数控高速加工之关键技术剖析

　　同“旋转伺服电机+滚珠丝杠”传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下优点：（1）高速度，目前最大进给速度可达100～200m/min；（2）高加速度，可达2～10g（g=9.8m/s）；  （3）定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0，但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为0，最高定位精度可达0.1～0.01m；（4）行程不受限制，由于直线电机的次级（定子）可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。

　　直线电机进给系统是一种能将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间传动环节的驱动装置。它的应用将传统的回转运动转变为直线运动，因此机床的速度、加速度、刚度、动态性能可得到完全改观，通过采用数字控制技术，直线电机可以利用大增益，提高控制效果，使得高速移动的伺服滞后量减小，从而获得高的定位精度，有效地克服了传统旋转电机进行驱动时，机械传动机构传动链较长、体积大、效率低、能耗高、精度差等缺点。

　　3.4 高性能刀具系统

　　在高速切削中，其失效形式根据加工的条件及工件材料不同而完全不同。比如有刀尖破碎，前、后刀面同时磨损，刀杆折断等各种形式，并且不同的刀具与不同的工件材料组合产生的效果也不一样。如何选择合理的高速切削刀具，尽可能延长刀具使用寿命，以及最大限度地发挥刀具的性能，对高速切削应用来说是一项十分关键的技术。为了适应高速切削，刀具材料耐磨性能要好，在干式切削高温条件下切削性能稳定。目前高速切削刀具材料主要有涂层硬质合金、金属基陶瓷、氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等。

　　在机床主轴—夹头—刀具系统中，刀具和夹具的不对称形状、系统构件的连接间隙和夹紧的不精确、主轴的圆跳动和磨损、主轴刀具拉紧机构中拉杆—碟形弹簧的偏移、冷却润滑液的影响等都会造成刀具系统的不平衡。在高速加工过程中，刀具的一点点不平衡都会产生较大的离心力，严重影响主轴的正常运行。

　　针对这种情况，需采取以下措施：（1）制定动平衡标准。目前已有国际标准IS01940规定了动平衡的技术指标，各厂家可以根据国际标准和工厂实际情况指定相应的产品的动平衡标准。（2）对刀具系统进行动平衡，对刀具、夹头和主轴进行动平衡。（3）对夹头连同刀具整体进行一次动平衡。（4）刀具系统装夹到主轴上是会因夹紧产生误差，对于高速加工应采用自动平衡系统，实现在线动平衡。美国肯纳金属公司所开发的TABS（动态动平衡全自动调整系统）可安装在机床上，当刀具在动态高速旋转时，2s内可实现对刀具的动态动平衡全自动调整，有效地解决了高速加工中刀具系统动平衡快速调整的问题。

　　3.5 高速CNC系统

　　数控系统（数字控制系统）是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。数字控制系统中的信息是数字量，是相对于模拟控制而言的。

　　随着计算机技术的发展，数控系统已经从最初的由数字逻辑电路构成的硬线数控系统发展到了以计算机为核心的计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统。相对于硬线数控系统而言，CNC系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，因而具有较高的柔性和更高的性能。

　　高速加工对CNC的最基本要求：以足够快的速度处理NC数据、为各进给轴加减速产生无冲击的理论值。高速加工CNC功能模块，它与普通CNC相比，扩展有后置处理器，离线预处理功能和样条译码功能。高速加工CNC的核心技术是样条实时插补和无冲击的加速器。样条不应该线性化，应该直接插补，以免降低精度。机床进给驱动系统必须具有高动态性能，为机床进给轴加减速产生无冲击的理论值——斜坡函数，即机床进给轴加速度—时间曲线不允许有突跳，只有这样才能保证高速加工的高精度和足够高的进给速度。

　　数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响到加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响到刀具的寿命。

　　普通NC程序信息量低，在执行NC程序之前要进行预处理，以离线方式进行。预处理内容：将ASCII转换为二进制格式，语法检查及与操作者进行交互，分解固定循环和子程序，参数计算和公式计算。编程主要是基于IS06983标准，但IS06983不支持五轴铣削和曲线加工的高速切削。目前的数控软件都以IS06983（G，M代码）为标准，针对高速加工（HSM），只能在原CNC基础上，对刀具中心轨迹进行编程，程序量大，针对不同的高速加工中心，还需专用的后置处理器。STEP-NC（1S014649）是国际标准化组织（1SO）所开发，用来为数控（NC）设备定义数据而扩充的STEP标准。采用了EXPRESS语言和面向特征的编程原理，将产品模型数据交换标准STEP扩展至CNC领域，重新规定了CAD/CAM和CNC间的接口，形成了新型NC编程数据接口国际标准（1S014649）。STEP-NC可大幅度地减少传统的CAD/CAM系统加工零件的时间，消除了在加工制造过程中所需的后处理器，并且能够支持将在今后出现的更快、更安全、更加智能的加工设备。

　　3.6 高速机床支撑系统

　　高速加工过程中机床的动态特性至关重要，而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳的阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得，如可以采用高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身。

　　大多数的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。高动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。相比之下，当制造像主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻的部件。高速加工过程中同时也要求机床具备良好的加减速功能，即必须要保持合理的加加速和加加速度控制（Jerk control）。进给率在高速加工时可能不断转变，会产生变化的加减速度即加加速度，同时出现机械的冲击和振动，因此要控制过大加减速度的变化。

　　如果加加速过大（突变），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面质量。如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，为了保证在高速情况下加工出高质量表面，合理的机床加加速非常重要。

　　3.7  辅助单元技术

　　高速切削过程会产生大量的高温热切屑，必须及时将其从工作台上清除掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种有效的清理切屑的方法。当前，许多机床都配置了高速加工所必需的高压冷却液泵。高速切削机理研究表明，基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。在高速切削条件下大量使用冷却液，虽然可显著提高刀具耐用度，但却大大降低了工件的塑性流动速度，反而降低总的生产效率。合理地选择冷却润滑方式，是保证加工质量的先决条件。对于条件最为恶劣的主轴轴承的润滑方式有油脂润滑、油池润滑、喷雾润滑、油气润滑等。一种新型气体轴承还采用强制供气润滑。

　　采用于式切削方式，会从根本上改善切削的环境状态，节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。高速切削加工中为了保护环境与人身安全、降低生产成本、提高生产率及保证加工质量，应用干切削技术是高速切削加工的必然要求。因此，应开发出更加节省能源的机床，开发出更加实用的干式切削加工技术。如采用低温气体冷却，使工件、刀具和机床的温升降低，同时配备抽吸系统进行防尘和排屑，保证加工区的清洁。在一些机械加工中，纯粹的干切削是难以实现的，可以采用最小量润滑技术又称准干切削。也可以采用通过对加工表面局部加热（如激光加热、导电加热等）辅助加热的干切削技术，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的实现。

4 结束语

　　自20世纪80年代以来，电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展。同时，高速加工技术也从基于传统金属（非金属）切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术，逐步发展成为综合性系统工程技术。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了很大的进展。现代制造业迎来了一场新的技术革命，数控高速加工技术将引领制造业的高速发展。