近些年以來，高速切削已經(jīng)確立了其自身作為替代傳統(tǒng)加工方法或補(bǔ)充技術(shù)的地位呐猴，比如替代傳統(tǒng)銑削或電火花成形工藝湘都。然而肠祭，經(jīng)驗(yàn)表明，多年以來一直認(rèn)為是具有現(xiàn)代工藝水平的發(fā)動機(jī)和齒輪箱制造工藝或整體部件的制造技術(shù)旱唧，并不能簡單地轉(zhuǎn)化到工模具的制造當(dāng)中螺啤。如今工件的幾何形狀和材料每天都在變化，要求的交貨期越來越短恤鞭，還對加工精度淌踢、表面質(zhì)量和柔性提出了要求，這些都與以前對大批量生產(chǎn)的要求不同牧愁。另一方面素邪，高速加工的效率是如此令人難忘，任何一家制造廠都不會錯過對高速銑削技術(shù)的關(guān)注猪半。高速切削技術(shù)越來越多地應(yīng)用到了模具生產(chǎn)兔朦、精密復(fù)雜零件的小批量生產(chǎn)、以及其它應(yīng)用中磨确。生產(chǎn)管理者已經(jīng)逐漸意識到這一工藝可以成功有效地加以利用沽甥。

　　對高速切削加工中心的要求

　　對高速銑床部件的要求，一方面應(yīng)從最終用戶的角度進(jìn)行定義乏奥，另一方面摆舟，應(yīng)從加工工藝角度定義。對于第二點(diǎn)邓了，尤其應(yīng)該加以注意恨诱。高速切削加工中心所需要關(guān)注的核心點(diǎn)是設(shè)備的動態(tài)特性 (結(jié)構(gòu)、驅(qū)動部件)骗炉、電主軸胡野、控制系統(tǒng)和自動化裝置等。

　　動態(tài)特性

　　高速切削加工中心的動態(tài)特性常常被簡化成加工速度和加速度能力找塌，事實(shí)上這種看法是不夠全面的。機(jī)床獲取大路徑切換值的動態(tài)特性至關(guān)重要困煤。路徑切換值越大鸥萌，所需的加工時間也就越短，刀具的使用壽命也越長技蝌。而獲得高動態(tài)性能的基礎(chǔ)是機(jī)床的各個部件應(yīng)該具有最佳阻尼特性壹霍，整個系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性。這些特性可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和選擇合適的機(jī)床材料來獲得伦窜。

　　比如近些年來發(fā)展的聚合物混凝土(人造大理石)床身建鹿，其減振效果比使用鑄鐵材料的床身大大提高了，阻尼特性是鑄鐵的10倍始坝。今天捍瘩，幾乎所有的高動態(tài)性能機(jī)床的制造商都用混凝土作為各種非移動結(jié)構(gòu)部件的材料，比如用于機(jī)床床身和橫梁。大動態(tài)特性的機(jī)床部件移動所產(chǎn)生的沖擊力被混凝土床身完全吸收了署弯。

　　相比之下分搞，當(dāng)制造像主軸箱這樣的移動部件時，鑄鐵材料的耐壓和耐拉強(qiáng)度就更有優(yōu)勢一些荚坞。鑄鐵材料可以用于制造具有優(yōu)異強(qiáng)度和穩(wěn)定性的較輕的部件挑宠。與傳統(tǒng)銑削機(jī)床相比較，高速銑床上的移動部件的質(zhì)量降低了三到五倍颓影。

　　笛卡爾機(jī)床運(yùn)動學(xué)的另一個原理就是各淀，盡可能的將切削力分配在工件和刀具上。一方面要考慮工件的重量诡挂，另一方面還要考慮主軸的重量碎浇，目標(biāo)就是盡量達(dá)到質(zhì)量平衡關(guān)系。圖1顯示了一臺用于加工中等重量工件的機(jī)床咆畏，機(jī)床設(shè)計時就特別考慮到了這一特殊要求南捂。在此情況下，分布在工具側(cè)的質(zhì)量和分布在工件側(cè)的質(zhì)量大小相等旧找。在這種特殊情況下溺健，就可保證Y-軸的動態(tài)特性在相當(dāng)大程度上與X軸的動態(tài)特性一致。

　　今天钮蛛，人們對5軸高性能鞭缭、高速加工的興趣與日俱增。就高速加工產(chǎn)生的背景來看轮砸，機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和旋轉(zhuǎn)擺動工作臺的驅(qū)動方式關(guān)系密切南链。常規(guī)的蝸輪蝸桿驅(qū)動的圓形旋轉(zhuǎn)工作臺，其動態(tài)特性無法滿足五軸聯(lián)動高速切削的要求应胎。而采用直接驅(qū)動技術(shù)的旋轉(zhuǎn)工作臺可以提供與線性軸相匹配的進(jìn)給轉(zhuǎn)速和加速度衡服，甚至提供優(yōu)于線性軸性能的參數(shù)。采用直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺的另一個好處就是驅(qū)動裝置中沒有了易損件而逞。因此免砖，具有顯著加工效率的五軸聯(lián)動高速加工就實(shí)現(xiàn)了。

　　高速加工的一個基本動態(tài)特性是能夠以最快的速度達(dá)到程序中設(shè)定的進(jìn)給速度黄骇。為此需要的加速度和切換值由大功率數(shù)字驅(qū)動裝置提供纸赦。實(shí)現(xiàn)高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度既可以通過大螺距滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)配　合實(shí)現(xiàn)，也可以由線性電機(jī)直接提供倒奋。最終選擇哪一種驅(qū)動方式醇电，只有通過實(shí)踐來證明。事實(shí)上兩種不同的驅(qū)動方式都各有其利弊翰鲸。采用何種技術(shù)方式复答、進(jìn)給速度相速、加速度和切換值仍然要服從于改善零件加工精度的要求，目前市場上并沒有用直線電機(jī)技術(shù)替代已經(jīng)很成熟的滾珠絲杠技術(shù)的緊迫要求霹陡。

　　對于以球形循環(huán)為基礎(chǔ)的各種設(shè)計和蚪，包括滾珠絲杠和帶有滾動滑塊的線性導(dǎo)軌，初始的預(yù)緊力相當(dāng)重要烹棉。只有采用合適的預(yù)緊力攒霹，驅(qū)動系統(tǒng)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，此時的系統(tǒng)穩(wěn)定性最大浆洗、磨損量最小催束、產(chǎn)生的熱量最小。另外滾珠絲杠需要兩端固定伏社。

　　對于中小型機(jī)床抠刺，線性導(dǎo)軌采用集中布局，其間距越遠(yuǎn)越好摘昌。為了達(dá)到更好的檢測效果速妖，線性光柵尺也應(yīng)安裝在線性導(dǎo)軌之間，而且盡量靠近加工點(diǎn)聪黎。首先索王，這種集中布局提供了一定程度的保護(hù)，可防止被污染船白；第二对番，進(jìn)給速度被對稱地傳遞給線性導(dǎo)軌，而且實(shí)際記錄的位置就是被加工的位置蒙敦。為了更準(zhǔn)確地記錄位置和速度每缎，就要使用包括高精度旋轉(zhuǎn)編碼器和線性測量裝置在內(nèi)的雙反饋系統(tǒng)。

　　電主軸

　　現(xiàn)代高速加工的電主軸的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速大屏烂、使用現(xiàn)代的軸承材料燃圾、整體冷卻回路和HSK錐柄。電主軸上裝有集成電路傳感器巾割，可以記錄任何振動現(xiàn)象砰洗，而且可以計算電主軸的熱特性，利用智能運(yùn)算法則進(jìn)行補(bǔ)償缺员。

　　大功率電主軸采用矢量控制技術(shù)，也就是由閉合控制回路控制器谦，可以精確地定位角位置弯囊。與傳統(tǒng)的開環(huán)控制回路驅(qū)動的電主軸相比，這種方法提供了一些非常有用的優(yōu)勢胶果。首先匾嘱，可以充分利用整個轉(zhuǎn)速范圍斤斧，從50 - 200r/min一直到最大轉(zhuǎn)速，而且在低轉(zhuǎn)速時獲得大的切削扭矩霎烙。這樣就可以用20,000 rpm以上的高速主軸完成某些條件下的螺紋切削撬讽，并可使用大直徑刀具進(jìn)行銑削加工。

　　混合陶瓷軸承是由淬硬鋼制成的軸承內(nèi)外圈和復(fù)合陶瓷制成的滾珠組成的悬垃，與傳統(tǒng)的鋼珠軸承相比游昼，軸承的剛性和耐磨性提高了，提高了回轉(zhuǎn)精度并增強(qiáng)了溫度的穩(wěn)定性尝蠕。假若沒有這種軸承烘豌，現(xiàn)代電主軸的使用壽命將不可想象。通過軸承外圈直接噴入的油氣混合物保證了最優(yōu)化的潤滑和極長的使用壽命看彼。相比之下廊佩，間接噴入油氣混合物的方法則相當(dāng)不可靠，因?yàn)樵诨旌狭黧w通過軸承罩時靖榕，會產(chǎn)生空氣湍流現(xiàn)象痴坦。

　　主軸鼻端和刀柄的HSK接口現(xiàn)在已經(jīng)確立了其在高速加工中的作用。由于此種結(jié)構(gòu)大大提高了刀柄的連接剛性翎襟，因此它顯著地提高了加工精度遏谭。通過測試SK40和HSK-A63承受徑向力的能力，發(fā)現(xiàn)HSK接口的徑向擾動是SK40的一半企棘。其軸向伸長比SK接口降低了約一半凝顿。

　　所有高速主軸共有的一個問題是高速轉(zhuǎn)動時的發(fā)熱問題。設(shè)計上采取的措施是將主軸軸承盡量靠近主軸鼻端安裝射传，主軸發(fā)熱造成的伸長被傳遞到了后部菌菇，也就是非重要的方向上。如果熱量傳遞到機(jī)床的其它部件上時域曼，比如主軸溜板或刀柄上浪顽，就會對工件的加工精度產(chǎn)生影響。解決這個問題既要靠機(jī)床操作人員俱篡，又要依賴機(jī)床制造商东悔，因?yàn)椴僮魅藛T可以通過有效的系統(tǒng)程序來控制這種影響；而機(jī)床制造商可以通過相應(yīng)的傳感器和控制系統(tǒng)提供的運(yùn)算法則來計算位移數(shù)值颤枪。很明顯汗捡，后一種方案是用戶友好的，因此更具優(yōu)越性畏纲。然而在此應(yīng)該指出扇住，在高速加工過程中，優(yōu)異的加工精度是操作人員和系統(tǒng)交互作用的結(jié)果盗胀，因?yàn)閷崃繉Φ毒唛L度的影響進(jìn)行溫度補(bǔ)償時艘蹋，系統(tǒng)的工作方法是不可或缺的锄贼。在此，機(jī)床制造商增加一些必要的輔助手段也是非常重要的女阀，比如增加自動激光刀具測量裝置等宅荤。

　　振動對主軸軸承的有效使用壽命、刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量都有負(fù)面的影響浸策，所以應(yīng)盡一切努力避免這種事情的發(fā)生冯键。為此目的，米克朗的電主軸上都裝了振動傳感器的榛，用于記錄加工過程實(shí)時的振動情況琼了。這些測量裝置測量到的有關(guān)加工過程的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)控系統(tǒng)顯示，操作人員就可利用這些數(shù)據(jù)對加工過程進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化仔同，比如键切，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度、測試各種銑床的加工效果圃靖、確定重要的加工方法和進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷牡鹊取?/p>

　　控制系統(tǒng)

　　最近幾年以來龙喂，控制系統(tǒng)技術(shù)有了很大進(jìn)步。特別是在五軸聯(lián)動高速加工時榛蜻，最有意義的方面是大大降低了程序塊處理時間秧梨。這一具有現(xiàn)代工藝水平的控制技術(shù)包括用以平衡高速加工中經(jīng)常發(fā)生的熱偏移的補(bǔ)償運(yùn)算法則、高性能的程序段前瞻能力盅力、控制系統(tǒng)中機(jī)床硬件的優(yōu)化模型妻行、集成的機(jī)床故障自診斷功能和以優(yōu)化的機(jī)床動態(tài)特性為基礎(chǔ)的加工精度智能控制系統(tǒng)。

　　很顯然按任，程序段的處理時間越短越好汉疮。由于沒有明確的指導(dǎo)原則統(tǒng)一定義這個時間，所以不同控制系統(tǒng)制造商的程序段處理時間不能簡單地相互比較杠滓。一般而言丛剿，每一行數(shù)控程序中移動的軸的數(shù)量起主要作用。每個數(shù)控程序輔助指令的集合臊岸，比如輔助功能橙数、轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度等，都或多或少地影響了程序段的處理時間帅戒。其中一個主要的影響就是在進(jìn)行5軸聯(lián)動加工時灯帮，由于進(jìn)行了坐標(biāo)軸變換或旋轉(zhuǎn)軸偏差計算而引起的。機(jī)床能夠一直做連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)逻住，而不受沖擊和不流暢運(yùn)動的影響施流，這一點(diǎn)非常重要。而引起這一切的原因是數(shù)據(jù)計算不完全，即所謂的“數(shù)據(jù)饑餓”瞪醋。

　　高速加工機(jī)床上的熱漂移影響是不可避免的，并可在最終用戶期望的范圍以內(nèi)装诡，采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行補(bǔ)償银受。在此，可以使用基于傳感器或軟件的系統(tǒng)鸦采”鑫。基于軟件的系統(tǒng)有著一定的優(yōu)勢，更加適合于補(bǔ)償綜合誤差蜗南；而基于傳感器的系統(tǒng)通常只能記錄一個部件的漂移叭蜂，比如，主軸鼻端相對于Z軸溜板的漂移饰测。用不同系統(tǒng)對溫度變化引起的漂移的補(bǔ)償結(jié)果唬研， 并與沒有進(jìn)行補(bǔ)償情況下的負(fù)載曲線進(jìn)行比較，負(fù)載曲線中包括不同轉(zhuǎn)速的影響靡庵、刀具的影響和托盤交換以及故障停機(jī)時間的影響尼削。

　　沒有功能強(qiáng)大的前瞻功能，高速加工將是不可想象的事燕汗。前瞻功能可以：

　　保持最佳的軸進(jìn)給速度静瞄；

　　保持最佳的進(jìn)給加速度；

　　保持最佳的路徑變換枣惨；

　　識別拐角蓄惫，及時降速；

　　保持規(guī)定的動態(tài)精度曲線邮敛； 　　

　　及時降速萨驶、使加工速度不超過機(jī)床的運(yùn)行特性范圍。

　　有一種流行但錯誤的看法蒋搜，認(rèn)為有最大程序預(yù)處理能力的前瞻功能是一種優(yōu)勢篡撵。但事實(shí)上，實(shí)際的程序段預(yù)處理能力是由前瞻功能和高速銑削加工中心的動態(tài)特性共同決定的豆挽。前瞻功能必須能夠調(diào)節(jié)機(jī)床的動態(tài)特性育谬，以便保證：機(jī)床永不過載運(yùn)行；始終保持工件的加工質(zhì)量帮哈。

　　機(jī)床的動態(tài)性能越大膛檀，則控制系統(tǒng)中的機(jī)床特性模型也就越準(zhǔn)確，需要前瞻功能進(jìn)行預(yù)處理的程序段也就越少娘侍。 通常使用預(yù)處理大量程序段所產(chǎn)生的最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是咖刃，無法選擇干預(yù)處理進(jìn)程，人工調(diào)節(jié)進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速；因?yàn)楸活A(yù)先處理過的程序儲存在緩沖器中嚎杨，不能進(jìn)行存取和進(jìn)行人工調(diào)節(jié)操作花鹅。

　　有效的速度、加速度穩(wěn)定功能和輪廓轉(zhuǎn)換枫浙，是高速加工控制系統(tǒng)的另外一個重要特點(diǎn)呐缸。用同一臺機(jī)床加工，平滑的輪廓加工施加在機(jī)床和電子設(shè)備上的傾斜壓力就小尼缨，因而可以提高最大加速度值和移動速度疫谱。反之，不平滑的輪廓就達(dá)不到這些综货。

　　故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能可以直接組合到控制系統(tǒng)中嚣惭，也可以用外部設(shè)備簡單地實(shí)現(xiàn)這一功能。這些功能都是獲得機(jī)床最大利用率的先決條件螃势，特別是在與自動化設(shè)備連接時更是如此罕擒。

　　最近的發(fā)展趨勢是，利用集成傳感器(自適應(yīng)控制)探測到的數(shù)據(jù)尼软，通過專門的技術(shù)熄晕，主動地干預(yù)加工過程。

　　例如便透，可以根據(jù)加工要素的優(yōu)先等級或根據(jù)工件的重量或刀具路徑的復(fù)雜度來優(yōu)化加工過程尔网。數(shù)據(jù)由操作人員輸入，并由內(nèi)部的控制系統(tǒng)使用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)航厚，使其適應(yīng)特殊的加工應(yīng)用顷歌。這樣就可縮短加工時間、提高表面光潔度和零件的加工精度幔睬。

　　自動化加工

　　在西方工業(yè)國家中眯漩，自動化系統(tǒng)常被用于補(bǔ)償那些投資和工資水平較高的項(xiàng)目。一個便于與外部或集成的自動化系統(tǒng)連接的接口顯得越來越重要麻顶。同時赦抖，對自動化系統(tǒng)的要求就產(chǎn)生了對有效的切屑處理、適當(dāng)?shù)膿Q刀能力辅肾、托盤系統(tǒng)以及最重要的對生產(chǎn)環(huán)境區(qū)管理的要求队萤。

　　自動換刀裝置是所有加工中心的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，刀庫的容量經(jīng)常略顯不足矫钓。所以至少應(yīng)提供具有擴(kuò)大刀庫容量的換刀裝置以供選擇要尔。

　　如果水平面上沒有能收集切屑的位置，則為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的切屑處理要求新娜，就需要一個加工空間以容納落下的切屑赵辕，以便對切屑進(jìn)行自動化處理。根據(jù)要加工的材料類型和應(yīng)用的具體情況，在高速加工時膘掀，一般應(yīng)使用壓縮空氣或冷卻液體潤滑脂以及少量的潤滑油進(jìn)行冷卻和潤滑殿腺。機(jī)床上應(yīng)安裝必要的冷卻液和潤滑液處理所需的一切裝置，以便對其干凈有效地處理既倾。

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