高速切削加工技术在数控机床中的应用

吕岩超

摘要：高速切削技术是一门先进的工艺制造技术，在各类机械产品的制造加工中具有独特优势。 高速切削机床作为高速切削技术的重要组成部分，呈现出超高速化、高精密度的发展趋势，是当今机械装备研究与开发的重点。 系统总结了国内外高速机床的最新发展动态与趋势；详细分析了高速机床中的高速主轴系统、高速进给驱动系统、高性能控制系统和刀具系统等关键技术，为机床的技术改进和结构创新提供了专业建议与设计思路。

关键词：高速切削；数控机床；加工技术

引言

高速切削技术作为一种近年来逐渐发展起来的生产技术，加工范围广，加工精度高，普遍应用于航空航天、船舶交通和模具制造等领域，生产效率高，具有良好的应用前景和开阔的发展市场，为社会带来了巨大的经济效益。高速切削机床是借助高速切削技术迅速成长起来的一种新型机床，它摒弃了传统机床在加工速度和精度等方面存在的劣势，扩大了加工范围，并不断地在机床关键技术上寻求突破，使复杂类机械产品的加工成为可能。

一、关键技术研究

（一）高速主轴系统

（1）高速轴承技术

为了保证主轴高速旋转时支撑部件的强度和刚度，对所选用轴承的特性提出了很高的要求。 随着机械制造工业的迅速发展和新材料、新结构的高速应用，轴承逐渐被开发出来，如动静压液体轴承、磁浮和混合球轴承等，根据主轴功率的不同，选择合适的轴承支撑，当主轴功率较小时，主轴一般采用高精度的滚动球轴承，当主轴功率较大时，主轴可采用陶瓷滚珠球轴承作为支撑。

（2）高速电机技术

由于高速电机具有转动速度高、响应能力快、传动效率高等优点，现已广泛应用于高速主轴系统中。 同时，随着机床主轴高速化进程的发展，倘若电机仍然依靠皮带或齿轮等传统驱动方式，将会造成机床的噪声和振动问题，影响机床的加工精度和效率；采用电机内装直接驱动的形式，省去皮带等中间环节，可以有效减小主轴传动系统的转动惯量，从而提高生产效率。

（二）高速进给驱动系统

动力学分析表明，想要获得较高的进给加减速度，就必须尽可能大程度地降低移动零部件的质量、提高电动机的进给驱动力。

（1）电动机

直线电机因速度高、加速度大、行程不受控制以及定位和跟踪精度都很高等优点，被广泛应用于机床进给系统中。 直线电机驱动系统在结构上摒弃了低效率的中间环节，仅由两个互不接触的部件组成，因此不存在摩擦磨损，具有良好的静动态性能和较高的速度响应能力，在传统结构的优势上又显著提高了加工效率。

（2）导轨

导轨是进给驱动系统中的引导运动部件，面对机床高速化的发展趋势，直线滚动导轨的应用日益广泛，其主要部件包括导轨、滑块、钢球和返向器等，其中，导轨为支撑部件，安装于工作机上；滑块是移动部件，安装于导轨部件上，当导轨与滑块作相对运动时，钢球沿导轨上的滚道滚动，到达滑块端部后又可以通过返向器再次进入滚道，从而实现往复滚动运动。 同时，由于直线滚动导轨采用点或线接触，减小了摩擦系数，提升了机床的响应速度和快移速度，提高加工效率。

（3）滚珠丝杠

滚珠丝杠可以改变运动形式，且传动具有可逆性；滚珠丝杠可以进行预紧并消除间隙，因而轴向刚度高，定位精度高；同时，滚珠丝杠具有运动灵敏、效率高、发热小等优点，在高速机床上得以广泛应用。为使进给驱动系统满足高速切削进给的要求，滚珠丝杠可选择螺纹头数较多的粗螺距滚珠丝杠，也可以选择小螺距的大型号滚珠丝杠，两种机构都可以在保证加工精度的前提下提高进给速度。

（三）高性能控制系统

（1）数据处理能力

高性能的 CNC 控制系统已经被广泛应用在高速机床上，其 CPU 为 32 位或 64 位，程序的处理速度可以达到 1.6m/s。 高速切削技术对 CNC 控制系统大致有如下两点要求：一是处理单个程序段的速度要快；二是在高速下仍要保证插补的精确度。 此外，目前的 CNC 系统实现了数控系统的开放性，利用网络平台既可以传输图形数据、工艺参数和产品的加工状态等多方面的资料，又便于给用户提供所需的技术支持，完善机床服务，在很大程度上提高了产品的加工效率。

（2）检测系统

高性能控制系统实现的关键在于具有准确的检测系统，同时依靠进给速度和位置闭环配合控制。如今一种变结构的伺服控制方式正得到广泛应用，该控制方式对系统参数和外部扰动的变化均不敏感，且能够根据系统当前所处的状态，实现系统在瞬态过程中的变化，同时可实现对给定的描述曲线准确、快速地检测和追踪，能有效改善系统的动态特性。

二、数控机床中高速切削加工技术的应用展望

（一）高速切削加工技术的应用范围不断拓展

现阶段，高速切削机床主要应用于汽车生产中，但未来高速切削加工技术的应用范围必将进一步拓展。首先，电加工机床高速化发展成为重要趋势。在许多生产领域，铝合金零件的应用替代了传统的零件更换，具有多种功能的高速切削机床成为发展的核心。由于高速切削具有较强优越性，不同领域中高速切削都获得了较为广泛的应用，并推动了数控机床的全面发展。此外，关于高速切削的配套技术也获得了全面发展，使得转速与进给速度都不断提升。

（二）精細程度不断提升

高速切削在提升速度的同时还必须保证精确度，否则速度的提升完全没有意义。近几年，为了保障高速切削下的加工精度，人们对各种配套技术进行了大量研究，并取得了较为显著的进展。通过计算机仿真进行设计，有效改善多功能数控机床的静力、动力与热力性能。目前，高速数控机床在精度方面获得了较大提升，大多数高速数控机床的全行程定位精度可以控制在 0.005mm 之内。

三、结语

高速切削技术在数控机床中的应用具有较为广泛的前景，不仅能有效降低能源消耗，也能避免环境污染。基于此，本文对当前高速切削技术在数控机床中的应用进行分析，并指明了未来数控机床的发展方向。

参考文献：

[1]张立波.中国数控机床产业发展现状与展望[J].机床与液压，2018（5）：22-23