试论数控高速加工技术综述

【摘要】本文着重介绍了高速切削各相关技术的研究动态，并对高速切削技术的应用前景进行了展望。

【关键词】数控技术 数控高速加工 数控加工技术

高速切削技术是机械制造业发展的必然趋势，其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量。高速切削技术不仅涉及到高速切削加工工艺及高速切削机理，而且包括高速切削所用的刀具、机床等诸多因素。

一、数控高速加工机床的关键技术

高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴，具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统，又是高速机床的关键所在。分述如下：

（一）高速主轴

高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 000～20000 r/min的加工中心越来越普及，转速高达100000 r/ min、200000 r/min、250000 r/min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求：高转速和高转速范围；足够的刚性和较高的回转精度；良好的热稳定性；大功率；先进的润滑和冷却系统；可靠的主轴监测系统。

（二）快速进给系统

高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达50m/min～120m/min，要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且，由于机床上直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措施：采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右，而且使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大减少；高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度；高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，高速切削机床己开始采用全数字交流伺服电机和控制技术；为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料。

（三）高速切削刀具技术

（1）刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，抗冲击、耐磨损。

（2）高速切削刀具结构。高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除损伤工件外，对操作者和机床会带来危险。因此，高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。动平衡一般对小直径刀具要求不严，对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具，必须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡，还要对刀具与夹头组合体进行平衡。最后，将刀具连同主轴一起进行平衡。但目前还没有统一的平衡标准，对ISO1940-1标准中的平衡质量G值为平衡标准也有不同的看法，有的企业以G1为标准（所谓G1，即刀具在10 000r/min回转时，回转轴与刀具中心轴线之间只允许相差1Lm），有的以G215为标准。

（四）高速切削工艺

高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高速加工和传统加工工艺有所不同，传统加工认为，高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程，而在高速加工中，高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。高速切削作为一种新的切削方式，目前尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的高速切削数据库，在高速加工的工艺参数优化方面，也还需要做大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足高速切削加工的要求，需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。目前，Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM软件，都已添加了适合于高速切削的编程模块。

（五）高速机床的床身、立柱和工作台

通过计算机辅助工程的方法，特别是用有限元进行优化设计，能获得减轻重量、提高刚度的床身和工作台。

二、结语

高速加工技术是现代先进制造技术之一，其产生是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。在此背景下，高速加工技术应运而生，逐步发展成为综合性系统工程技术，并得到越来越广泛的应用。高速加工的巨大吸引力在于实现高速加工的同时，保证了高速加工精度。航空航天、汽车及模具制造业对高速加工的认同与强烈要求，推动着高速加工技术在国际上的发展。

参考文献：

[1]宾鸿赞.加工过程数控[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[2]朱晓春.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]周正干，王美清，李和平.高速加工的核心技术和方法[J].航空制造技术，2000，（3）.

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