高速切削加工的六大关键技术

6.1.3　高速切削加工的六大关键技术

高速切削加工技术是一项复杂的系统工程，涉及高性能CNC控制系统、高速电主轴伺服系统、快速进给系统、高性能刀具装夹系统、高性能刀具材料制造技术、高效率高精度测试技术和高速切削工艺技术等多个学科领域。高速切削加工技术研究几十年终于得以发展到今天的实际应用阶段，完全是借助于上述几项先进技术的成功突破，这其中有以下六项关键技术是最为主要的。

1．高速主轴驱动系统

高速主轴驱动系统是高速切削技术最重要的关键技术之一，要想达到10m/s的切削速度，直径100mm的端铣刀需要机床主轴2000r/min的高转速，若采用直径10mm的立铣刀来铣削，机床主轴转速需要达到20 000r/min。目前机床主轴转速在15 000～30 000r/min水平的数控加工中心已成为普及型的机床，主轴转速在100 000～150 000r/min的加工中心已进入生产应用阶段，更高转速的主轴系统已在研发之中。

在极高的主轴转速下，主轴零件在巨大离心力作用下将会产生变形并引起振动，主轴轴承及驱动电机会产生大量的摩擦热，传统的主轴结构概念已经不能适应极高转速条件下主轴的工作要求。目前生产的高速切削数控加工中心，主轴结构几乎全部是如图6-1所示的交流变频电机直接驱动的电主轴，电机功率高达20～80kW，以满足主轴极大的启动角加速度和快速准停的需要；电主轴的回转支承目前主要采用液体动、静压轴承、空气轴承、陶瓷轴承和磁力悬浮轴承，采用油、气强制润滑冷却技术，如图6-2所示。如图6-3所示是电主轴的内部结构与原理示意图。

图6-1　一种高速电主轴

图6-2　电主轴的支承与冷却润滑系统示意

图6-3　电主轴的内部结构与原理

2．快速进给系统

为了维持刀具的每齿进给量，以保证工件的加工表面质量和刀具寿命，随着主轴转速的大幅度提高，进给速度也必须作相应的提高。目前高速切削加工的进给速度要求达到40～120m/min，进给运动的启动加速度和制动减速度要求达到1～8g（即9.81～78.48m/s²）。如此巨大的加速度和速度要求已经不是传统数控机床 “旋转伺服电机+普通滚珠丝杠”的进给传动结构方式所能够胜任的。目前比较流行的结构方式为：采用无间隙直线滚动导轨、采用多头螺纹行星滚珠丝杠传动或者直接采用大推力交流直线电机来实现“零传动”进给驱动。

（1）直线电机的基本原理

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面形而成，其原理如图6-4所示。

图6-4　直线电机原理示意图

直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中称为初级和次级，当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；相反，如果是电机的次级固定，则初级做直线运动。

在各种直线电机中，直线感应电动机应用最广泛，因为它的次级可以采用实芯结构的金属材料，制作容易，成本较低，适宜于做成各种应用结构，例如数控机床工作台。

（2）直线电机的优点

直线电机有很多的优点，其主要特点是：

① 结构简单，容易密封，不怕污染。由于直线电机本身结构简单，又可做到无接触运行，因此容易密封，各部件用尼龙浸渍后，采用环氧树脂加以涂封，可以有效地防止污染和腐蚀。

② 工作稳定、可靠，使用寿命长。直线电机是一种直接传动的特种电机，可实现无接触传递力，不怕振动和冲击，没有机械损耗，故障少，几乎不需要维修。

③ 反应速度快，灵敏度高，随动性好。

④ 有精密定位和自锁的能力。直线电机可以达到0.001mm的位移精度和自锁能力。

⑤ 电机电流的额定值较高。直线电机的冷却条件较好，特别是较长的次级接近常温状态，因此，电机的线负荷率和电流密度可以比普通电机取得高。

直线电机高速进给技术的突破是高速切削技术应用与发展的又一关键性新技术。传统的回转式伺服电机+滚珠丝杠进给驱动结构由于刚性低、惯量大、非线性、精度低，进给速度一般很难超过60m/min，加速度只有0.3～0.5g，很难满足2g以上的大加速度要求，目前，数控高速加工中心几乎无一例外都采用数控直线电机高速进给单元。它把电磁驱动力直接作用于机床工作台，省掉了所有进给传动机械零、部件，实现了工作台的“零传动”，提高了传动效率及运动精度，直线电机工作台的电气时间常数小，对指令的响应快，跟踪误差小，可以胜任极高速的进给跟踪运动。直线电机高速进给技术的成功为高速高精度伺服运动的应用提供了良好的技术基础，目前，直线电机技术已经成功地应用于电火花线切割机床、板材冲压、切割机床、绘图放样机等数控机械与机床上。

3．高速CNC控制系统

适用于高速切削加工的CNC控制系统应该具备快速数据处理能力和优良的功能化特性，以保证在高速切削加工的同时，保持良好的多轴运算插补能力。

高速CNC控制能力主要有两个重要指标：一个指标是单程序段处理时间。为了适应高速加工，要求对单个程序段的处理时间要尽可能短，为此需要使用32位或64位CPU，采用多处理器控制系统。另一指标是高速插补精度。要求系统具备前馈控制功能和较强的程序段超前预处理功能，高效系统还应具备回冲加速、平滑插补、钟形加减速等高精轮廓控制功能。因为在高速切削加工条件下，要高速生成一个光滑而精确的复杂空间曲面轮廓，一个程序段的运动距离可能只有几分之一毫米，一个NC程序要有几千个程序段，数控系统需要极高速地读取程序指令，并快速地预先做出加、减速的决定。按照机床脉冲当量为最普通的0.001mm计算，移动1mm就需要计算机进行1000次的插补运算与运动控制处理，高速切削加工中，2m/s的高速进给速度，要求计算机要具有非常高的运算速度和对数据进行插补分配的能力。

另一方面，CNC系统要有足够的容量和较大的缓冲内存，以保证大容量的加工程序信息流在系统中高速、通畅地运行。例如GE－FANUC的64位RISC系统，每秒可处理2000个移动1mm的程序段，进给速度可达120m/min。

4．高速切削刀具材料技术

刀具材料对高速切削加工技术的发展具有决定性的意义，刀具材料必须在高温条件下保持良好的红硬性和冲击韧性。目前国内外应用于高速切削加工的刀具材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷、碳化钛基硬质合金、涂层硬质合金等材料，它们各有特点，使用于不同的切削对象和切削范围。

（1）金刚石刀具　金刚石是碳的同素异构体，是自然界中最硬的材料，应用中的金刚石刀具材料有天然金刚石和人造金刚石两种，天然金刚石资源紧张，价格昂贵。

人造聚晶金刚石简称PCD，其显微硬度达HV 10000，具有极高的耐磨性。在铝、铜合金的切削加工中，PCD的刀具寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，在对刀具的寿命要求较高的专业化生产线上，金刚石刀具的应用明显优于硬质合金；PCD刀具的刀刃可以磨得非常锋利，刀刃钝圆半径可达0.1～0.5μm，能够胜任超薄切削和超精密加工。

金刚石刀具目前主要应用在铝合金、铜合金、光学玻璃、纤维增强塑料的高速精加工中，广泛应用于航空、航天、汽车制造行业。

金刚石的热稳定性较差，其高温硬度只能维持到800℃左右；另外，金刚石刀具不适合加工钢铁类铁碳合金材料，金刚石中的碳元素与铁元素有较强的化学亲和性，在高温下容易发生化学变化还原为石墨结构，影响刀片的使用寿命。

（2）立方氮化硼刀具（简称CBN） 立方氮化硼具有极高的硬度HV 8000～9000，其硬度仅次于金刚石，能够胜任淬硬钢（HRC 45～65）、轴承钢（HRC 60～62）、高速钢（HRC ＞62）、工具钢、冷硬铸铁的高速切削加工，也能够胜任高温合金、硬质合金等难加工材料的高速切削，可以实现以车代磨，大幅度提高加工效率。

由于制造大颗粒的CBN仍较困难，目前主要应用聚晶立方氮化硼（PCBN）。PCBN具有优良的化学稳定性，与铁系元素在1300℃温度下也不发生化学反应，而且其高温性能极好，耐热性可达1500℃，比金刚石几乎高出一倍，所以，PCBN被广泛应用于上述难加工钢铁材料的切削加工中。当以1000m/min 以上的切削速度加工铸铁时，PCBN是最佳刀具材料。

（3）陶瓷刀具　陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，具有良好的高温力学性能和极好的化学稳定性。陶瓷刀具材料的最佳切削速度比硬质合金高5～10倍，可以应用于高速切削、干切削和硬切削。现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，主要以氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷应用最多。

氧化铝基陶瓷刀具材料的主要成分是Al₂O₃，山东大学于1980年研制成功了Al₂O₃+TiC系列复合陶瓷刀具材料LT55、LT35、SG-3、SG-4、SG-5等，其物理机械性能均达到了国际先进水平。实践证明，SG-4是加工淬硬钢（HRC 50～65）最好的陶瓷刀片之一。

氮化硅基陶瓷刀具材料的主要成分是Si₃N₄，氮化硅基陶瓷材料更适合于高速加工铸铁及铸铁合金、冷硬铸铁等高硬度脆性材料。

陶瓷刀具材料的最大不足在于陶瓷所固有的脆性，围绕改善陶瓷刀具材料的脆性，提高其强度，各国已经研制出了多种高性能的复合陶瓷刀具材料。

（4）TiC（N）基硬质合金　TiC（N）基硬质合金是以TiC为主要成分的TiC、Ni-Mo合金，其性能介于陶瓷和硬质合金之间，Ni作为金属黏结相可以提高合金的强度。合金的硬度可达HRA 90～94，接近于陶瓷刀具的水平。由于TiC（N）基硬质合金有接近于陶瓷的硬度和耐热性，而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，可以作为高速加工刀具材料。

（5）涂层刀具　涂层刀具是指在韧性较好的刀具基体上涂覆上一层或多层高硬耐磨成分来提高刀具的使用寿命。随着各种涂覆工艺的日趋成熟，涂层刀具开始显示出良好的发展前景。在一片硬质合金可转位刀片表面利用物理气相沉积（PVD）法或化学气相沉积（CVD）法涂覆上一层TiN，可以使刀片的耐用度提高5～10倍，可见涂层刀具的发展具有极好的经济效益。目前常见的涂层有TiC、TiN、Al₂O₃、TiB₂等。

TiC、TiN涂层：TiC的特点是高硬度，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力，TiN的硬度稍低些，但与金属的亲和力小，润滑性好，把它放在复合涂层的外层可以防止黏刀。

Al₂O₃涂层：Al₂O₃涂层具有良好的化学稳定性和热稳定性，具有极高的硬度，适合于放在复合涂层的最外层，可以有效防止刀具材料的扩散磨损。

金刚石薄膜涂层刀具：金刚石薄膜涂层刀具是近几年研制成功的新型刀具涂层材料，它是利用化学气相沉积（CVD）法在硬质合金基体表面沉积一层极薄（50μm）的金刚石薄膜，可以使刀具的耐用度提高数十倍。现在，这种CVD工艺已经可以在形状复杂的刀具基体上涂覆大面积的金刚石薄膜，从而成为聚晶金刚石（PCD）刀具强有力的竞争对手。

总的来说，碳化物、氮化物、硼化物和氧化物是目前高速切削刀具材料的主体成分。而用石墨合成人造聚晶金刚石技术开始呈现出新的发展趋势，当今时代的金刚石是C-C12，而美国GE公司已研制出同位素C-C13的金刚石，其硬度、强度等均高于现有的金刚石。近期在太空中对碳分子的试验结果，合成出由60个碳原子所组成的称为巴基球的碳结构，取名C-C60，它比金刚石更坚硬。或许C-C₁₃、C-C₆₀在不久的未来就能成为新的刀具材料。

距离实际应用比较近的技术是氮化碳技术，近年来，新材料研究机构采用RF-PECVD复合沉积法在刀具表面上涂覆C₃N₄薄膜，膜的硬度达到了超硬材料的硬度，使刀具的使用寿命大为提高。有试验证明，将C₃N₄涂层沉积到高速钢麻花钻上，可以使钻头的使用寿命提高十倍，尤其是对高硬度材料进行钻孔加工时。C₃N4涂层属于超硬材料，它与铁族元素呈惰性，故这种刀具可加工钢铁材料，可补充金刚石刀具之不足。在高速切削领域中，有着广阔的发展前景。

5．高速切削刀具的安装系统

由于在高速切削时，刀具主轴工作在每分钟数万转的高转数条件下，刀具系统的动态平衡及结构安全性是极其重要的。此时的切削力已经不是重要因素，不需很大的切削扭矩，因此刀柄就可以不再是传统的锥柄，而改为短圆柄，主轴锁紧装置必须充分考虑离心力的影响。最重要的问题是需要对刀具进行整体动平衡，刀具结构中需加上动平衡环，装好刀具系统后，由动平衡仪进行动平衡。

在高速加工中心上高速切削刀具系统必须满足下列要求：

① 高速运转时要安全可靠；

② 要有很高的装夹刚度；

③ 很高的几何精度和装夹重复定位精度。

传统的主轴刀具系统很难满足上述几项要求。高速切削加工的刀具系统包括了刀柄部分和刀体部分两大部分，刀柄结构的安全可靠性和设计合理性还涉及标准化、系列化及机床主轴结构等一系列问题。

（1）传统工具系统所存在的问题

传统的工具系统多采用7∶24工具锥度，这种传统的锥柄结构存在着如下缺点，它基本上不能满足于高速切削刀具系统的三条要求：

① 刀柄的锥柄较长，不利于快速换刀，也不利于刀杆悬伸长度的缩短，长刀柄在高速回转时容易破坏动态平衡；

② 刀柄与主轴孔配合后，一般只能保证大端有70%左右的接触面积，连接刚性差，在锥孔内端还会有最大达13μm的间隙，在高速回转时会导致刀具系统动平衡的破坏，在径向切削力作用下，会造成刀具在锥孔内的摆动，破坏刀刃的位置精度；

③ 主轴锥孔在巨大的离心力作用下会发生张口膨胀，导致刀刃轴向定位精度的破坏；

④ 高速工作条件下锥孔的离心变形破坏了连接刚度，极易引起高速振动。

（2）HSK新型高速刀柄结构

HSK刀柄系统是德国标准高速刀柄结构，如图6-5所示为它的外观结构情况，图6-6为其内部结构原理示意图。它采用了1∶10的短锥（制造锥度为1∶9.98）及锥体薄壁结构，在严格的配合公差和刀具拉杆的轴向拉力作用下，短锥将产生一定的收缩弹性变形，使得刀柄的锥面和前端面同时与主轴锥孔紧密接触，具有很高的接触刚度和连接精度。刀柄采用由内向外的锁紧方式，强大的锁紧张力预先平衡掉一部分锥孔的离心扩张，保证了刀具的轴向和径向定位精度。

图6-5　HSK高速刀柄的外观

图6-6　HSK型刀柄及其连接结构

目前HSK已经列入了国际标准，一些刀具公司已开始提供具有HSK接口和不同平衡精度的高速切削刀具。

如图6-7所示为HSK高速刀柄的内拉紧方案，采用这种方法可以保证锥柄的小端向外扩张变形，与离心力引起的变形方向保持一致，极大地提高了刀具的高速稳定性。

如图6-8所示为HSK刀柄在拉紧前与拉紧后，刀柄与机床主轴内孔相接触的情况对照。刀杆在施行拉紧前，刀柄的锥柄的台阶面与主轴前端面间存在着一个微小的轴向间隙，同时，内外锥的大端发生接触，而小端的接触是虚的，在拉杆施行拉紧后，卡爪的外扩作用使壁厚较薄的刀柄小端向外扩张，形成了锥柄小端的实接触，在高速运转下，离心力会使该部位的接触更加坚实。在刀杆拉紧的同时，主轴前端面处的微小间隙被拉紧，形成了非常理想的超静定接触状态，极大地提高了结合的刚性，保证了高速回转条件下的高刚性结合和平稳运转。

图6-7　HSK刀柄的内拉紧方案

图6-8　刀柄拉紧前后的接触情况比较

（3）新型刀体结构

在刀体方面，为尽量减小离心力，主要要求刀体材料的重量要轻，刀片要与刀体成封闭连接，刀片的夹紧力要足够。为此，有些高速铣刀开始采用高强度铝合金来制造，其表面经处理后硬度可达HRC 60。

普通铣刀刀体结构一般比较复杂，尤其是各种沟槽，会引起应力集中，降低整个刀体的强度。所以高速刀柄在刀体结构上应尽量避免开设贯通式的刀槽，尽量减少尖角结构，防止应力集中。如图6-9所示为一种高速铣刀的刀体结构，它在结构设计上尽量减少复杂的沟槽，采用简单的强力螺钉夹紧方式来夹紧刀片，提高了刀体的总体强度。在刀片数量的设置上，以服从离心强度为设计原则，除了要严格采用对称结构外，刀片数量一般为4～8片，如图6-10所示。

高速铣刀刀体结构中，刀片的夹紧机构是最薄弱的环节，零件数量多，尺寸小，形状复杂，在结构安排上要力求对称、简化、封闭。对于小尺寸刀具可以只安排两个刀齿，刀片的安装基面上应该有定位止口结构。为了保证有足够大的夹紧力，可转位刀片应选用带中心孔型的螺钉夹紧结构，紧固螺钉的拧紧需要按照规定的预紧力要求进行定扭矩预紧控制。为了防止高速振动，刀具组件安装好后应该进行动平衡处理，而且，刀具在主轴上的每一次重新安装都会因重复定位误差而影响高速动态平衡。所以，新型刀体结构尽量与刀柄、主轴做成整体结构，如图6-11所示，必要时应设置动平衡调节装置。国外有些机床的高速主轴控制系统，已经装有具备在线自动动平衡检测调节功能的“电主轴”，加工中心每换一次刀，就自动进行一次包括刀具和主轴在内的动平衡。目前，专用的高速刀具动平衡机已经可以把刀具系统平衡到相当高的水平（G1.0级）。

图6-9　一种高速切削刀体结构

图6-10　四刀片结构

图6-11　高速刀体结构

6．安全防护及实时监控技术

高速切削加工的线速度非常高，达到每分钟数千米，如此高的线速度要借助于主轴每分钟数万转的高转速，这种高转速下的任何一个小的质量都会产生相当大的离心力。若刀片发生崩裂，碎片能量的释放会像出膛的子弹，直接危机到操作人员和机床设备的安全。所以，高速切削加工中的安全防护工作是极其重要的。安全技术主要包括：对工艺系统的工作状况进行现场实时监控，及时识别异常工况并迅速做出响应；采用高速运行安全设计结构；设置必要的安全防护装置。

在机床防护结构方面，一般要求设置安全防护墙或护罩。目前国外研制的8mm聚合物玻璃的防护强度已经相当于3mm厚的钢板。

在防爆裂研究方面，目前所作的大量试验结果表明：刀具在高速回转条件下的离心爆裂主要分为刀片夹紧螺钉的断裂和刀体的爆裂两种情况，而绝大多数情况都是夹紧螺钉的破坏。有爆裂试验参数表明：刀片夹紧螺钉在主轴30 000r/min时达到了失效临界状态，而刀体的失效临界状态出现在主轴60 000r/min以上。所以，刀片的夹紧方案成为高速切削刀具主要的研究课题。现有研究结果已经表明，刀片的夹紧不能够采用楔块摩擦夹紧，质量较大的硬质合金刀片所产生的巨大离心力只能够依靠夹紧螺杆部的剪应力来平衡。一片7g重的小刀片在主轴30 000r/min的转速条件下可以产生2500N的离心力（铣刀直径80mm）。

在机床工作系统的实时监控方面，目前主要包括：主轴转速监测、切削力监测、刀具寿命计数监测、刀具断裂监测和系统控制过程稳定性监测等内容。

以上关键技术的成功突破为高速切削加工技术的快速发展提供了坚实的基础保障，而配备了大功率高速“电主轴”和快速进给直线电机工作台的高性能数控加工中心的诞生才真正为高速切削加工技术的应用提供了一个理想的平台。随着数控机床的快速普及应用，高速切削技术正在迅速发展成为制造业切削加工的主流技术，受到各国业内人士的高度重视。