[转载]高速铣削技术的发展(1)

joyrus

    高速切削加工是提高生产率的众多途径之一。为了提高数控加工的效率，目前国外许多飞机厂和发动机厂已采用高速切削加工来制造航空零部件，如长的铝合金零件、薄层腹板件、模具、钛合金零件等。我们所指高速加工是高速主轴、高速进给和先进的控制软件。

    目前，国外在高速切削加工方面除了进行工艺研究外，还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC控制系统及软件等。

工艺特性
　　飞机关键零件形状的复杂性使高速加工越来越受到重视。高速加工尤其适用于轻合金和复合材料，95%的能量由切屑带走，从而使零件的温度不会很高。事实上铣刀切削金属没有对它施加内应力，因此它优于一般的加工。目前的铣切类型包括端铣、面铣、模具铣。高速铣削转轴速度目前一般在40000~50000rpm，这是精密加工的主轴和先进的切削材料的安全应用范围。但单纯的主轴速度提高，并不能完成高速切削，还要求高速进给轴（减少加工时间和非加工时间）；机床坐标轴具有1~5g加速度及高刚性和固有频率；先进控制器；先进的零件编程等。这就是说精密高速加工成功与否取决于技术链：机床-主轴-工夹-刀具-刀片，这些与设计和制造同等重要。

　　当然，高的切削速度对切屑量、切削表面质量、切削力和刀具寿命都有极大的影响。图1中显示了高速加工时这些因素的相互影响。

　　对面铣来说，衡量其性能的指标有：高切割速度、高切屑载荷、高刀屑排放、表面平整度、表面无毛刺、可预见的表面光洁度。要满足这些性能指标，对技术链上的每个环节都提出具体的要求。

对机床的要求
　　数控机床的设计及装置的变化使高速加工技术得到了发展，高速加工的机床要满足以下条件：配备结构紧凑的高速主轴、机床的功率要求足够大、机床主轴加速度大、高速进给滚珠丝杠、高速高精度插补系统、快速响应数控系统和高精度的伺服系统以及实心的台架、刚性的龙门框架，且基体材料选择聚合混凝土，使机床的结构振动衰减作用是铸铁或纯焊接钢结构的8倍。由于减少振动，使马达的热稳定性提高。

　　特别要指出的是，在高速加工中，线性马达的采用使高速加工技术出现了巨大的进步。这是因为原来使用的回转马达不仅对最大旋转速度有一个限定，并且齿轮减速器增加了惯性并降低了效率，另外，电机的联轴器还会出现扭曲变形、偏移和迟滞现象，在加速和减速期间会发生损坏。而且，当机床装置出现磨损时，一旦设计使用回转电机就不能再进行调整。原使用的丝杠驱动电机本身受它的长度、机械偏移、摩擦、扭曲、螺距周期性误差、联轴节对马达的惯性以及螺丝的轴向压力等限制，这些都限制了加工效率和精密性。

　　而直接驱动的线性马达可提高加工质量并极大减化了结构，而且很容易达到高的加工速度，且能提供恒定的速率，变化不超过0.01%。即使达到10g的加速度也非难事，而其他驱动马达加速度最多达1g。线性马达的准确度不受机械系统的限制，无行程限制，能维持良好的平面度和直线度，当与适当的反馈装置耦合时可达到亚微米准确度。此外，线性马达需要的润滑油也少，这意味着马达的寿命更长，更洁净。

　　使用线性马达要求使用大量的先进制造设备。例如，底座要比一般的驱动系统重，以承受高的加速度及振动。由于轴重量轻且是刚性的，因此必须对固有频率和外部振动进行控制，采用更耐用并具有预加载轴承特点的线性轴承，其设计可承受高加速度和高速率。

　　另外无振动铣削要求机床具有高的动态刚度。主轴和刀具所产生的振动频率在10~40Hz时必须考虑动态刚度。

对主轴的要求
　　航空航天工业铝合金零件的高速加工需要发展新的主轴技术。主轴速度目前已达到40000~50000rpm，高速主轴可极大减小轴向推力（大约30%~60%）并减小工件变形。而主轴的速度是否能够提高主要是受轴承零件的限制。国外已经投入了大量时间和资金对不同类型的轴承、轴承分布及预加载方式对主轴速度的影响进行测试，试图在最高转速下选用最大的轴承。这是因为在加工结构件时，为了提高效率，希望使用功率大的电机以期达到高的金属去除率，去除率与功率直接相关。但功率大必定造成电机大，大的电机又引起大传动轴和刀具系统，这样造成大的轴承，而大轴承必定导致主轴速度低。如何能在选用小轴承的同时又达到主轴的高速要求一直是该领域的研究方向。

　　目前国外高速加工主轴主要为异步电机驱动的滚珠轴承主轴。图2中显示了完美的主轴设计。

　　其主轴的特点是与滚珠轴承以精密斜角接触，轴承滚珠为陶瓷材料，称为混合式轴承。该轴承通过液压或弹簧预加载。这样设计避免由于传动轴热量增大引起轴向载荷过大造成热量扩散到电机和轴承上。润滑油可采用雾化注油和喷射注油。为了防止热量扩散到电机上，电机的定子需要一个水冷外套。

　　由于高速铣削时轴承直径相对较小，也就是说轴承的径向承载能力下降，因此要延长使用寿命，必须使轴承载荷低于疲劳载荷极限。一个滚珠轴承结构可允许的旋转速度是由尺寸、类型、主轴设计和润滑剂确定的。主轴的承载能力与刀尖与轴承的距离有关。主轴卡盘的最大旋转速度受轴承的n×dm值（旋转速度与平均轴承直径的乘积）、传动轴的动态特性及转子的最大线速度限制。

　　此外，在高速加工时要避免颤振，就要使传动轴直径大且前后轴承距离缩短。轴承间传动轴的直径是由转子的最大内径决定的。转子的外径受最大的线速度限定。异步电机标准转子线速度为120m/s，有的可达150~200m/s。转子直径大可满足某些动力要求。永磁电机有潜力提供更高的主轴转速，可使线速度达270m/s。但目前还在试验阶段。此外，永磁电机显示了在转子上较低热扩散的优点，因此传动轴热量增加小，因此它具有实现大功率、高速主轴的潜力，但仍然在试验阶段。