数控高速加工 高效生产的强力引擎

四、解析数控高速加工机床

　　数控高速加工机床是高速加工的载体，是实现高速加工的根本。上世纪八十年代中期高速加工机床一出现，便得到业内人士普遍的重视。随着高速电主轴，直线电机，功能强、性能好的数控伺服系，高强度的机床附件等，相关技术的不断突破和改进使高速加工机床更是得到长足的发展。

图2 高速加工机床剖面图

　　1.高速主轴单元及驱动系统

　　高速主轴系统是高速加工技术最关键的技术之一，高速主轴系统不仅要提供高速的转速，而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动率、良好的散热和冷却装置，并具有动平衡精度。主轴部件的设计要保证具有良好的动态性和热态特性。与普通数控机床主轴单元的不同之处：主轴转速一般为普通数控机床的5~10倍，机床的最高转速一般都大于10000r/min，有的高达60000~100000r/min，主轴的加、减速度达到1g~8g，主轴单元电机功率一般高达20~80Kw，以满足高速、高效和高负荷的加工要求。

　　2.高速进给系统

　　在高速加工中，高速机床进给速度和加、减速速大大挺高。同时空行程运动速度也大大挺高。现代高速加工机床的进给系统的速到要求到达40~120m/min，进给加速度和减速度同样要达到1g~8g。突破一般数控机床的旋转伺服电机和滚珠丝杆的传动模式，采用直线电机驱动，多头螺纹行星滚珠丝杆，以及无间隙直线滚珠导轨，实现进给部件的高移速和快速准确定位。

　　3.高刚体的数控机床结构

　　在高速加工的情况下，高速加工机床承受高速加工带来的作用力，较大的附加惯性作用在床体上，因而承受的力较大。所以要求高速加工机床具有足够的高强度、刚度和高的阻尼特性。

　　4.高效、快速的冷却系统

　　在高速加工下，单位时间内加工会产生大量的热量和切屑，如果不能及时将热量和切屑迅速传走，不仅妨碍加工的正常进行，甚至可能导致数控机床、刀具和工具系统热性变，影响到加工精度和机床的动刚性。日本的三井精机和J.E.公司共同开发了HJH系列高压喷射装置，把压力为7MPa、流量为60L/min左右的高压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，消除切削产生的热量。另外有的加工中心则采用大量冷却液以瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，把大量的热切屑立即冲走，始终保持工作台的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证高的加工精度。

　　5.安全装置和实时监控系统

　　在高速切削加工过程中，若刀具断裂或破损，其初速将如同子弹一般，易于造成危险和人身伤害。为此，机床工作时必须用足够坚固的板材将切削区封闭起来，同时还要考虑便于人工观察切削区状况。除此之外，工件和刀具必须保证夹紧牢靠，必须采用主动在线监控系统，对刀具磨损、破损和主轴运行状况等进行在线识别和监控，确保人身和设备安全。

　　6.优良的热态特性和静、动态特性

　　高速切削加工情况下，单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多，热变形较大。机床结构设计必须保证其在内部热源和外部热源作用下，不能产生较大的热变形。为此，高速切削加工机床上一般要采取特殊的冷却措施，来冷却主轴电机、主轴支撑轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。同时因高速切削加工下的动态力（惯性力、切削力、阻尼力等）和静态力（夹紧力等）较大，机床各支撑部件和其总体必须具有足够的动、静刚度，不致产生较大的力变形，保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。

表2 国内外几种高速加工机床（中心）
 

　　从上表列出的国内外几个典型的高速加工机床的参数可以看出：高速加工机床的发展非常迅速主轴转速最高可达150000 r/min远远超过了高速加工的最低标准；进给速度和快移速度与高速加工探索阶段比较发展不快；一款高速加工机床的主轴速度、进给速度和快移速度很难同时具备高速运行；国内的高速加工机床和国外相比技术参数没有差距，但是厂家的数量很少，追赶的空间还有很大。