高速切削技術(shù)在近年來變成
了一個熱門的話題，人們被洶涌而來的高速切削概念沖擊著。面對著機床展上不同品牌的高速機床，您可能既興奮又猶豫：我該怎么去識別這些機床，是否能真正滿足高速切削的要來呢？高速切削＝高速主軸嗎？根據(jù)米克朗公司多年進行高速銑削技術(shù)研究以及高速加工機床制造的經(jīng)驗，我們一起來看一看何謂高速切削技術(shù)，它對高速加工機床有哪些要來。

早在70年前，就有人開始研究高速切削技術(shù)。直至20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們才得出了一個結(jié)論：隨著切削速度的提高，切削力先是增加，隨后急劇下降。刀具的磨損則始終隨著切削速度的提高而增加。高速切削所帶來的效率和工件表面質(zhì)量的顯著提高使得工件加工的總費用下降了至少40％。這個結(jié)論成為高速切削技術(shù)的理論基礎(chǔ)和動力，隨后的研究是圍繞著如何提高刀具耐磨度，如何使機床的結(jié)構(gòu)、主軸和驅(qū)動控制系統(tǒng)能滿足高速切削技術(shù)的要求而進行的。

高速切削技術(shù)從實驗室階段走向生產(chǎn)，是一個系統(tǒng)工程。它需要各個方面的配合以形成完整的高速切削工藝(圖1)。

在各環(huán)節(jié)中，高速加工機床無疑對整個工藝過程起著決定性作用。以銑削機床為例，高速銑削加工中心與普通加工中心相比，在機床結(jié)構(gòu)、切削主軸、進給驅(qū)動裝置、冷卻和潤滑方式、安全防護以及數(shù)控系統(tǒng)等方面都要與其高速性能相匹配。


盡可能降低機床振動


按照高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)理論，隨著主軸轉(zhuǎn)速的大幅度提高，切削力將迅速減小。但這并不意味著對機床剛性和抗振性的要求降低。因為由高頻主軸引起的機床共振則成了加工的大敵，同時高速加工中各進給軸的高移動速度，也使得各移動部件對床身的沖擊力加大。因此，高速銑削機床應(yīng)采用盡可能對稱的結(jié)構(gòu)形式，使機床的固有振動頻率降至最小。同時應(yīng)采用受力封閉的結(jié)構(gòu)形式，如龍門式或封閉龍門框架結(jié)構(gòu)，增加機床的耐沖擊性和抗振性。瑞士米克朗公司研制生產(chǎn)的 HSM系列和 VCP/UCP系列高速銑削加工中心均采用龍門式或封閉龍門框架床身結(jié)構(gòu)，并逐漸采用抗振性及熱穩(wěn)定性均優(yōu)于鑄鐵的混凝土聚合物(人造花崗巖)作為床身材料。在部件設(shè)計中盡可能減小各移動部件的重量以減小移動慣量，從而獲得最佳的加工精度。

高速機床并不僅僅意味著高速主軸


高速主軸是高速銑床的核心部件，它的發(fā)展始終決定著高速銑床的發(fā)展。要提高主軸轉(zhuǎn)速，主軸的傳動方式和軸承材料是技術(shù)中的關(guān)鍵。經(jīng)過幾代的發(fā)展，目前高速主軸通常采用整體電機主軸，電機的轉(zhuǎn)子與主軸的輸出軸通過過盈配合來實現(xiàn)傳動，從而保證高轉(zhuǎn)速下主軸良好的動平衡。主軸軸承采用復(fù)合陶瓷球軸承，并采用高壓油/氣動軸承進行潤滑和冷卻。電機線圈產(chǎn)生的熱量是造成主軸熱膨脹和旋轉(zhuǎn)部件磨損的主要原因，必須設(shè)法消除。比如米克朗公司生產(chǎn)的高速電機主軸通過主軸外部的冷卻水套來對電機線圈及軸承外圈進行冷卻。主軸冷卻水采用循環(huán)冷卻方式，并有單獨的制冷單元和電子調(diào)溫裝置，使得主軸在連續(xù)運轉(zhuǎn)時能保持溫度的恒定。對于不能充分冷卻的部位，比如電機主軸法蘭盤的位置，還放置了溫度傳感器，通過電子熱補償軟件來補償溫度變化造成的誤差。

離心力對高速主軸造成的影響也是不容忽視的，傳統(tǒng)的ISO系列的錐柄型式已不再適應(yīng)高速加工的需要。ISO系列的錐柄在徑向和軸向均靠錐面定位，但當(dāng)離心力引起主軸內(nèi)錐孔脹大時，錐柄受切削力的影響會向上竄動，從而造成刀尖位置改變，并可能在停機后產(chǎn)生主軸抱死刀柄的現(xiàn)象。為了消除ISO錐柄在高速加工中的種種弊端，一種專為高速加工而設(shè)計的HSK刀柄正被各廠家廣泛應(yīng)用。這種短錐柄采用錐面和端面同時定位，有效防止了軸向的竄動，并提高了抵抗徑向切削力的能力。

所有這一切并不能百分之百地消除主軸高速運轉(zhuǎn)時熱膨脹和離心力所帶來的刀尖漂移，而這種漂移造成的誤差可達20µm，消除這一誤差的最直接的辦法是采用動態(tài)測刀裝置，對切削轉(zhuǎn)速下刀尖的具體長度進行直接測量。所以米克朗公司的HSM系列高速銑削加工中心將機上激光對刀裝置作為標(biāo)準(zhǔn)配置提供。

高速機床中的“高速”是指切削線速度，反映在機床上也就是主軸轉(zhuǎn)速。然而，僅僅提高主軸轉(zhuǎn)速，能滿足高速加工的需要嗎？讓我們來看看下面的公式：

主軸轉(zhuǎn)速：n＝Vc/(D*π)

進給速度：Vf=fz*z*n；

將n代入上式，得出進給速度

Vf＝fz*z*Vc/(d*π)


可以看出，在選定了刀具的情況下，進給速度與主軸轉(zhuǎn)速成正比。因此高速機床不僅要具備高的主軸轉(zhuǎn)速，也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高進給速度。

我們再來看看進給加速度的關(guān)系：



高速機床的行程通常在500～1,000mm之間，若在如此短的距離內(nèi)使機床進給速度從零增大到40m/min，則機床的進給加速度值應(yīng)達到1g(10m/s²)。在進行曲面輪廓加工時，進給加速度則更為重要，其與進給速度的關(guān)系如下(圖2)：

由此可以得出結(jié)論：高進給速度要求高加速度。

如果一臺高速機床沒有足夠高的進給加速度，它將無法進行高精度高表面質(zhì)量的復(fù)雜曲面輪廓加工，因為它無法勝任加工復(fù)雜曲面時根據(jù)不同的曲率半徑不斷地調(diào)整進給速度的需要。那如何提高機床的進給速度和加速度呢？由于近年來發(fā)展起來的直線電機價格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜、磁力吸引切屑等缺點，短時間內(nèi)很難普及，所以目前大部分機床的進繪系統(tǒng)還采用滾珠絲杠驅(qū)動方式。為了達到高速驅(qū)動目的，設(shè)計時在提高電機轉(zhuǎn)速的同時，使用大導(dǎo)程的滾珠絲杠副，從而使進給速度達到40-90m/min。米克朗的HSM系列高速銑就采用這種大導(dǎo)程的滾珠絲杠驅(qū)動方式，經(jīng)合理的預(yù)緊后，可在保證定位精度的前提下實現(xiàn)進給速度40m/min，加速度可達每軸1g(10m/s²)即空間加速度1.7g。

在高速加工時采用干式切削


在金屬加工行業(yè)使用切削液已經(jīng)形成習(xí)慣，大多數(shù)人認為切削液是取得良好的加工表面、提高對具壽命的必要手段。可是研究和實踐表明：由于今天的刀具材料有了很大的發(fā)展，情況也在不斷地變化。新的硬質(zhì)合金刃具特別是一些帶涂層的刃具，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率會更高。

在銑削主軸高速旋轉(zhuǎn)時，切削液若要達到切削區(qū)，首先要克服極大的離心力。即使它克服了離心力進入切削區(qū)，也可能由于切削區(qū)的高溫而立即蒸發(fā)了，它的冷卻效果很小甚至沒有。同時切削液會使刀具刃部的溫度激烈變化，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。因此米克朗公司的高速機床在轉(zhuǎn)速達到20,000r/min以上時，均建議用戶采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式。這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)產(chǎn)生的切屑，從而將大量的切削熱帶走。同時經(jīng)霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護膜，可有效地延長刀具壽命并提高零件的表面質(zhì)量。

充分考慮加工安全性


當(dāng)您想到高速切削中的切屑將像子彈一樣射出時，您就會理解安全防護對于一臺高速機床是多么的重要。因此米克朗的高速機床均采取各種防護措施，比如在操作門打開時主軸無法啟動，各進給軸及主軸都有防碰撞裝置等。同時機床外罩全部采用雙層鋼板防護置，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過20,000r/min時采用防彈玻璃視窗，充分考慮了操作的安全性。

CNC采用以太網(wǎng)通訊


高速加工，尤其用高速切削技術(shù)銑削3維曲面時，刀具路徑和切削參數(shù)的選擇至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的數(shù)控機床加工相比，程序量要大得多，因此程序的傳輸和儲存是機床執(zhí)行程序的前提。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過TCP/IP通訊協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通訊的以太網(wǎng)是目前較普及的網(wǎng)絡(luò)方式。它的程序傳輸速度較RS232接口要提高幾百倍，而且長距離傳輸?shù)目垢蓴_能力要大得多。米克朗高速加工機床的數(shù)控系統(tǒng)均可采用以太網(wǎng)通訊，并均配有大硬盤以加大程序的存儲量。



總之，一臺優(yōu)秀的高速加工機床，應(yīng)是一個完善的加工方案的體現(xiàn)。以上幾點僅是一些大的框架，還有一些細節(jié)的部分比如油霧吸收過濾裝置、除塵裝置、紅外工件測頭等的附件的配備，對干某些零件的加工也是必不可少的。所以，認真地閱讀機床的介紹資料，確認它的結(jié)構(gòu)及各功能部件是否符合高速加工機床的特點，并根據(jù)需要加工的工件材料選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速，這樣才能買到物有所值的高速銑床。圖3為米克朗經(jīng)多年實踐后總結(jié)的銑削不同材料的工件時主軸的轉(zhuǎn)速范圍，或許對用戶選擇主軸轉(zhuǎn)速有所幫助。

在用戶選擇高速銑床時，除了考慮其硬件設(shè)備的性能，其銷售商所能提供的應(yīng)用支持服務(wù)也至關(guān)重要。對于大多數(shù)用戶來講，高速切削是一個全新的技術(shù)，從對夾具的選擇到切削參數(shù)的確定都不同于傳統(tǒng)加工，因此米克朗公司作為高速銑削機床制造的先鋒，在設(shè)計制造高速銑床之初就參與高速應(yīng)用的研究，在其銷售機床之時能將其整套的加工方案提供給用戶，使其產(chǎn)品在用戶手中能發(fā)揮最大的作用。米克朗中國有限公司還在上海外高橋保稅區(qū)設(shè)立了應(yīng)用培訓(xùn)中心，配置了兩臺主軸轉(zhuǎn)速為42,000r/min的高速銑削加工中心和一臺主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min的5軸聯(lián)動高速加工中心，我們將借助米克朗瑞士總部的技術(shù)優(yōu)勢，將最先進的高速切削技術(shù)介紹給中國的用戶。同時米克朗公司還與世界知名的高速刀具制造商Schaublin和 Fraisa合作，在為用戶提供高速機床的同時提供高速刀柄和刃具的配套解決方案。