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報道與評述超高速加工機床及刀具技術(shù)新發(fā)展湖南大學(xué)（ 082）郭力李波劉大任伍毅剛給驅(qū)動系統(tǒng)、高速機床控制系統(tǒng)以及高速加工刀具進行了討論。并就我國發(fā)展超高速機床和刀具技術(shù)進行了討論。
超高速加工是指高于常規(guī)切削速度5倍乃至十幾倍條件下所進行的切削加工。例如在試驗室中，鋁合金加工已達6000m/min而在實際生產(chǎn)中也達到了1500 5500m/ min.在實驗室中，磨削中單層鍍砂輪磨削速度達300m/ s，目前正探索500m/ s速度的磨削而實際生產(chǎn)中也達到了250m/ s.超高速加工不但可以大幅度提高零件的加工效率、縮短加工時間、降低加工成本而且可以使零件的表面加工質(zhì)量和加工精度達到更高的水平。
一、高速機床的主軸加工單元高速主軸單元是高速、超高速加工機床*為關(guān)鍵的部件。其主要類型有電主軸。在國外具備各種先進的電氣驅(qū)動和控制技術(shù)的電主軸已經(jīng)達到專業(yè)化生產(chǎn)和商品化供應(yīng)，如瑞士的Fisher公司生產(chǎn)的電主軸。這些技術(shù)包括可實現(xiàn)準停的變頻驅(qū)動，變速精度在0. 5以內(nèi)的優(yōu)化矢量控制，帶C軸功能的矢量控制。在這些主軸單元中，主軸套筒外徑從33 250mm有十多個規(guī)格。轉(zhuǎn)速*高達180000r/ min，功率*大可達70kw.在EM097上，電主軸是機床制造技術(shù)中*熱門的功能部件，參展商達76家。
而且瑞士著名的Micron機床廠的成員Step Tec公司已專業(yè)生產(chǎn)電主軸部件。
在高速主軸系統(tǒng)中成功地采用了各種超高速軸承。這種軸承要求主軸旋轉(zhuǎn)時有較高剛度和承載能力，而且要求有較長的使用壽命。這種軸承是高精度陶瓷球角接觸球軸承、磁力軸承、流體動靜壓軸承。
為了減少高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，高精度陶瓷球角接觸球軸承中，滾動體使用熱壓氮化硅）陶瓷材料，軸承內(nèi)外圈仍為軸承鋼。這種軸承為密珠結(jié)構(gòu)，接觸角為15 ，而且是外徑定心的保持器，前后兩個支承處安排兩個背靠背安裝陶瓷軸承。這種軸承的d n值已超過2 10瓷球密度低、離心力小剛度高發(fā)熱少熱穩(wěn)定性好壽命長為了增加軸承滾道的耐磨性，可以對滾道進行涂層處理或其他表面處理。這種軸承轉(zhuǎn)速比相應(yīng)規(guī)格的鋼軸承提高50以上，溫升可減少35 60 ，彈性模量是軸承鋼的1. 5倍。這種軸承的極限轉(zhuǎn)速與其潤滑方式有著重要的關(guān)系。一般都采用油氣潤滑和噴油潤滑。油氣為空氣與有的混合，壓縮空氣（來自工廠氣源，經(jīng)精細過濾器）常供，而油（少數(shù)廠家還加某種添加劑）采取定時、必需的*小量的供給。油氣潤滑軸承極限轉(zhuǎn)速可以達（ 1. 8 r/ min.噴油潤滑軸承極限轉(zhuǎn)速可達（ 2. 3 r/ min，這種潤滑方式會污染環(huán)境。而這兩種潤滑方式需要專門的潤滑裝置。一般采用迷宮和壓縮空氣外吹的方式。
流體動靜壓軸承在高速主軸系統(tǒng)中也應(yīng)用較多。美國Ingersoll公司在HVM800高速加工中心上采用液體動靜壓軸承，主軸轉(zhuǎn)速可超過20000r/ min，軸頸表面圓周速度達50m/ s.軸承的特點為高壓、大間隙、小孔節(jié)流。國外從90年代開始投入大量人力物力開發(fā)高速動靜壓軸承，對這種軸承的剛度、承載能力、溫升、穩(wěn)定性作了大量的研究。目前，美國已推出了主軸轉(zhuǎn)速超過40000r/min的高速液體動靜壓軸承，潤滑劑采用水。高速液體動靜壓軸承設(shè)計制造技術(shù)在國外已成熟。同時，高速動靜壓軸承與精密制造與自動化國家重點攻關(guān)項目主軸系統(tǒng)一體化技術(shù)也在發(fā)展中。
磁懸浮軸承因其不可比擬的優(yōu)越性而受到青睞。磁力懸浮軸承D n值可達4 10載力達300kN，軸向靜剛度達2000N/ m，動剛度達100N/ m，可靠性超過4000h.瑞士Ibag公司主軸制造廠制造的采用磁懸浮軸承的主軸單元，主軸轉(zhuǎn)速國KAPP公司采用的磁懸浮軸承砂輪主軸，轉(zhuǎn)速達Seiki三家公司供應(yīng)帶磁懸浮軸承的電主軸。
綜上所述，目前高速大功率主軸單元中，基于功能和經(jīng)濟性的要求，采用陶瓷混合球速承或液體動靜壓軸承。但隨著主軸向更高速發(fā)展，磁懸浮軸承是各研究機構(gòu)和制造商更為重視的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。
二、高速機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)超高速機床要求進給系統(tǒng)有與主軸高轉(zhuǎn)速相應(yīng)的高速進給運動（空行程時的移動速度更高） ，直線電機驅(qū)動實現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動，避免了滾珠絲桿（齒輪、齒條）傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點，可獲得高精度的高速移動并具有極好的穩(wěn)定性。*早開發(fā)使用進給直線電機的美國Ingersoll公司在其HVM8加工中心的X、Y、Z軸上使用了永磁式直線電機，進給*高速度達76. 2m/ min.
意大利Vigolzone公司生產(chǎn)的高速臥式加工中心，三軸采用直線電機，進給速度三軸均達到70m/ min，加速度到1g.德國的Excell O公司生產(chǎn)的XHC24臥式加工中心，采用了I公司的直線驅(qū)動電機，*高進給速度可達60m/ min，加速度為1g.在CIMT97上德國西門子公司作了直線電機120m/min高速進給表演，該公司直線電機*大的進給速度達200m/ min，*大推力可達6600N，*大位移距離為504mm.目前直線電機加速度可達2g以上。另外，日本Mazak公司的直線電機也在市場上占較大份額。
三、高速加工機床的控制系統(tǒng)目前，主軸電機的設(shè)計仍然是在現(xiàn)有的矢量控制變頻調(diào)速交流電機的基礎(chǔ)上，優(yōu)化現(xiàn)有的技術(shù)，采用更復(fù)雜的、性能更好的半導(dǎo)體器件和處理速度更高的處理器以及進一步優(yōu)化矢量控制技術(shù)等。
高速機床中，數(shù)字主軸控制系統(tǒng)和數(shù)字伺服軸驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有超高速響應(yīng)特征。主軸單元的控制系統(tǒng)，除了要求控制主軸電機時有很高的快速響應(yīng)特性之外，對主軸支撐系統(tǒng)也應(yīng)該有很好的動態(tài)響應(yīng)特征。采用液壓或磁懸浮軸承軸承時，要能夠根據(jù)不同的加工材料、不同的刀具材料以及加工過程的動態(tài)變化自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)。工件加工的監(jiān)測裝置應(yīng)選用如雙頻激光干涉儀這樣的具有高的跟蹤特性和分辨率的監(jiān)測元件。
進給直線電機的控制系統(tǒng)利用現(xiàn)有的變頻調(diào)速和矢量控制技術(shù)，并不斷完善。
在高速加工中，輸入的控制程序仍是標準ISO NC代碼。但在高速條件下，傳統(tǒng)的NC程序存在很多問題，諸如應(yīng)采用特殊的編程方法，使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特征曲線的問題如何解決高速加工時CAD、CAM高速通信時的可靠性問題等，需進一步研究加以解決。
四、高性能的刀具系統(tǒng)技術(shù)對于安裝在超高速主軸上的旋轉(zhuǎn)類刀具（包括砂輪）來說，刀具的結(jié)構(gòu)安全性和高精度的動平衡是至關(guān)重要的。當主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/ min時一方面由于離心力的作用使主軸傳統(tǒng)的7 24錐度端口產(chǎn)生擴張，刀具的定位精度和連接剛性下降，振動加劇，甚至發(fā)生連接部的咬合現(xiàn)象。另一方面常用刀片夾緊機構(gòu)的可靠性下降，刀具整體不平衡量的影響加強（與轉(zhuǎn)速平方成正比）。為此，德國開發(fā)出HSK（短錐空心柄）連接方式和對刀具進行等級平衡及主軸自動平衡的系統(tǒng)技術(shù)。HSK連接具有很高的接觸剛度、夾緊可靠、重復(fù)定位精度高，適合于20000 46000r/min的超高速主軸。而主軸自動化平衡系統(tǒng)能把由刀具殘余不平衡和配合誤差引起的振動降低90以上。近幾年開發(fā)了不少適合于超高速切削的刀具，采用比強高的刀體材料和零件少、簡單、安全的刀體結(jié)構(gòu)，同時具有較短切削刃、較大刀尖角、較強斷屑能力和經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的切削幾何角度。如今一些刀具公司已能提供具有HSK接口和不同平衡精度的超高速刀具，如KOMET和SAD VIC，已用于飛機和汽車的高速加工。
五、機床支承技術(shù)與輔助單元技術(shù)機床支承技術(shù)主要指機床的支承構(gòu)件的設(shè)計及制造技術(shù)。輔助單元技術(shù)包括快速工件裝夾技術(shù)、機床安全裝置、高效冷卻潤滑液過濾系統(tǒng)、切削處理及工件清潔技術(shù)。機床的床身和立柱和底座等支撐基礎(chǔ)件，要求有良好的靜剛度、動剛度和熱剛度。對精密高速機床，國內(nèi)外都有采用聚合物混凝土（人造花崗石）來制造床身和立柱，也有的將立柱和底座采用鑄鐵澆鑄而成，還有采用鋼板焊接件，并將阻尼材料填充其內(nèi)腔以提高抗震性。效果很好。
六、國同內(nèi)高速機床技術(shù)的發(fā)展我國有關(guān)單位在研究和開發(fā)超高速機床加工技術(shù)亦取得不小進步。沈陽工學(xué)院研制超高速車銑床，已取得階段性成果。北京機床研究所生產(chǎn)出主軸轉(zhuǎn)速達8000r/ min、功率達7kw的立式加工中心。
同濟大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)分別對主軸單元動特性和直線電機的應(yīng)用技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究。東北大學(xué)研究了熱壓氮化硅陶瓷球軸承，建立了超高速磨削實驗臺，能進行200m/ s的磨削加工試驗。
七、超高速機床發(fā)展趨勢隨著制造觀念更新和制造技術(shù)的全面進步，超高速切削和超高速機床將在如下幾個方面取得新發(fā)展：（1）在干切削或準干切削狀態(tài)下實現(xiàn)綠色的超高速切削采用干切削或*小量霧化潤滑的準干切削方式，會從根本上改善切削的環(huán)境狀態(tài)，達到工業(yè)生產(chǎn)的有關(guān)環(huán)保標準（ ISO14000系列）要求，同時節(jié)省對切削的直接投資和廢液處理及環(huán)保費用。刀具技術(shù)是達到這一目的的關(guān)鍵。
（ 2）在重切削工藝中進行超高速切削這對提高我國大中型設(shè)備制造的生產(chǎn)效益有十分重要的作用，如新日本工機SNK的某車床超高速加工大型軋輥，比普通加工效率提高5倍。
（ 3）開發(fā)完善各種超高速切削工藝如超高速孔加工。超高速車床有更高、更可靠的動態(tài)特性和自動平衡能力。
（ 4）基于新型檢測技術(shù)的加工狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工況監(jiān)控增加加工過程的穩(wěn)定性和安全性。對監(jiān)控系統(tǒng)靈敏性、瞬時響應(yīng)性和可靠性提出了更高的要求，采用新的檢測方法。例如采用質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高的新型傳感器（如Z元件）和開發(fā)具有多項檢測功能的超高速切削監(jiān)控系統(tǒng)。
八、發(fā)展我國的超高速機床技術(shù)我國在超高速機床技術(shù)領(lǐng)域進行了一定程度的研究，但與國外先進技術(shù)相比，尚有很大差距亟待發(fā)展。顯然，刀具、數(shù)控機床和加工中心均為超高速加工的關(guān)鍵。應(yīng)重點研究開發(fā)，主要內(nèi)容如下：（ 1）大功率、超高速主軸單元技術(shù)研究包括內(nèi)裝式高速大功率主軸電機及其矢量控制調(diào)速和監(jiān)控系統(tǒng)，主軸材料、結(jié)構(gòu)（具有HSK63錐孔）、高速精密陶瓷滾動軸承、液體動靜壓混合軸承設(shè)計與開發(fā)主軸系統(tǒng)動特性及熱特性的研究，柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究主軸單元的自動平衡裝置主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)的研究主軸的多目標優(yōu)化與虛擬設(shè)計技術(shù)研究主軸換刀技術(shù)的研究。
（ 2）超高速進給單元技術(shù)包括高速直線進給電機的研究高速位置芯片環(huán)的研制，高加減速控制技術(shù)、高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究系統(tǒng)慣量與伺服電機參數(shù)匹配關(guān)系的研究精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程絲杠副的研制等。高速進給系統(tǒng)的快移速度達40m/ min 80m/min，切削進給速度達24 60m/ min，加減速度大于1g.
（ 3）超高速加工測試技術(shù)開發(fā)對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統(tǒng)和機床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部件和驅(qū)動控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)。超高速進給單元技術(shù)。超高速切削刀具磨、破損，磨具的修整等狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及保證快速反應(yīng)替換的刀具管理系統(tǒng)軟件，刀具磨損破損監(jiān)控系統(tǒng)的智能化。在超高速切削過程中的工件加工精度、加工表面質(zhì)量及安全狀態(tài)的在線監(jiān)控技術(shù)。
（ 4）超高速刀具高速高精度端面定位的HSK刀具錐柄及工具系統(tǒng)，包括高速ATC自動換刀裝置、機械手換刀方式、刀一刀達1. 5s.超高速切削刀具幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括刀具幾何角度的優(yōu)化選擇、刀體安全結(jié)構(gòu)、刀片夾緊結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)刀具的動平衡及其安全性技術(shù)（旋轉(zhuǎn)刀片應(yīng)在2倍于*高轉(zhuǎn)速時不破裂）。開發(fā)超高速加工新型刀具、磨具材料，使刀具的切削速度達到國際工業(yè)發(fā)達國家90年代末水平，砂輪磨削速（ 5）高速CNC系統(tǒng)技術(shù)包括平滑加減特性的智能控制、誤差補償、前饋控制。
總之，如何針對上述領(lǐng)域、集中有限資金，協(xié)同攻關(guān)，避免項目低水平的重復(fù)開發(fā)，對我國機床行業(yè)的振興及長遠發(fā)展具有重要意義。
魏志強等。高速加工機床及其關(guān)鍵技術(shù)。制造技術(shù)與機床， 1998王西彬等。超高速切削技術(shù)及其新進展。中國機械工程， 2000，周志雄、郭力等。 2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)的展望。國家高效磨削工程中心出版， 1999.9機械科學(xué)研究院。先進制造領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)選擇與分析論證。
艾興。高速切削技術(shù)的研究與應(yīng)用。全國生產(chǎn)工程第八屆學(xué)術(shù)大會論文集，北京：機械工業(yè)出版社。1999： 146 150北京先進柔性集成制造技術(shù)咨詢中心。 2010年及其以后的美國國防制造工業(yè)。 1999.
精密制造與自動化
來源：中國刀具網(wǎng)
