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(lái)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(lái)說(shuō)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(shuō)主軸的轉(zhuǎn)速超過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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?jiàn)A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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)像日本Mazak公司所描述的機(jī)床產(chǎn)品也將應(yīng)運(yùn)而生。