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高速和超高速加工技术 中泰宝石学院 王海军 一、概论 高速切削的理论是由德国的萨洛蒙博士提出的。他认为虽然在一般情况下切削温度是随着切削速度的提高而提高的，但当切削速度超过一定的临界值时，切削温度会随着速度的升高而下降，同时切削力也会大幅下降。 国外对于高速加工技术进行了大量研究： 前苏联：用火箭弹做刨削高速实验。 美国：把刀具装在加农炮里，射向工件。 二、高速切削的特点 数控加工技术节省大量辅助工时，是现代制造技术的第一个里程碑，高速加工技术能大幅度地节省切削工时并可实现高校精密生产，是现代制造技术的第二个里程碑。 主要特点如下： 1.加工时间短，效率高 美国洛克希德公司在高速铣削铝合金时，比传统方法材料切除率提高3倍，加工效率提高4—5倍。 2.刀具切削状况好 由于切削速度高，变形系数减小，切削力降低30—90%，尤其是径向切削力大幅度减少，特别有利于薄壁零件的精密加工。 3.刀具和工件受热变形小 95%--98%的切削热被切屑迅速带走，工件和刀具可基本保持冷态。可不用切削液，实现绿色加工。 4.工件表面质量好 由于几乎没有振动，切削平稳，因而可使表面粗糙度得到极大的提高。例如用1325m/min的速度铣削灰铸铁，表面粗糙度可达0.53um，完全可以达到磨削的效果。 5.可加工各种难加工材料 如：镍基合金、钛合金等。 三、高速机床的关键技术 （一）高速主轴单元 是高速机床最重要的部件，要求动平衡性高、刚性好、回转精度高、热稳定性好、功率大、散热性能好等。 1、高速电主轴的结构 所谓电主轴就是把交流伺服电机和机床主轴合二为一，它实现了机床的“零传动”，具有结构紧凑、易于平衡、传动效率高的特点，转速可达几万甚至几十万转，功率从0.5KW---80KW都可实现。 目前，国内外专业的电主轴厂已能生产几百种不同规格的电主轴。电主轴的规格主要以主轴套筒直径为标准。 2、高速主轴的散热 由于电机集成在主轴组件中，电机的能耗（转速高、功率大）所产生的热量传导到主轴上去，会影响加工精度，因此电主轴都有专门的冷却系统来散热。一般是在其外壳中做有管路，用循环水来冷却。 3、高速精密轴承 是主轴高速化的关键技术，直接影响主轴单元的工作性能。 目前主要有接触式和非接触式两大类，接触式主要是精密角接触球轴承，采用陶瓷滚珠，现大多数电主轴采用这种轴承。非接触式主要有磁悬浮轴承、液体静压轴承和空气轴承等，但这类轴承结构复杂，制造成本高、维护困难，目前还不能推广应用。 精密角接触球轴承的润滑：油气润滑和喷射润滑 （二）、高速进给系统 1、高速机床对进给系统的要求 A、进给速度必须与高速主轴相匹配，以保证高速切削的顺利进行和减少空行程时间，提高加工效率。目前一般为60m/min—120m/min。 B、加速度大，由于大多数高速机床加工零件的工作行程范围只有几个毫米到几百毫米，如果不能提供大加速度来保证在极短的行程内达到高速和在高速行程中瞬间准停，高速度就没有意义。 C、动态性能好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。 D、高可靠性和安全性。进给伺服系统是数控机床中强、弱电之间的接口环节，它的故障率的高低直接影响机床整机的可靠性。 2、新型快速进给系统 传统进给系统因刚度低、惯量大、传动效率低、传动误差大、机械传动链结构复杂，难以获得高的进给速度和加速度，无法满足高速机床的加工要求。 A、高速滚珠丝杠副传动系统 在普通滚珠丝杠的基础上改进：丝杠采用中空结构，增大丝杠螺母的导程和螺纹头数，减小滚珠直径，采用陶瓷滚珠，双伺服电机分别驱动丝杠和螺母。 B、直线电机进给驱动系统 直线电机实际上就是旋转电机的一种演变，从理论上讲就是把旋转电机径向破开，然后展开成直线。定子是固定的部分，转子是移动的部分。同滚珠丝杠相比，可简化结构、提高定位精度、实现高速直线运动。 直线电机驱动的特点： （1）速度快，加减速过程短。 （2）精度高。由于没有机械传动滞后，定位精度可达0.1—0.01um。 （3）传动刚度高，推力平稳。 （4）行程长度不受限制。 （5）运行时效率高、噪声低。 直线电机的分类： 直流直线电机、交流永磁同步直线电机、交流感应异步直线电机、步进式直线电机、磁阻式直线电机、压电式直线电机和平面电机等。 目前直流直线电机、交流永磁同步直线电机、交流感应异步直线电机在高速机床中应用较多。 （三）高速刀具系统 高速切削刀具直接决定高速切削的效益、质量和安全，是推广和实施高速切削技术的基础。 1、