保護(hù)；另一則是防止高速加工過(guò)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(duì)人身安全造成危害的保護(hù)。對(duì)高速加工而言，這兩方面的保護(hù)都很重要，尤其是後者——對(duì)人身安全的保護(hù)。因?yàn)榇藭r(shí)，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(dá)到180~360km/h，若打在人體上足以造成人體傷害！

    高速加工機(jī)床所采取的防護(hù)措施，原理結(jié)構(gòu)上基本與一般數(shù)控機(jī)床，加工中心相同或相似：對(duì)導(dǎo)軌和滾珠絲杠的防護(hù)采用可隨移動(dòng)部件移動(dòng)而收展的鋼制蓋板或柔性卷簾；對(duì)單一滾珠絲杠也可用螺旋彈簧式護(hù)套防護(hù)；對(duì)人身安全的保護(hù)則用帶有透明視窗的鋼制或鋁合金制成的罩殼將機(jī)床加工區(qū)封閉起來(lái)的做法等。所不同的只是高速加工機(jī)床用的導(dǎo)軌，滾珠絲杠防護(hù)蓋板和護(hù)套的運(yùn)動(dòng)性能要求更加靈活和快速；直線電機(jī)用的防磁蓋板需用不銹鋼制成，對(duì)加工區(qū)的防護(hù)罩殼要求設(shè)計(jì)得更加堅(jiān)固、可靠就是了，有時(shí)甚至要求罩殼的開(kāi)閉需與機(jī)床工作互鎖等。

善於綜合分析與評(píng)估，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并創(chuàng)新

    通過(guò)前面的介紹，我們已經(jīng)清楚地看到：高速加工機(jī)床的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，如同其他一般機(jī)床的設(shè)計(jì)和應(yīng)用一樣，為了實(shí)現(xiàn)某一技術(shù)目標(biāo)，如高速、高精或高效，都同時(shí)存在著多個(gè)可選擇的技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)技術(shù)目標(biāo)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(gè)方案和方法，都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，也就是說(shuō)，所有的技術(shù)方案和工藝方法，沒(méi)有一個(gè)是絕對(duì)最佳的，只有相對(duì)較好的。設(shè)計(jì)和使用者的任務(wù)就在於如何根據(jù)具體要求的需要來(lái)?yè)駜?yōu)選定所應(yīng)采用的技術(shù)方案和工藝方法，擇選的條件主要應(yīng)包括以下方面的內(nèi)容：

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

    方案或方法實(shí)施起來(lái)比較方便可靠，如已有經(jīng)過(guò)實(shí)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(wú)需作出大的改動(dòng)便能用；

    方案或方法的實(shí)施成本（包括研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中的成本費(fèi)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(wú)公害；

方案或方法便於升級(jí)，改造或擴(kuò)展和集成等。

    所以，要想設(shè)計(jì)好和應(yīng)用好高速加工機(jī)床，設(shè)計(jì)者和應(yīng)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(shí)和前人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)之外，更重要的是：

1. 首先要認(rèn)真研究目前已有的一些具有代表性的高速加工機(jī)床所采用的技術(shù)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，弄清其設(shè)計(jì)意圖和方案選用的依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用的效果和不同用戶(hù)所確認(rèn)的該機(jī)床的優(yōu)缺點(diǎn)，從而可以吸取別人的經(jīng)驗(yàn)；

2. 要善於對(duì)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(jìn)行綜合的分析比較，評(píng)估其研發(fā)和選用的經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)先進(jìn)性和適用性；

3. 要善於不斷從實(shí)踐中總結(jié)自己的經(jīng)驗(yàn)，并在新的實(shí)踐中加以發(fā)展和創(chuàng)新。比如在總結(jié)設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)時(shí)，要思考在什麼條件和技術(shù)目標(biāo)要求下，自己是如何進(jìn)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(shí)際應(yīng)用效果？應(yīng)用效果是否與自己的設(shè)計(jì)意圖相吻合？如不吻合，問(wèn)題出在哪里？應(yīng)如何去加以改進(jìn)和創(chuàng)新？改進(jìn)或創(chuàng)新後的效果又如何？等等。因?yàn)橹挥羞@樣，我們才有可能逐漸形成自己的Know-How，設(shè)計(jì)好、應(yīng)用好高速加工機(jī)床，也只有這樣，我們才有可能從後進(jìn)變先進(jìn)，創(chuàng)造出更多自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的好產(chǎn)品、好工藝、好軟件，永遠(yuǎn)擺脫目前老是跟在人家後面走的落後局面。

    然而這些問(wèn)題的最終解決，單純靠機(jī)床設(shè)計(jì)師和實(shí)際操作者的自然積累經(jīng)驗(yàn)是不行的，時(shí)間太慢了，必須有大學(xué)和科研單位投入專(zhuān)門(mén)的力量，進(jìn)行有針對(duì)性的專(zhuān)題科學(xué)試驗(yàn)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(lái)進(jìn)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�？墒沁z憾的是：目前我國(guó)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(jī)床生產(chǎn)廠家——Mikron公司的銷(xiāo)售總監(jiān)單錫林先生最近披露：雖然至今已有超過(guò)30家中國(guó)企業(yè)購(gòu)買(mǎi)了30多臺(tái)Mikron公司生產(chǎn)的主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)40000r/min的高速加工機(jī)床在生產(chǎn)線上使用，但還沒(méi)有一臺(tái)這樣的機(jī)床是我國(guó)高校或科研單位購(gòu)買(mǎi)并用於進(jìn)行高速加工試驗(yàn)研究的！當(dāng)然這只是一個(gè)公司反映出來(lái)的一個(gè)側(cè)面，并不排除我國(guó)的某些高�；蚩蒲袉挝灰奄�(gòu)有了其他公司生產(chǎn)的類(lèi)似的高速加工機(jī)床作為試驗(yàn)研發(fā)平臺(tái)。但是，我們可以設(shè)想，如果高�；蚩蒲袉挝粵](méi)有高速加工試驗(yàn)研發(fā)用的平臺(tái)，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?cè)诖颂岢鰧?zhuān)項(xiàng)科研投入的問(wèn)題，還是值得有關(guān)部門(mén)給予重視和注意的。