智能加工的高速加工

实现智能化加工以后，工艺的可靠性提高，加工性能进一步优化，而且在无人操作的情况下，工作可靠。到目前为止，实行高速加工已经有很多年，高速加工的实践者们逐渐认识到，在加工过程中，遵循相关物理定律具有十分重要的意义。例如，离心力、不平衡、振动、热膨胀等因素都会影响到工艺而妨碍可靠的无人化操作的开展。

需要注意的是，高速加工不是简单地以是否使用高速机床，或是所使用机床主轴的转速来衡量。高速切削的本质是，不同工件材料切削加工时的线速度进入高速切削的速度区间，从而获得优于常规切削速度下的加工质量和效率。

1. 高速切削刀具

高速化是数控机床发展的一个重要趋势，国内外的数控机床制造企业都致力于研制和生产各类高速机床; 同时，高速切削刀具技术是实现高速加工的关键，它不是单一的刀具问题，而是涉及刀具、刀柄及主轴接口、冷却润滑、安全防护等诸多方面的系统问题。一方面，提高切削速度的关键制约因素之一是刀具是否能承受高的切削温度，因此，刀具材料及表面涂层和刀具结构参数等成为高速切削成功应用的重要技术。刀具材料必须具有高硬度、耐磨损、高韧性、耐高温等性能，从而满足高速切削时刀具/工件接触区高温、高压以及高频冲击等对刀具的要求，除了常用的各类硬质合金刀具材料，还有金刚石 (PCD)、立方氮化硼 (CBN)、陶瓷、碳 (氮) 化钛Ti C (N) 基硬质合金 (金属陶瓷)、超细晶粒硬质合金等材料和涂层技术用于高速切削刀具，大大促进了高速切削加工技术的应用和发展。

另一方面，主轴高速旋转时会产生大的离心力以及偏心质量，从而产生附加的径向载荷，这是高速加工的主轴刀具系统区别于中低速加工的新的重要特点。因此，要求刀具与主轴必须实现高可靠性的连接，并通过动平衡测试和调整保证刀具系统达到标准规定的允许不平衡量。以HSK、KM、CAPTO等为代表的一类刀柄，采用空心短锥和端面同时定位，并配用热缩、弹簧或液压夹头，保证了高速加工时的刀具与主轴的可靠连接，使高速切削加工技术从理论研究进入工业应用阶段。

2. 高速切削工艺技术

高速切削工艺技术也是成功应用高速加工的关键技术，其核心就是在高速加工过程中尽量保持恒定的切削负载、高的切削线速度和高的进给速度，从而实现高的材料去除速率和加工精度，主要涉及切削方法及走刀策略、切削参数优化技术等。高速加工时，下刀切入处、内外拐角处、封闭型腔等的切削加工对加工效率和精度影响较大，应先解决这些工艺特征处的切削，以保证实现真正的高速切削。常用的切削方法有螺旋下刀、摆线下刀、拐角处先进行插铣等，从而使得在走刀过程中切削负载保持均匀，获得高的转速和进给速度。高速加工过程切削参数优化是使高速机床真正实现高速切削的支持技术。

从动力学的观点来看，高速切削也是由“机床—刀具—工件”构成的切削加工动力学系统，加工效率的提高将受到动力学系统稳定性的限制，即由切削加工过程产生自激振动 (颤振) 的条件决定，而不是简单地仅由机床的功率、主轴额定转速/转矩、刀具许用值等指标决定。为了提高高速加工的切削效率，应使机床在额定功率和额定转速范围内工作时，都不产生切削自激振动，即保持数控加工过程的切削稳定性，这是高速加工动力学要研究解决的首要问题。当前，基于数控切削过程的动力学分析与仿真，对高速加工的切削参数进行优化，已成为高速切削理论研究和应用技术开发的重要方面。

3. 高速机床研究的主要内容

高速切削加工机床与普通机床的主要区别在于高速机床必须能够提供较高的切削速度和满足高速切削加工下的一系列功能要求。

(1) 高速主轴单元

高速主轴单元的设计是实现高速加工的最关键的技术领域之一，同时也是高速加工机床最为关键的部件。它不仅要能在很高的转速下旋转，而且要有较高的同轴度、传递力矩和传动功率，良好的散热或冷却装置，要经过严格的动平衡矫正，主轴部件的设计要保证具有良好的动态和热态特性，具有极高的角加减速度来保证在极短时间内实现升、降速和在指定位置的准停。

(2) 驱动系统

驱动系统是具有快速反应的进给系统单元和数控伺服驱动系统。高速机床在高速切削加工时，随着主轴转速的提高，机床进给速率和其加、减速度也必须大幅度提高，以保证刀具每齿或工件每转进给量基本不变，否则会严重影响工件加工的表面质量和刀具寿命。同时，机床空行程运动速度也必须大大提高。现代高速加工机床进给系统执行机构的运动速度要求达到40～120m/min，进给加速度和减速度同样要求达到1～8g。

机床进给驱动系统的设计必须突破传统一般数控机床中的“旋转伺服电动机+普通滚珠丝杠”的进给传动方式。在结构形式上采取的主要措施有:大幅度减轻进给移动部件的质量，在结构上实现“零传动”，即直接采用直线电动机驱动; 采用多头螺纹行星滚柱丝杠代替常规钢球式滚珠丝杠以及采用无间隙直线滚动导轨，实现进给部件的高速移动和快速准确定位; 采用快速反应的伺服驱动CNC控制系统。

4. 高速加工的应用

生产中许多异形零件 (①椭圆类，如活塞、活塞环等; ②凸轮类，如凸轮轴、曲轴等; ③棱形体类) 的数控加工都是采用高速随动加工，它的成型机理是: 由主轴 (C轴) 的旋转 (分度) 运动、仿形刀架的X轴的往复跟踪运动、Z轴溜板的进给运动以及三者的联动实现非圆柱表面的切削。在加工过程中要使传动系统实现无间隙无换向死区的高速频繁换向，即传动系统要有大的加速度，才能保证刀架准确地走工件轮廓，就必须利用伺服电动机的过渡过程 (加/减速功能)。如果刀架往复运动的加速度和主轴旋转的角加速度超过了伺服电动机允许的加速特性，就会产生跟踪滞后，影响加工轮廓的精度。

这些零件在圆周各点的直径是不同的，如果零件做等速转动，则零件在圆周各点的线速度都不相同。在保持切削深度ap不变的条件下，各点的切削力是变化的，这将对工件的加工精度、表面粗糙度与波纹度等加工表面质量产生一定的影响，进而影响工件的轮廓度，为了保证非圆工件表面质量，必须使工件轮廓上各切削点的线速度是恒线速度。为了实现恒线速度，零件的旋转轴要采用闭环伺服控制 (即C轴控制)，即零件的旋转采用角加速度的控制 (变速转动)。

同时，对进给伺服系统提出了更高的要求，即要求伺服系统不但具备优良的静态特性 (如停止时的定位精度、稳定度)，更重要的是，伺服刚性好、响应快、运动稳定性好、分辨率高，也就是通常说的随动性好。