对高速切削加工机床的要求

　　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高的切削速度和满足高速切削加工下一系列的功能要求，主要包括如下几点。

　　(1) 要有一个适合高速运转的主轴单元及其驱动系统

　　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，而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动功率、良好的散热和冷却装置，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。高速机床与普通机床的不同之处，反映在高速主轴单元上主要表现在如下几个技术参数的变化：主轴转速一般为普通机床主轴转速的5~10倍，机床的最高转速一般都大于10000 r/min，有的高达60000~100000 r/min;主轴单元电机功率一般高达20~80 kW，以满足高速、高效和重载荷切削的要求;主轴单元从启动到达到选定的最高转速(或从最高转速到停止)需要的时间较短，一般只需1~2 s即可完成。就是说，主轴的加、减速度比普通机床高得多，一般比常规数控机床高出一个数量级，从而达到1~8 g(g=9.81m/s2)。高速加工机床的主运动一般是由电主轴来完成的。

　　(2) 要有一个快速反应的进给系统单元部件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，机床进给速度和其加、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。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40~120 m/min，进给加速度和减速度同样要求达到1~8 g，亦即9.81~78.48 m/s2。为此，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“旋转伺服电机+普通滚珠丝杠”的进给传动方式。结构形式上采取的主要措施有：一是大幅度减轻进给移动部件的重量，为此，最有效的办法就是在结构上实现“零传动”，即直接采用直线电机驱动;二是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;三是采用快速反应的伺服驱动CNC控制系统。

　　(3) 要有高效、快速的冷却系统

　　在高速切削加工条件下，单位时间内切削区域会产生大量的热量，如果不能使这些热量迅速地从切削区域传走，不但妨碍切削工作的正常进行，而且会造成机床、刀具和工具系统的热变形，严重影响加工精度和机床的动刚性。作为高速切削加工的配套技术，近年来日本的三井精机和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。高速“电主轴”单元结构设计时，冷却系统的设计也是不可忽视的一个重要方面。为了防止主轴部件在高速运转过程中出现过热现象，支撑轴承必须考虑采用有效的强制冷却方法。就是说，对于高速切削加工机床，机床结构设计时必须考虑设计必要的冷却和散热装置。

　　(4) 要有高刚性的床体结构

　　高速切削加工机床在高速切削状态下，一方面，产生的切削力作用在床体上;另一方面，因速度很高，还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床身受力较大。设计时必须要求其具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。高刚性和阻尼特性是高速加工中保证加工质量和提高刀具寿命的需要。

　　(5) 要有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) 要有方便可靠的换刀装置

　　通过新型换刀结构设计，保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷，换刀时间短。这也是高速切削加工机床要求所必需的。

　　(7) 要有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。

　　总之，应考虑高速切削加工的特殊性，必须对实施高速切削加工的机床提出新的要求。只有这样才能实现高速、高效、高精度的平衡切削。