高速铣削加工的现状和发展趋势综述

newmaker    来源：MM现代制造

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天、汽车、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 一般来说能称为高速加工中心的，其切削速度和进给速度为常规的10倍左右，也就是说主轴的转速超过20000r/min，甚至能达到60000 r/min；切削速度达到60m/min，甚至120m/min。不仅如此，为了降低辅助时间要求能在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停。对于多轴联动的加工中心而言，同时要求在最短的时间内实现自动换刀，并最大限度地缩短切削-切削的时间。回转工作台和叉形主轴的运动速度，要高出传统传动方式5~6倍。要满足上述要求，就需要主机在具有高动、静刚度的同时，还要配备高性能的功能部件，如高速电主轴、直线电机、转矩电机、高速自动换刀机构和控制系统等。 高速加工中心主要功能部件的发展现状和趋势 1.主轴系统 对于高速加工中心而言电主轴已成为机床的核心部件，由于在高速加工领域中多采用小直径的铣刀（直径仅0.1~2mm），而要满足150m/min以上的切削速度就要求提高主轴的转速。目前，主轴转速在20000~40000 r/min的加工中心已经越来越普及，如瑞士Mikro公司的XSM400U。该设备的主轴转速已达到54000r/min，为了适应高转速所产生的温升、振动和位移，主轴轴承采用陶瓷轴承、磁力轴承和空气轴承替代了传统轴承；同时对主轴高转速带来的温升、位移和振动进行测量、修正和补偿，以确保主轴系统的高速度和高精度。目前德国的Kugler公司已生产出采用空气轴承的主轴最高转速达160000r/min的5轴高精度铣床，德国Fruanhofer正在研制300000r/min的高速主轴。 2.进给系统 对于高速加工中心而言，高的切削速度固然是主导因素，然而要实现真正的高效加工，提高进给速度和降低辅助时间尤为重要。 由于直线电机技术的迅猛发展，其速度高、加速度大、定位精度和跟踪精度高及行程不受限制的优势已充分体现在高速加工中心上，如德国德马吉公司的DMC75Vinear型高速加工中心，其快速进给速度已达到90m/min，加速度达到2g，相应的定位精度和重复定位精度也有大幅度提高，目前直线电机的发展已经提高到120m/min，甚至200m/min，加速度达到6g，当然如此高的加速度情况下提高机床的刚度就显得尤为重要。 对于多轴联动的高速加工中心、回转工作台和叉形主轴的摆动和回转是通过转矩电机实现的，它就和直线电机一样采用了直接驱动的方式来实现高转速和高加速度，其能达到的角加速度是传统蜗轮蜗杆传动的6倍，加速度可达到3g。 直线电机和转矩电机在高速加工中心上的组合应用为高速度、高精度和高的表面质量加工模具提供了最佳条件。 3.辅助系统 作为高速加工中心重要部件之一的自动换刀装置（ATC）的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术指标。 快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，在尽可能短的时间内完成刀具自动交换的技术方法，如采用机械凸轮机构的自动换刀装置，其速度要大大高于液压和气动换刀装置。日本SODIC公司生产的MC450立式加工中心所采用的换刀机构，刀-刀时间仅0.6s。同时为了提高自动换刀时间还采用了如多主轴换刀、双主轴换刀和多机械手换刀等方式，如奥地利ANGERG公司生产的多主轴加工中心，实现了切削-切削时间仅0.4s；德国CHIRON公司采用多机械手的换刀机构实现了切削-切削换刀时间仅1.5s。自动换刀机构的发展有力地推动了高速加工的实现。 4.CNC控制系统 要实现高速加工必须配以高性能的CNC控制系统，因为它是决定机床加工速度、精度和加工件表面质量等性能的重要因素。首先在加工高精度空间曲面时，复杂的刀具轨迹需要庞大的加工程序，因此，程序段处理时间的长短是决定CNC控制系统工作效率的重要指标。目前如海德汉的iTNC530数控系统，对程序段的处理时间可达0.5ms。除缩短程序处理时间外，控制系统还具有能以纳米的分辨率进行工作的Nurbs和样条插补功能，以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。另外，其还必须能与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接，尤其对5轴联动加工，巨大的数据程序可以通过CAD/CAM系统经网络以很高的速度传送到控制系统上，最大限度的缩短调整时间和编程时间。 机床行业发展趋势 1.虚拟轴机床 虚拟轴机床由于具有运动惯量小、刚性潜力大、结构简单、造价低和5轴5面加工等特点，对加工模具具有很大潜力，当前虚拟机床已进入实际应用阶段。 目前，虚拟轴机床的热门产品是瑞典Tricept（特立开普特）公司的“三条腿”机床。它配备了大功率电主轴，功率达48kW，最高转速为30000r/min，直径?170mm，快进速度达65 m/min,加速度高达20m/s2，因而切削效率很高。其工作台直径为2.4m,配备12把刀，换刀时间5~10s，特别适用于模具加工。据悉，该产品已出售100多台，其中6台进入中国。用虚拟轴机床组成的FTL，已在瑞典SAAB汽车公司生产了5万多台发动机。 2.复合加工机床值得注意 为了进一步提高生产率，复合加工机床应运而生，如日本TAKISAWA机床公司的TML-8型立式加工中心和车床削中心组合机以及日本MAZAK公司的200Y复合机床，都综合了加工中心和车削中心的加工功能，可完成复合加工。一次装夹可完成车、钻、铣、攻等工序，并可达到很高的切削精度，而且夹具简单，减少了成本。又如德国的OTTO Bihler公司的MC82型复合中心可进行成型、焊接、攻丝、车螺纹、装配和检测等工序，提供了最大限度的柔性和生产率，进一步缩短了非生产时间。 3.适应环保要求的干切削技术的应用 传统切削过程多采用切削液提高刀具寿命，改善加工表面质量，并利于排出切削热，但是在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的雾状液滴将污染操作现场和影响操作者健康，而变质切削液的更换排放又会影响环境，因而发展满足环保要求的干切削技术是绿色制造的一项重要内容。尤其要求强烈的是汽车工业，因为切削液的价格很高，典型生产线设备的刀具成本约占50％，喷淋占30％，再加上收集和处理废液带来的高昂成本，因此，其设备若换成干式加工，不仅降低了生产成本又满足了环保要求。 4.20年后的机床模型描述 日本Mazak公司预报了未来20年技术发展的新概念，它的机床模型特征是：数字化机械和数字化通信的结合，其规格参数将达到如下指标：主轴转速100000r/min；运动加速度8g；切削速度660m/s（2马赫）；采用主轴停止机换刀；工作台最小分度精度1/100000；工作台转速8000r/min；6轴控制5轴同时联动，在这台干切削机床上，可同时具有车削、铣削、激光淬火、内外圆磨削及机内测量。 总之，高速加工中心是一种高技术的集成产品，是机、电、液、气及刀具等各技术领域发展的综合反映，它们既相互促进又相互制约，如加工中心高速技术的发展就要求数控系统提高运算速度，从32位提升到64位，分辨率的提高促进了机床定位精度的提高，生产效率的提高就要求提高主轴转速和进给速度，这就促进了电主轴和直线电机的发展，同样近年来刀具技术的发展有力地支持了机床高速化的发展，使提高切削速度成为可能。而机床高速化也推动了刀具技术的发展，相信在不久的将来像日本Mazak公司所描述的机床产品也将应运而生。

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