多轴控制和超高速加工技术

　　六、利用二次曲面头立铣刀作5轴控制加工

　　使用球头立铣刀对自由曲面进行精加工时，因用一把 刀具加工面不需要调换刀具，所以也不会发生刀具啮合问题，但必须选择与加工面最大曲率半径相适应的小直径球头立铣刀。如果欲获得由加工所形成的凹形高度很低的良好的加工面，就必须减少设定的进给间距，从而啬了切削距离和加工时间。解决这个问题的方式之一是使用称为二次曲面头立铣刀的特殊形状刀具进行5轴控制切削加工。

　　所谓二次曲面头立铣刀是一种如图5所示的以圆锥曲线围绕中心轴回转形成头部形状的铣刀。头部形状有回转抛物面、回转双曲面和回转椭圆面三种类型。在回转面上带有许多切刃，但它的切刃与球头立铣刀不同，是带有连续变化的各种曲率。它们的曲率可从各圆锥曲线公式求得。

　　用这种铣刀切削时不像球头立铣刀那样只有一个曲率，而是可以选择其中与加工面相吻合的曲率。命名如对加工面上曲率大的部分用铣刀头部附近的切刃加工，曲率小的部分则可用铣刀侧面的切刃进行加工，这样就有加大进给间距，缩短加工时间的优点。

　　可以自动生成使用二次曲面头立铣刀的5轴控制高效率加工自由曲面的CAM软件，现已开发出来。伴有超声波振动的6轴控制加工。

　　在用常规条件对铝等软性金属进行6轴控制加工时，有表面粗糙度很有效期的缺点。现在有一种在刀具夹持器上安装超声波工具的方法进行6轴控制加工，这样不仅可使视在切削速度加快，还可以明显地改善加工面的粗糙度，是可取的方法。

　　七、超高速加工

　　约在10年前，主轴转速达到每分钟10万转的超高速CNC铣床面世之后，推动了用高速铣削方法加工模具和其他产品中复杂形状零部件的技术研究。接着又有硬度为HRC60的烧结立方氮化硼球头立铣刀的问世。这种高硬度刀具不仅可以进行每分钟超过1000m的超高速切削加工，还具有较长的使用寿命。

　　此后，由于用高速铣削加工模具和其他产品复杂形状零部件获得成功，此项技术就得到人们的关注。与此同时高速切削加工中心、刀具、辅助工具和CAD/XAM也开发出来并推向市场，从此以后高速加工技术得到了广泛的应用，并成为一种趋势。

　　八、超高速加工中心

　　1.超高速型主轴

　　超高速型主轴的dm.n值超过200万，其中dm是轴承范围节圆直径，单位为mm，n是每分钟最高转速，单位为rpm。为此专门开发了陶瓷滚珠的向心推力轴承，通过适合于使用的陶瓷滚珠的小直径化来降低离心力和减少发热，以及采用座圈下润滑方式来实现 高速回转。

　　此外还开发了与球轴承不同的非接触式油及空气静压轴承，空气静压轴承和磁轴承等新型轴承。其中空气静压轴承用于超高速CNC铣床中获得了成功，并进入了实用皆段。装有这种轴承的超高速机床的特点是主轴跳动极小，只有0.005um，特别适用于小直径立铣刀或刀具进行高速、高精度切削。它的另一个特点是易于掌握，只要经过短期培训即可操作，解决了费时的培训问题。增加了自动调换刀具装置之后，构成了一台完整的加工中心。最初达到实用化的高速加工中心的主轴转速为每分钟8万转。用于实验的刀具直径是m。如果后来又推出了采用同样方式的安装了每分钟15万转主轴的超高速加工中心，用于实验的刀具直径是φ6m。

　　在实验中发现，当主轴转速超过每分钟10万转时，离心力使主轴直径膨胀，为此必须要主轴与刀具有良好的连接，最适宜的方式现在已经开发出来。到现在为止，在超高速切削实验中，主轴都采用内装式弹簧夹头装置及由短锥面将两面夹紧的方式。

　　另外，加工中心在作高速切削加工时，既要求达到高效率，还要求达到高精度，所以必须使用具有长寿命的刀具。基本措施是减少加工中刀具刃尖的跳动。也就是要减少在高速切削条件下主轴的跳动，所以还要考虑开发动态离散特性很好的主轴。

　　2.超高速进给和加减速装置

　　这是一种采用高精度导准滚珠丝杠两条螺纹的结构，使其成为具有跟踪高加速度刚性和较少惯性的适用于高速加工中心使用的新型进给装置。再加上新开发的小惯性输出的伺服电动机和机床本体的高刚性结构，形成进给速度达到每分钟60m和1G加速度的高速进给驱动加工中心。

　　另外还开发了一种工作台进给系统。它是在X轴和Y轴之外附加一根U轴的独特交叉式进给驱动系统，其中的U轴位于工作台下，可驱动工作台作平行于X轴的移动。所使用的高精度导准滚珠丝杠则具有进给速度每分钟100m和2G以上加速度的特性。用线性电动机驱动的方式，主要是着眼于提高进给驱动系统的高速加减速特性。现在有些加工中心已采用这种方式驱动。

　　对用于模具加工的加工中心来说，还要解决热变位的问题。这很可能是今后的一个重要研究课题。

　　超高切削刀具

　　在研究超高速切削时，从动态平衡特性和切刃刚性出发开发了负前角超高速型立铣刀，现在已由各刀具制造厂生产并推向市场。今后则还将解决以下各种问题：

　　1、要使刀头刃尖的跳动极小：对立铣刀等刀具的使用寿命产生很大影响的因素之一是刀头刃尖的跳动，为此必须使这种跳动极小。此外，刀头刃尖的跳动还与加工面的表面精度有关，如果跳动稍大就不可能获得粗糙度良好的加工面。特别是在进行高速、高精度加工的立铣刀在L/D=3的条件下，理想的刀头刃尖跳动值应少5um。

　　2、刀具的高刚性、高效率设计：