淺談高速加工主軸單元制造技術(shù)

1、制造工藝及刀具高速高效加工1一、高速加工的概念與特征二、高速切削技術(shù)的特點及應(yīng)用三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 高速主軸單元制造技術(shù)高速主軸單元制造技術(shù) 高速進給單元制造技術(shù)高速進給單元制造技術(shù) 高速加工刀具技術(shù)高速加工刀具技術(shù) 2一、高速加工的概念與特征高速加工技術(shù)： 高速加工包括高速切削高速切削和高速磨削高速磨削。 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實現(xiàn)高速運動的自動化制造設(shè)備，極大地提高材料的去除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。 高速切削（High-speed Cutting）：采用比常規(guī)速度高得多的切削速度進行加工的一種高效新工藝方法。3以切削速度和進給速度界定： 高速加工的切

2、削速度和進給速度為普通切削的510倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速800010000 r/min。高速加工切削速度范圍隨加工方法加工方法不同有所不同車削(Turing)：700-7000 m/min銑削(Milling)：300-6000 m/min鉆削(Drilling)：200-1100 m/min磨削(Grinding)：50-300 m/s鏜削（Boring）：35-75m/min4 高速加工切削速度范圍因不同的工件材料工件材料而異鋁合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min銅(Cu)：900-5000 m/min鋼(Steel)：500-2000 m/

3、min灰鑄鐵(Gray cast iron)：800-3000 m/min鈦(Ti)：100-1000m/min5高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異（圖）圖 高速與超高速切削速度范圍 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金6高速加工的產(chǎn)生和發(fā)展 20世紀(jì)20年代末，德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl Salomon）博士進行了超高速模擬實驗，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并獲得專利，簡稱HSM。7 1931年C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”

4、切削不適應(yīng)區(qū)Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金85016001200800400切削溫度/切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬8結(jié)論：結(jié)論：被加工材料都有一個臨界切削速度，在臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當(dāng)切削速度達到普通切削速度的5-6倍時，切削刃口的溫切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損亦減小。度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損亦減小。高速加工切削速度刀具壽命切削力Salomon曲線9 Salomom的理論與

5、實驗結(jié)果，引發(fā)了人們極大的 興趣，并由此產(chǎn)生了“高速切削（高速切削（HSCHSC）”的概念 1960年前后美國空軍和Lockheed飛機公司研究了用于 輕 合 金 材 料 的 超 高 速 銑 削 （ 切 削 速 度 達15004500m/min） 德國，全面而系統(tǒng)研究超高速切削機床、刀具、控制系統(tǒng)以及相關(guān)工藝技術(shù)，并廣泛應(yīng)用，獲得好的經(jīng)濟效益日本在超高速切削機床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)已成為世界上超高速機床的主要提供者10HSM意義： HSM不是簡單意義上的高切削速度。它應(yīng)當(dāng)被認為是用特定方法和生產(chǎn)設(shè)備進行加工的工藝。 11二、高速切削技術(shù)的特點及應(yīng)用（1 1）高速加工特點）高速加工特點加

6、工效率高：進給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍； 切削力小：較常規(guī)切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。工件受力變形小，適于加工薄壁件和細長件； 切削熱?。杭庸み^程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件，可提高加工精度； 動力學(xué)特性好：刀具激振頻率遠離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動，可獲得好的表面粗糙度； 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬鋼鐵件，在一定條件下可取代磨削加工或某些特種加工； 環(huán)保：可實現(xiàn)“干切”和“準(zhǔn)干切”，避免冷卻液污染。12 效率高！效率高！以瑞士MIKRON公司生產(chǎn)

7、HSM-700高速銑床為例，其最高轉(zhuǎn)速可達42000r/min，是普通銑削轉(zhuǎn)速的幾十倍，加工效率自然遠遠高于普通銑削加工。13精度高！精度高！ 對于同樣的切削層參數(shù)，由于高速帶來突變滑移減少硬化阻力，使得高速切削的單位切削力明顯減小。這對減小振動和偏差非常重要，也使工件在切削過程的受力工件在切削過程的受力變形顯著減小變形顯著減小。特別有利于提高薄壁細筋件等剛性差零件的高速精密加工。14質(zhì)量高！質(zhì)量高！ 一方面，高速切削的力值及其變化幅度小，與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的激振頻率遠遠高于切削工藝系統(tǒng)的高階固有頻率。 另一方面，由于傳入工件的切削熱的比例大幅度減少，加工表面受熱時間短、切削溫度低，因此熱影響區(qū)和

8、熱影響程度都較小。加工表面質(zhì)量顯著提高。15低消耗！低消耗！ 高速切削時，單位功率所切削的切削層材料體積顯著增大。由于采用較小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而機床的主軸、導(dǎo)軌的受力就小，機床的精度壽命長，同時 高速加工機床振動小、噪聲低、少用或不用切削液，也符合環(huán)保要求。刀具壽命也延長了。16（2）高速切削的應(yīng)用？）高速切削的應(yīng)用？17不同材料的高速加工不同材料的高速加工鋁、銅合金的高速切削加工鋁、銅合金的高速切削加工 鋁、銅合金的強度和硬度相對較低，導(dǎo)熱性好，適于進行高速切削加工，不僅可以獲得高的生產(chǎn)率，還可以獲得好的加工表面質(zhì)量。鑄鐵與鋼高速切削加工鑄鐵與鋼高速切削加工 不僅可以獲得

9、高的加工效率和好的表面質(zhì)量，還可以對淬硬鋼和冷硬鑄鐵進行切削加工，實現(xiàn)以切代磨。難加工材料的高速切削加工難加工材料的高速切削加工 鈦合金、鎳合金、硬質(zhì)合金和高溫合金等，采用合適的PCD或PCBN刀具進行高速切削可以獲得較好的效果 軟材料的高速切削加工軟材料的高速切削加工 如橡膠、塑料、木頭等，高速切削加工表面極為光潔，這對于普通切削加工是很難做到的 。18高速加工應(yīng)用領(lǐng)域高速加工應(yīng)用領(lǐng)域大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構(gòu)件適于采用高速加工，材料去除率達100-180cm3/min。鎳合金、鈦合金高速加工，切削速度達200-1000 m/min 對一些“整體制造法整體制造法”零件，高速切削大大提高

10、生 產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本 例如：波音公司在生產(chǎn)波音F-15戰(zhàn)斗機時，采用“整體制造法”，飛機零件數(shù)量減少了42%，用高速銑削代替組裝方法得到大型薄壁構(gòu)件，減少了裝配等工藝過程。 19高速銑削客機機艙地板桁條高速銑削客機機艙地板桁條20航空航天航空航天增壓器葉輪實物高速加工薄壁樣件（厚度0.1mm）（米克朗公司）21汽車制造業(yè)汽車制造業(yè)高速加工中心組成柔性生產(chǎn)線(FTL)國內(nèi)如一汽大眾捷達轎車自動生產(chǎn)線，由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機及傳動器等高速生產(chǎn)線組成，年產(chǎn)轎車能力15萬輛，制造節(jié)拍1150輛/min；汽車發(fā)動機及其配件的高速切削加工汽車覆蓋件及零件模具的高速切削加工22 汽車

11、車門外覆蓋件模具的高速加工 模具尺寸：模具尺寸：1400 x1200 x600mm1400 x1200 x600mm 模具重量：模具重量：2500kg2500kg 毛坯材料：毛坯材料：GGG30(GGG30(相當(dāng)于相當(dāng)于HT300) HT300) 材料硬度：材料硬度：HB240HB240 高速高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工的時間比較：加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工的時間比較：傳統(tǒng)加工：傳統(tǒng)加工：50H.50H.，鉗工修復(fù)：，鉗工修復(fù)：90H.90H.，總計；，總計；140H.140H.HSMHSM：16H.5M.16H.5M.，手工修復(fù)：，手工修復(fù)：15H.15H.，總計：，總計：37.5H.37.5H.23 模

12、具加工業(yè)模具加工業(yè)淬硬模具型腔的直接高速加工淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工質(zhì)量和效率，可取代電火花加工應(yīng)用于精密模具的加工精密模具的加工，可實現(xiàn)淬火鋼模具加工“一次過”，直接達到級精度及接近鏡面的表面質(zhì)量?？焖贅蛹圃炜焖贅蛹圃?，比快速原型制造技術(shù)效率高、質(zhì)量好EDMEDM電極加工電極加工，提高電火花加工質(zhì)量和效率，減少后續(xù)加工工序24 采用采用高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)電火花成形加工，效率提高高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)電火花成形加工，效率提高3-53-5倍倍 1毛坯 2粗銑 3半精銑 4熱處理5電火花加工6精銑 7手工磨修 電極制造傳統(tǒng)模具加工的過程高速模具加工的過程1硬化毛坯 2粗銑 3半精銑 4

13、精銑 5手工磨修 兩種模具加工過程比較兩種模具加工過程比較25照相機按紐勺子反射鏡高速加工塑料模具高速加工塑料模具26連桿鉗子高速加工鍛造模具高速加工鍛造模具27加工場景模具材料從鑄鐵到鑄鋼、鑄鋁和合金鑄鋼，塑料的輪胎型芯,用傳統(tǒng)方法(手工) 需十幾道工序, 時間20 d 以上采用超高速銑削, 轉(zhuǎn)速18000 rpm , ap=2mm , vf =10m/min ,時間24h高速加工橡膠輪胎模高速加工橡膠輪胎模28壓鑄模吸塑模29高速加工與電火花加工的比較 高速加工的加工精度高、表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率很高，在模具工業(yè)中的應(yīng)用效果非常好，符合現(xiàn)代制造技術(shù)“高效率、高精度和高度自動化”的發(fā)展方向，有

14、廣闊的應(yīng)用前景 電火花成形加工對一些尖角、窄槽、深小孔和過于復(fù)雜的型腔表面的精密加工還是有用的 高速加工還不能完全代替電火花成形加工，兩者應(yīng)該揚長避短，相輔相成 高速加工的一次性設(shè)備投資比較大，并不是所有企業(yè)都能承受 高速加工以其巨大的優(yōu)勢沖擊傳統(tǒng)的電加工工藝，特別是對模具工業(yè)而言,大規(guī)模設(shè)備更新的時代即將到來30三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù)（1）高速主軸單元制造技術(shù)高速主軸單元制造技術(shù)（2）高速進給單元制造技術(shù)高速進給單元制造技術(shù)（3）高速加工刀具技術(shù)高速加工刀具技術(shù)（4）高速加工的機理研究（5）高速加工在線檢測與控制技術(shù)（6）高速加工的加工工藝（7）其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加

15、工的排屑技術(shù)、安全防護技術(shù)等31（1 1）高速切削加工系統(tǒng)）高速切削加工系統(tǒng)切切 削削機機 理理加加 工工工工 藝藝切切 削削刀刀 具具高高 速速機機 床床加工工件加工工件監(jiān)控與測試監(jiān)控與測試表面完整表面完整性性加工壽命加工壽命切削熱切削熱切削力切削力切屑機理切屑機理CAD/CACAD/CAMMNCNC編程編程加工參數(shù)加工參數(shù)工藝優(yōu)化工藝優(yōu)化數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫刀具材料刀具材料刀體結(jié)構(gòu)刀體結(jié)構(gòu)刀刃形狀刀刃形狀刀柄結(jié)構(gòu)刀柄結(jié)構(gòu)動平衡動平衡溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng)換刀裝置換刀裝置基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)CNCCNC控制控制高速主軸高速主軸裝卸裝卸穩(wěn)定性穩(wěn)定性進給機構(gòu)進給機構(gòu)安全防護安全防護工件材料工件材料

16、加工特征加工特征定位加緊定位加緊32實時監(jiān)控與安全保障系統(tǒng)實時監(jiān)控與安全保障系統(tǒng) 高速高速加工技術(shù)體系及關(guān)鍵加工技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)樹狀圖技術(shù)樹狀圖高 速 加 工 體高 速 加 工 體系 結(jié) 構(gòu) 及 關(guān)系 結(jié) 構(gòu) 及 關(guān)鍵技術(shù)鍵技術(shù)高速加工刀具高速加工刀具工件工件高速加工工藝高速加工工藝工件材料工件材料定位夾緊定位夾緊動平衡動平衡高速加工機床高速加工機床機床整體結(jié)構(gòu)機床整體結(jié)構(gòu)機床主軸系統(tǒng)機床主軸系統(tǒng)機床進給系統(tǒng)機床進給系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)安全防護裝置安全防護裝置數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)切削力切削力切削熱切削熱切屑形態(tài)切屑形態(tài)切削振動切削振動切削方式切削方式路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃加工參

17、數(shù)選取加工參數(shù)選取工序、工步優(yōu)化設(shè)計工序、工步優(yōu)化設(shè)計刀具材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計刀具材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計刀具使用壽命刀具使用壽命磨損、破損機理與在線檢測磨損、破損機理與在線檢測動平衡動平衡刀具刃磨與修整刀具刃磨與修整高速切削與磨削機理高速切削與磨削機理33高速主軸單元的要求高速主軸單元的要求 回轉(zhuǎn)精度高，剛性好 動平衡性很高 能傳遞足夠的力矩和功率 能承受高的離心力 有良好的熱穩(wěn)定性，帶有準(zhǔn)確的測溫裝置和高效的冷卻裝置 通常采用主軸電機一體化的電主軸電主軸部件，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動34電主軸概述電主軸省去了帶輪或齒輪傳動，實現(xiàn)了機床的“零傳動”，提高了傳動效率電主軸的剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、快速響應(yīng)性好，能

18、夠?qū)崿F(xiàn)極高的轉(zhuǎn)速和加、減速度及定角度的快速準(zhǔn)停（C軸控制），調(diào)速范圍寬電主軸的基本參數(shù)： 套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等35 世界世界上著名的電主軸生產(chǎn)廠家：上著名的電主軸生產(chǎn)廠家：瑞士：瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司德國：德國：GMN公司，F(xiàn)AG公司美國：美國：Precise公司意大利：意大利：Gamfior公司，F(xiàn)oemat公司日本：日本：NSK公司，Koyo公司瑞典：瑞典：SKF公司 洛陽軸研科技股份有限公司洛陽軸研科技股份有限公司在“九五”期間，以國家重點科技攻關(guān)項目為依托，先后開發(fā)了裝備國產(chǎn)電機的、最高轉(zhuǎn)速為15,000r/min、12,00

19、0r/min、10,000r/min8,000r/min的內(nèi)裝式電主軸，其最大扭矩為129Nm。36適合小孔鉆削電主軸電主軸單元單元37電主軸的高速軸承技術(shù)陶瓷軸承磁懸浮軸承38 陶瓷球軸承具有耐溫高、轉(zhuǎn)速高、壽命長、絕緣耐溫高、轉(zhuǎn)速高、壽命長、絕緣的特點,且其本身具有自潤滑性自潤滑性，常用的陶瓷球材料有氧化鋯（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有軸承鋼（GCR15）和不銹鐵（440、440C）及不銹鋼。39冷卻水出口 陶瓷軸承高速主軸陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸陶瓷球軸承冷卻水入口 與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點是： 陶瓷球密度減小60%，可大大降低離心力 彈性模量比鋼高50%

20、，使軸承具有更高剛度 陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失 陶瓷耐磨性好，軸承壽命長40 磁懸浮磁懸浮軸承（軸承（Magnetic BearingMagnetic Bearing）是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中懸浮于空中,使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸。磁感應(yīng)線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉(zhuǎn)子的重量就固定在運轉(zhuǎn)的軌道上，利用幾乎是無負載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉(zhuǎn)子懸空。機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染。需潤滑、無油污染。 41電磁鐵繞組通過電流，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力，與轉(zhuǎn)子重量平衡，轉(zhuǎn)子處于

21、懸浮平衡位置（圖19）。轉(zhuǎn)子受擾動后，偏離其平衡位置。傳感器檢測出轉(zhuǎn)子位移，并將位移信號送至控制器。控制器將位移信號轉(zhuǎn)換成控制信號，經(jīng)功率放大器變換為控制電流，改變吸力方向，使轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置。磁浮軸承磁浮軸承高速主軸高速主軸放大器控制器電磁鐵（定子）傳感器轉(zhuǎn)子 磁懸浮軸承工作原理 位移傳感器通常為非接觸式，其數(shù)量一般為5-7個，對其靈敏度和可靠性要求均較高。 控制器設(shè)計較復(fù)雜，使磁懸浮軸承成本較高（一套磁懸浮軸承售價約1萬美元）。42前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器磁浮軸承高速主軸磁浮軸承磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)43瑞士IB

22、GA公司的水介質(zhì)靜壓電主軸高速電主軸靜壓軸系高速電主軸靜壓軸系44空氣靜壓軸承高速主軸空氣靜壓軸承高速主軸轉(zhuǎn)速特征值轉(zhuǎn)速特征值(=(=軸徑軸徑(km)(km)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)(r/min) )(r/min) )回轉(zhuǎn)精回轉(zhuǎn)精度度/m/m軸承材料軸承材料特點特點應(yīng)用應(yīng)用滾珠軸承滾珠軸承高速主軸高速主軸 0.5-10.50.5陶瓷珠陶瓷珠, ,如如Si3N4 成本低成本低, ,結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, ,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度受限轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度受限制制各種高速加工機床各種高速加工機床和加工中心等和加工中心等液體靜壓液體靜壓軸承高速軸承高速主軸主軸 1 10.233 0.05 0.05軸承鋼軸承鋼, ,多多孔石墨孔石墨成本很高

23、成本很高, ,剛性剛性較差較差, ,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度很高精度很高精密磨削，銑精密磨削，銑削、雕刻、微小削、雕刻、微小孔鉆削及拋光等孔鉆削及拋光等 磁浮軸承磁浮軸承高速主軸高速主軸4 40.20.2合金鋼合金鋼成本很高成本很高, ,結(jié)構(gòu)復(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜, ,剛性好剛性好, ,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度高轉(zhuǎn)精度高加工加工中心中心 比較精密高速電主軸的比較精密高速電主軸的特點特點45高速電主軸的發(fā)展趨勢1. 1.向高速大功率和低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展向高速大功率和低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展2. 2.向高精度、高剛度方向發(fā)展向高精度、高剛度方向發(fā)展3. 3.向精確定向（準(zhǔn)停）方向發(fā)展向精確定向（準(zhǔn)停）方向發(fā)展4.

24、4.向快速起、停方向發(fā)展向快速起、停方向發(fā)展5. 5.向超高速方向發(fā)展向超高速方向發(fā)展6. 6.向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展46（2 2）高速進給單元制造技術(shù)）高速進給單元制造技術(shù)對高速機床進給驅(qū)動系統(tǒng)的要求對高速機床進給驅(qū)動系統(tǒng)的要求 要求不僅僅能夠達到高速運動，而且要求瞬時達到高速瞬時達到高速、瞬時準(zhǔn)停瞬時準(zhǔn)停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。 高速進給系統(tǒng)包括進給伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件導(dǎo)向技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件導(dǎo)向技術(shù)、高速測量與反饋控制技術(shù)高速測量與反饋控制技術(shù)和其他周邊技術(shù)，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術(shù)等。 目前常用的高速進給系統(tǒng)有三種主要的驅(qū)動

25、方式三種主要的驅(qū)動方式：高速滾珠絲杠、直線電動機和虛擬軸機構(gòu)。和高速進給系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的還有工作臺（拖板）、導(dǎo)軌的設(shè)計制造技術(shù)導(dǎo)軌的設(shè)計制造技術(shù)等等47滾珠絲杠滾珠絲杠 滾珠絲杠是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行件的直線運動的運將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成執(zhí)行件的直線運動的運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。 滾珠絲杠主要承受軸向載荷主要承受軸向載荷，因此對絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高，長采用角接觸球軸承或雙向推力圓柱滾子軸承與滾針軸承的組合軸承方式。48 傳統(tǒng)滾珠絲杠副缺點傳統(tǒng)滾珠絲杠副缺點 傳統(tǒng)的滾珠絲杠副在數(shù)控機床中應(yīng)用比較廣泛，但其在其在高速場合

26、下具有下列缺點：高速場合下具有下列缺點：系統(tǒng)剛度低，動態(tài)特性差。高速下熱變形嚴重。噪聲大，壽命低，不易檢驗維修。（優(yōu)化措施見備注）滾珠絲杠副傳動仍然存在問題：滾珠絲杠副傳動仍然存在問題：高速滾珠絲杠螺母副制造困難，成本較高。速度和加速度的提高有較大限制。進給行程有限（42m） 。全閉環(huán)時系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。49直線伺服電動機直線伺服電動機 直線伺服電動機是一種能直接將電能轉(zhuǎn)化為直能直接將電能轉(zhuǎn)化為直線運動機械能的電力驅(qū)動裝置線運動機械能的電力驅(qū)動裝置，是適應(yīng)超高速加工技術(shù)發(fā)展的需要而出現(xiàn)的一種新型電動機。它代替了傳統(tǒng)的由回轉(zhuǎn)型伺服電動機加滾珠絲杠的伺服進給系統(tǒng) 其最大的特點其最大的特點是從電動機到

27、工作臺之間的一是從電動機到工作臺之間的一切中間傳動都沒有了切中間傳動都沒有了，可直接驅(qū)動工作臺進行直線運動，使工作臺的加/減速提高到傳統(tǒng)機床的1020倍，速度提高34倍。 50直線伺服電動機直線伺服電動機也分為同步式與也分為同步式與感應(yīng)式兩種。感應(yīng)式兩種。 感應(yīng)式與同步式最大的區(qū)別是在定件上用不同點的繞組取代同步式的永磁鐵，且每個繞組中的每一匝都是短路的。通電后在定件和動件之間的間隙中產(chǎn)生一個大的行波磁場，依靠磁力推動工作臺做直線運動。51位置測量位置測量系統(tǒng)系統(tǒng)機床滑臺機床滑臺初級線圈初級線圈次級線圈次級線圈導(dǎo)軌導(dǎo)軌感應(yīng)式伺服電機感應(yīng)式伺服電機直線電機優(yōu)點：直線電機優(yōu)點：加速度大加速度大 其

28、加速度可高達（210）g，滾珠絲杠工作臺從靜止到25m/min，需時0.5s，而直線電動機驅(qū)動工作臺從靜止到75m/min，只需0.05s。速度高速度高 直線電機直接驅(qū)動工作臺，無任何中間機械傳動元件，無旋轉(zhuǎn)運動，不受離心力的作用，可容易地實現(xiàn)高速直線運動，其最大進給速度以達到150m180m/min。定位精度高定位精度高 直線電機進給系統(tǒng)常用光柵尺作為工作臺的位置測量元件，并且采用閉環(huán)控制，通過反饋，對工作臺的位移精度進行精確的控制，因而剛度高，定位精度高達0.10.01微米。行程不受限制行程不受限制 直線電機的次級是一段一段地連續(xù)鋪在機床床身上，次級鋪到哪里，初級（工作臺）就可運動到哪里，

29、對整個系統(tǒng)的剛度不會有任何影響。52直線電機缺點：直線電機缺點： 控制系統(tǒng)相對復(fù)雜。控制系統(tǒng)相對復(fù)雜。在直接驅(qū)動下，所有干擾（如外界載荷的變化、摩擦力等）不經(jīng)任何緩沖就直接反作用到于控制器，給控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來影響，增加了控制難度。 永磁直線電機的動子和定子存在很強的磁吸引力，裝配難裝配難度大度大。 端部效應(yīng)（端部效應(yīng)（End effectEnd effect）是直線電機特有的現(xiàn)象，主要由電樞的有限長度引起；它不像旋轉(zhuǎn)電機那樣形成環(huán)形閉合結(jié)構(gòu)，直線電機的兩個端部是“斷開的”，導(dǎo)致端部磁路發(fā)生衰減和畸變，引起推力波動。 由于直線電機結(jié)構(gòu)的特殊性，要有隔磁、防水、防塵、緩要有隔磁、防水、防塵、緩

30、沖防撞等保護措施。沖防撞等保護措施。作為垂直驅(qū)動軸使用時，在突然斷電或出現(xiàn)故障的情況下，要有緊急剎車措施，防止動子掉下發(fā)生事故，比如采用導(dǎo)軌鎖緊裝置，反向電流加載保護等措施。53直線電機驅(qū)動與滾珠絲桿間接驅(qū)動54直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較55 性性 能能 伺服電機伺服電機滾珠絲杠滾珠絲杠 直線驅(qū)動直線驅(qū)動 定位精度定位精度( (mm/300mm) 5/300mm) 510 0.510 0.51.01.0 重復(fù)定位精度重復(fù)定位精度( (mm) ) 2 25 5 0.10.10.20.2 最高速度最高速度( (m/min) 20m/min) 2050 6050 60200

31、200 最大加速度最大加速度( (g) 1g) 12 22 21010 壽命壽命( (h) 6000h) 600010000 5000010000 50000高速加工刀具技術(shù)對高速切削刀具的要求：對高速切削刀具的要求：高硬度，高強度，高耐磨性。高韌度，高抗沖擊性。高熱硬性，高化學(xué)穩(wěn)定性。高抗熱沖擊性。56高速加工刀具材料5757刀具刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（切削速度（m/minm/min）20002000100010005005002002001001005050202010101800 1850 1900 1950 2000 1800 18

32、50 1900 1950 2000 年代年代碳素工具鋼碳素工具鋼合金工具鋼合金工具鋼WCWC系硬質(zhì)合金系硬質(zhì)合金高速鋼高速鋼WC-TiCWC-TiC系硬質(zhì)合金系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlNTiAlN涂層涂層硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金DLCDLC涂層涂層硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金TiC-TiNTiC-TiN金屬陶瓷金屬陶瓷聚晶立方聚晶立方 氮化硼氮化硼 （PCBNPCBN）陶瓷陶瓷聚晶金剛石聚晶金剛石（PCDPCD）普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比5858刀具材料種類刀具材料種類 合金合金 高速鋼高速鋼 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金 陶瓷陶瓷 天然天然 聚晶金剛石聚晶金剛石 聚晶立方氮聚晶立方氮工具鋼工具

33、鋼 W18Cr4V YG6 SiW18Cr4V YG6 Si3 3N N4 4 金剛石金剛石 PCD PCD 化硼化硼 PCBNPCBN材料性能材料性能 硬度硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV10000 HV7500HV7500 HV4000HV4000抗彎強度抗彎強度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 0.3GPa 2.8GPa 2.8GPa 1.5GPa1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 40-5040-50 20

34、-3020-30 70-10070-100 30-4030-40 146.5 146.5 100-100-120120 40-40-100100熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 350 620 350 620 101000 100 14 400 00 800 800 6 600-800 00-800 1000 1000 化學(xué)惰性化學(xué)惰性 低低 惰性大惰性大 惰性小惰性小 惰性小惰性小 惰性大惰性大 耐磨性耐磨性 低低 低低 較高較高 高高 最高最高 最高最高 很高很高 一般精度一般精度 Ra0.8 Ra0.8 高精度高精度 Ra=0.4-0.2Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量加工質(zhì)量 Ra0.8 IT7-8 Ra

35、0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 Ra=0.1-0.05 IT5-6IT5-6 IT7-8 IT7-8 IT5-6 IT5-6 可替代磨削可替代磨削加工對象加工對象低速加低速加工一般工一般鋼材、鋼材、鑄鐵鑄鐵一般鋼一般鋼材、鑄材、鑄鐵粗、鐵粗、精加工精加工一般鋼一般鋼材、鑄材、鑄鐵粗、鐵粗、精加工精加工高硬度高硬度鋼材精鋼材精加工加工硬質(zhì)合金、銅、硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高合金、陶瓷等高硬度材料硬度材料淬火鋼、冷硬淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合鑄鐵、高溫合金等難加工材金等難加工材料料天然金剛石刀具天然金剛石刀具天然金剛石是天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)目前已知

36、的最硬物質(zhì)，硬度范圍為，硬度范圍為HV8000-12000HV8000-12000，相對密度為，相對密度為3.48-3.563.48-3.56。是是各向異性各向異性的單晶體，晶體取向不同，硬度及耐磨性的單晶體，晶體取向不同，硬度及耐磨性也不相同。也不相同。耐磨性極好，耐磨性極好，刀具壽命可長達數(shù)百小時；刃口鋒利，刀具壽命可長達數(shù)百小時；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達切削刃鈍圓半徑可達0.01m0.01m。耐熱性為耐熱性為700-800700-800，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，硬度喪失。結(jié)構(gòu)，硬度喪失。價格昂貴價格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙，刃

37、磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤等。磁盤等。59聚晶金剛石聚晶金剛石刀具刀具不存在各向異性，不存在各向異性，硬度略低于天然金剛石硬度略低于天然金剛石，為，為HV6500-8000HV6500-8000價格便宜價格便宜，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石大部分場合代替天然金剛石用用CVD(CVD(化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積) )可將聚晶金剛石作成涂層可將聚晶金剛石作成涂層金剛石刀具不適于加工鐵族材料，金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因為金剛

38、石中的因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴散，使金剛石刀具很快磨損鐵的工件擴散，使金剛石刀具很快磨損60聚晶立方氮化硼聚晶立方氮化硼刀刀具具較高的硬度和耐磨性：較高的硬度和耐磨性：切削耐磨材料時，其耐切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的磨性為硬質(zhì)合金刀具的5050倍，涂層硬質(zhì)合金刀倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的具的3030倍，陶瓷刀具的倍，陶瓷刀具的2525倍倍高的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定高的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具性明顯優(yōu)于金剛石刀具61500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600

39、800 1000 溫度/BN100BN20陶瓷硬質(zhì)合金PCBN刀具高溫硬度62v PCBN PCBN刀具應(yīng)用實例刀具應(yīng)用實例加工對象加工對象 硬度硬度 加工方式加工方式 工藝參數(shù)工藝參數(shù) 加工效果加工效果 GCr15 HRC71 GCr15 HRC71 車削車削 V=180m/mim V=180m/mim 以車代磨，工效提高以車代磨，工效提高4-54-5倍倍 鋼軋輥鋼軋輥 f = 5.6mm/r Ra 0.8-0.4f = 5.6mm/r Ra 0.8-0.4 m m YG15 HRA87 YG15 HRA87 鏜孔鏜孔 V=50m/mim V=50m/mim 工效較電火花加工提高工效較電火花

40、加工提高3030冷擠壓模冷擠壓模 倍，倍，Ra 0.8-0.4Ra 0.8-0.4 m mA3A3熱壓板熱壓板 端銑端銑 V = 800m/mim V = 800m/mim 以銑代磨，工效提高以銑代磨，工效提高6-76-7倍倍 V Vf f = 100m/mim Ra1.6-0.8= 100m/mim Ra1.6-0.8 m m，平面度，平面度0.020.02 凸輪軸凸輪軸 HRC60 HRC60 磨削磨削 V= 80m/s V= 80m/s 比單晶剛玉砂輪壽命提高比單晶剛玉砂輪壽命提高 2020倍，生產(chǎn)效率提高倍，生產(chǎn)效率提高50%50% GCr15 HRC62 GCr15 HRC62 磨削

41、磨削 V= 65m/s V= 65m/s 比棕剛玉砂輪耐用度提高比棕剛玉砂輪耐用度提高軸承內(nèi)孔軸承內(nèi)孔 170170倍，生產(chǎn)效率提高一倍倍，生產(chǎn)效率提高一倍 CrCr、Cu Cu 端銑端銑 V = 800m/mim Ra 0.8V = 800m/mim Ra 0.8 m m，平面度，平面度0.020.02 鑄鐵鑄鐵 V Vf f = 0.1mm/= 0.1mm/齒齒 40Cr40Cr鋼鋼 HRC38 HRC38 立銑立銑 V = 850m/mim V = 850m/mim 以銑代磨，工效提高以銑代磨，工效提高5-65-6倍倍 Ra 0.8Ra 0.8 m m PCBNPCBN刀具應(yīng)用實例刀具應(yīng)

42、用實例聚晶立方氮化硼聚晶立方氮化硼刀具刀具良好的化學(xué)穩(wěn)定性良好的化學(xué)穩(wěn)定性: : 1200-13001200-1300與鐵系材料不發(fā)生與鐵系材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；化學(xué)反應(yīng)；20002000才與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對各種材才與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對各種材料粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小的多?；瘜W(xué)穩(wěn)定性料粘結(jié)、擴散作用比硬質(zhì)合金小的多?；瘜W(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料優(yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料良好的導(dǎo)熱性良好的導(dǎo)熱性: : 導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/m1300W/m，是硬質(zhì)合金的，是硬質(zhì)合金的2020倍，陶瓷的倍，陶瓷的3737倍，倍，且隨溫

43、度升高而增加。刀尖處溫度低，刀具磨損少，且隨溫度升高而增加。刀尖處溫度低，刀具磨損少，加工精度高加工精度高較低的摩擦系數(shù)較低的摩擦系數(shù): :與不同材料間的摩擦系數(shù)為與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1-0.30.1-0.3（硬質(zhì)合金為（硬質(zhì)合金為0.4-0.60.4-0.6），且隨切削速度的提高而減），且隨切削速度的提高而減小。切削變形和切削力小，加工表面質(zhì)量高小。切削變形和切削力小，加工表面質(zhì)量高63高速回轉(zhuǎn)刀具結(jié)構(gòu)高速回轉(zhuǎn)刀具結(jié)構(gòu) 刀柄結(jié)構(gòu)傳遞機床精度和切削力刀柄結(jié)構(gòu)傳遞機床精度和切削力, ,是高速切削時是高速切削時的關(guān)鍵部件的關(guān)鍵部件, , 須滿足下列要求：須滿足下列要求：很高的幾何精度和裝夾

44、重復(fù)精度很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度很高的裝夾剛度很高的裝夾剛度高速運轉(zhuǎn)時安全可靠高速運轉(zhuǎn)時安全可靠6465整體式銑刀整體式銑刀機夾式銑刀機夾式銑刀 典型高速回轉(zhuǎn)刀具可分為典型高速回轉(zhuǎn)刀具可分為整體式和機夾式整體式和機夾式兩類，小直兩類，小直徑銑刀一般采用整體制造，大直徑刀具常用機夾式。徑銑刀一般采用整體制造，大直徑刀具常用機夾式。66刀柄刀柄主軸主軸拉桿拉桿漲套漲套HSKHSK刀柄刀柄傳統(tǒng)刀柄傳統(tǒng)刀柄1:101:107:247:24間隙間隙主軸主軸拉桿拉桿刀柄刀柄定位端面定位端面配合錐面配合錐面HSKHSK刀柄與傳統(tǒng)刀柄結(jié)構(gòu)刀柄與傳統(tǒng)刀柄結(jié)構(gòu)67標(biāo)準(zhǔn)刀柄在高速運轉(zhuǎn)下的不足標(biāo)準(zhǔn)刀柄在高速運轉(zhuǎn)下

45、的不足高速主軸的前端由于高速主軸的前端由于離心力的作用會使主離心力的作用會使主軸膨脹軸膨脹 為保證高速下仍有可靠的接為保證高速下仍有可靠的接觸定位，需很大的過盈量來觸定位，需很大的過盈量來抵消主軸軸端的膨脹，這需抵消主軸軸端的膨脹，這需拉桿產(chǎn)生很大的預(yù)緊拉力，拉桿產(chǎn)生很大的預(yù)緊拉力，也不利于換刀，還會使主軸也不利于換刀，還會使主軸膨脹，影響主軸前軸承膨脹，影響主軸前軸承HSK刀柄德國阿亨大學(xué)機床研究室專為高速機床主軸開發(fā)的一種刀德國阿亨大學(xué)機床研究室專為高速機床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，已被軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，已被DINDIN標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化HSKHSK短錐刀柄錐度短錐刀柄錐度110110，比標(biāo)準(zhǔn)的，比標(biāo)準(zhǔn)的7/247/24錐短錐短錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合的過盈量較小，對刀柄錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合的過盈量較小，對刀