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

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(gè)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(lái)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(fèi)用下降了至少40％。這個(gè)結(jié)論成為高速切削技術(shù)的理論基礎(chǔ)和動(dòng)力，隨后的研究是圍繞著如何提高刀具耐磨度，如何使機(jī)床的結(jié)構(gòu)、主軸和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能滿足高速切削技術(shù)的要求而進(jìn)行的。

高速切削技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室階段走向生產(chǎn)，是一個(gè)系統(tǒng)工程。它需要各個(gè)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(jī)床無(wú)疑對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程起著決定性作用。以銑削機(jī)床為例，高速銑削加工中心與普通加工中心相比，在機(jī)床結(jié)構(gòu)、切削主軸、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置、冷卻和潤(rùn)滑方式、安全防護(hù)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(jī)床振動(dòng)


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(duì)機(jī)床剛性和抗振性的要求降低。因?yàn)橛筛哳l主軸引起的機(jī)床共振則成了加工的大敵，同時(shí)高速加工中各進(jìn)給軸的高移動(dòng)速度，也使得各移動(dòng)部件對(duì)床身的沖擊力加大。因此，高速銑削機(jī)床應(yīng)采用盡可能對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，使機(jī)床的固有振動(dòng)頻率降至最小。同時(shí)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(jī)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(jì)中盡可能減小各移動(dòng)部件的重量以減小移動(dòng)慣量，從而獲得最佳的加工精度。

高速機(jī)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(dòng)方式和軸承材料是技術(shù)中的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，目前高速主軸通常采用整體電機(jī)主軸，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與主軸的輸出軸通過(guò)過(guò)盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，從而保證高轉(zhuǎn)速下主軸良好的動(dòng)平衡。主軸軸承采用復(fù)合陶瓷球軸承，并采用高壓油/氣動(dòng)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。電機(jī)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(jī)主軸通過(guò)主軸外部的冷卻水套來(lái)對(duì)電機(jī)線圈及軸承外圈進(jìn)行冷卻。主軸冷卻水采用循環(huán)冷卻方式，并有單獨(dú)的制冷單元和電子調(diào)溫裝置，使得主軸在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能保持溫度的恒定。對(duì)于不能充分冷卻的部位，比如電機(jī)主軸法蘭盤的位置，還放置了溫度傳感器，通過(guò)電子熱補(bǔ)償軟件來(lái)補(bǔ)償溫度變化造成的誤差。

離心力對(duì)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(shí)，錐柄受切削力的影響會(huì)向上竄動(dòng)，從而造成刀尖位置改變，并可能在停機(jī)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(jì)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(shí)定位，有效防止了軸向的竄動(dòng)，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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)熱膨脹和離心力所帶來(lái)的刀尖漂移，而這種漂移造成的誤差可達(dá)20µm，消除這一誤差的最直接的辦法是采用動(dòng)態(tài)測(cè)刀裝置，對(duì)切削轉(zhuǎn)速下刀尖的具體長(zhǎng)度進(jìn)行直接測(cè)量。所以米克朗公司的HSM系列高速銑削加工中心將機(jī)上激光對(duì)刀裝置作為標(biāo)準(zhǔn)配置提供。

高速機(jī)床中的“高速”是指切削線速度，反映在機(jī)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(lái)看看下面的公式：

主軸轉(zhuǎn)速：n＝Vc/(D*π)

進(jìn)給速度：Vf=fz*z*n；

將n代入上式，得出進(jìn)給速度

Vf＝fz*z*Vc/(d*π)


可以看出，在選定了刀具的情況下，進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速成正比。因此高速機(jī)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(jìn)給速度。

我們?cè)賮?lái)看看進(jìn)給加速度的關(guān)系：



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

由此可以得出結(jié)論：高進(jìn)給速度要求高加速度。

如果一臺(tái)高速機(jī)床沒有足夠高的進(jìn)給加速度，它將無(wú)法進(jìn)行高精度高表面質(zhì)量的復(fù)雜曲面輪廓加工，因?yàn)樗鼰o(wú)法勝任加工復(fù)雜曲面時(shí)根據(jù)不同的曲率半徑不斷地調(diào)整進(jìn)給速度的需要。那如何提高機(jī)床的進(jìn)給速度和加速度呢？由于近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直線電機(jī)價(jià)格昂貴、控制系統(tǒng)復(fù)雜、磁力吸引切屑等缺點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)很難普及，所以目前大部分機(jī)床的進(jìn)繪系統(tǒng)還采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式。為了達(dá)到高速驅(qū)動(dòng)目的，設(shè)計(jì)時(shí)在提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，使用大導(dǎo)程的滾珠絲杠副，從而使進(jìn)給速度達(dá)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(dòng)方式，經(jīng)合理的預(yù)緊后，可在保證定位精度的前提下實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度40m/min，加速度可達(dá)每軸1g(10m/s²)即空間加速度1.7g。

在高速加工時(shí)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(rèn)為切削液是取得良好的加工表面、提高對(duì)具壽命的必要手段�？墒茄芯亢蛯�(shí)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(huì)更高。

在銑削主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削液若要達(dá)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(jìn)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(shí)切削液會(huì)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(jī)床在轉(zhuǎn)速達(dá)到20,000r/min以上時(shí)，均建議用戶采用油/氣冷卻潤(rùn)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(shí)經(jīng)霧化的潤(rùn)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(hù)膜，可有效地延長(zhǎng)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(shí)，您就會(huì)理解安全防護(hù)對(duì)于一臺(tái)高速機(jī)床是多么的重要。因此米克朗的高速機(jī)床均采取各種防護(hù)措施，比如在操作門打開時(shí)主軸無(wú)法啟動(dòng)，各進(jìn)給軸及主軸都有防碰撞裝置等。同時(shí)機(jī)床外罩全部采用雙層鋼板防護(hù)置，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)20,000r/min時(shí)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(shí)，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(jī)床加工相比，程序量要大得多，因此程序的傳輸和儲(chǔ)存是機(jī)床執(zhí)行程序的前提。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)TCP/IP通訊協(xié)議進(jìn)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(zhǎng)距離傳輸?shù)目垢蓴_能力要大得多。米克朗高速加工機(jī)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(chǔ)量。



總之，一臺(tái)優(yōu)秀的高速加工機(jī)床，應(yīng)是一個(gè)完善的加工方案的體現(xiàn)。以上幾點(diǎn)僅是一些大的框架，還有一些細(xì)節(jié)的部分比如油霧吸收過(guò)濾裝置、除塵裝置、紅外工件測(cè)頭等的附件的配備，對(duì)干某些零件的加工也是必不可少的。所以，認(rèn)真地閱讀機(jī)床的介紹資料，確認(rèn)它的結(jié)構(gòu)及各功能部件是否符合高速加工機(jī)床的特點(diǎn)，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(shí)踐后總結(jié)的銑削不同材料的工件時(shí)主軸的轉(zhuǎn)速范圍，或許對(duì)用戶選擇主軸轉(zhuǎn)速有所幫助。

在用戶選擇高速銑床時(shí)，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(duì)于大多數(shù)用戶來(lái)講，高速切削是一個(gè)全新的技術(shù)，從對(duì)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(jī)床制造的先鋒，在設(shè)計(jì)制造高速銑床之初就參與高速應(yīng)用的研究，在其銷售機(jī)床之時(shí)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(guó)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(tái)主軸轉(zhuǎn)速為42,000r/min的高速銑削加工中心和一臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min的5軸聯(lián)動(dòng)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(shì)，將最先進(jìn)的高速切削技術(shù)介紹給中國(guó)的用戶。同時(shí)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(jī)床的同時(shí)提供高速刀柄和刃具的配套解決方案。