高速數控機床

高速數控機床及其技術1概述

2高速切削和高速機床的關鍵技術3高速主軸單元4高速進給系統(tǒng)5高速刀具系統(tǒng)6高速加工數控系統(tǒng)

1概述

高速切削技術是一種采用超硬材料刀具和能可靠地通過高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備以極大地提高切削速度來達到提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代制造加工技術。它是提高切削效果、加工質量、加工精度和降低加工成本的重要手段。

從提高生產效率的角度，制造技術的發(fā)展經歷了三個階段。第一階段為加工輔助時間較長階段。在數控機床出現以前，機械零件加工過程所花的時間，超過70％是輔助時間——用于零件的上下料、測量、換刀和調整機床等。第二階段為數控加工階段。以數控機床為基礎的柔性制造自動化技術的發(fā)展與應用，大大降低了零件加工的輔助時間，極大地提高了生產率。加工中心是數控機床進一步發(fā)展的產物，加工中心、柔性制造單元(FMC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)的應用，解決了自動換刀和自動裝卸工件等問題，更大程度上提高了整個零件加工的自動化水平。

計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和自動化工廠（AF）更使制造自動化技術達到空前的高峰，在提高生產效率的同時，大大地提高了產品質量。第三階段為高速加工階段。由于加工零件的輔助時間大幅度降低，在機械零件加工的總工時中，切削所占的時間比例就變得越來越大。因此，要想進一步提高機床的生產率，除了優(yōu)化生產工藝外，只能減少切削時間。降低切削工時就意味著要提高切削速度，它包括提高主軸轉速和進給速度兩個方面。

高速切削是個相對的概念，如果加工方法和切削材料不同，高速切削的速度范圍也就不同。如從加工方法的角度，車削加工速度范圍是700～7000m/min，銑削加工速度范圍是300～6000m/min，鉆削加工的速度范圍是200～1100m/min，磨削加工的速度范圍是150～360m/min。從材料的角度，目前鋁合金的高速切削范圍是1500～5500m/min，鑄鐵的高速切削范圍是750～4500m/min，普通鋼的高速切削范圍是600～800m/min。一般認為高速加工的速度范圍是普通加工的5～10倍。隨著高速機床設備和刀具等關鍵技術領域的突破性進展，高速加工的速度范圍還會不斷擴展。

高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計、制造技術、高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC系統(tǒng)、高性能刀具夾具系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測試技術、高速切削機理，高速切削工藝等諸多技術發(fā)展的基礎上綜合而成的。圖8－1反映了高速加工技術的體系結構。

圖8－1高速加工技術的體系結構

2高速切削和高速機床的關鍵技術

2.1高速切削的特點高速切削時由于切削速度的大幅度提高，決定了高速切削具有以下特點。（1）生產效率提高。（2）切削力降低。（3）工件的熱變形減小。高速加工理論研究表明：在切削速度提高到一定數值后，隨著切削速度的提高，切削溫度反而會降低，而不同材料的這樣一個速度值是不同的。圖8－2表明了材料加工時切削速度和切削溫度的關系。從圖中可以看出，A區(qū)是常規(guī)切削速度范圍，在該范圍內，隨著切削速度的提高，切削溫度會越來越高；當切削速度達到一定的區(qū)域后（圖中的B區(qū)），由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，加工無法進行，當速度值到達vε點，切削溫度達到最大值；當切削速度過了這個區(qū)域到達C區(qū)后，隨著切削速度的提高，切削溫度降低，使得高速切削成為可能且高速切削溫度與常規(guī)切削溫度基本相同。同時由于高速切削時速度極快，使得95%～98%以上的切削熱量來不及傳遞給工件，就被切屑帶走，工件基本上仍保持冷態(tài)加工，從而減少了熱敏材料工件的熱變形。

圖8－2切削速度和切削溫度的關系

(4)工件振動減小。由于切削力小且變化幅度小，機床的激振頻率遠大于加工工藝系統(tǒng)的固有頻率，振動對表面質量的影響很小，有利于提高零件的表面質量。（5）可加工各種難加工材料。鎳基合金和鈦合金材料的強度大、硬度高、耐沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重，常規(guī)加工難以實現且切削效率很低，用高速加工技術可以解決這類材料的加工問題，既能獲得較高的表面質量，又能有較高的生產效率。

（6）生產成本降低。生產成本的降低體現在以下幾個方面：①零件的加工時間縮短。②工件一次裝夾后既可以進行粗加工，也可以進行精加工。③由于切削力和切削溫度的降低，使得刀具磨損降低，使用壽命延長。而刀具的造價在工件加工的成本價中占有一定的比例。④高速加工可以實現以切代磨。用切削工藝代替磨削工藝具有刀具結構簡化，工藝靈活性強，節(jié)省能源等優(yōu)越性，這些都使得工件的加工成本降低。

⑤與常規(guī)加工工藝比較，可以簡化加工工序從而降低加工成本。如模具型腔的加工，用常規(guī)加工工藝是：毛坯退火—粗加工—半精加工—淬火處理—電極加工—電加工—局部精加工—人工拋光。而采用高速加工技術，則加工工藝可簡化為：毛坯淬火處理—粗加工—精加工—超精加工—局部加工。這樣就省去了電極制作的加工工序，降低了生產成本。

2.2高速加工的關鍵技術1．高速加工的理論支持高速切削技術的應用和發(fā)展是以高速切削機理為理論基礎的。通過對高速加工中的切屑形成機理、切削力、切削熱、刀具磨損、表面質量等技術的研究，為開發(fā)高速機床、高速加工刀具、高速加工時針對不同的材料選擇合適的工藝參數提供了理論依據。高速切削機理的研究在高速加工技術中占有重要的地位，但高速切削機理和相關理論還遠遠沒有完善，因此，高速加工向更高速度發(fā)展依賴于高速加工理論的研究。

2．高速切削機床結構高速切削機床結構是否合理是實現高速切削的關鍵因素。由于普通數控機床的傳動與結構設計已不能適應高速切削技術的要求，因此高速切削加工機床必須進行全新設計。相對于普通數控機床，高速切削技術對機床提出了許多新的要求，概括起來有以下幾點：（1）機床結構要有優(yōu)良的靜、動態(tài)特性和熱態(tài)特性；（2）主軸單元能夠提供高轉速、大功率、大扭矩；（3）進給單元能夠提供大進給量；（4）主軸和進給單元都能夠提供高的加(減)速度。

針對這樣的要求，高速加工機床全新的結構設計包括以下幾方面內容：（1）高速主軸單元制造技術。高速切削機床的主軸采用內裝式電主軸結構或內埋式電主軸結構。傳統(tǒng)的皮帶和齒輪傳動的主軸系統(tǒng)的最高轉速不超過15000r/min，由于中間環(huán)節(jié)多，傳動誤差和轉動慣量大，無法達到高速加工所要求的速度和加速度，同時由于側向間隙的存在，造成跟隨誤差和輪廓誤差。采用電主軸結構可以實現零傳動鏈傳動，它具有結構緊湊、質量小、慣性小、響應速度快、可避免振動與噪聲等特點。高速主軸單元制造技術所涉及的關鍵技術有高速主軸材料、結構、軸承的研究，高速主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)特性研究，柔性主軸及其軸承的彈性支撐技術的研究和高速主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術研究等。

（2）高速加工進給系統(tǒng)制造技術。高速加工進給系統(tǒng)是高速加工機床的重要組成部分，不僅要求進給系統(tǒng)能達到很高的速度，而且由于要在瞬時達到高速、瞬時準停等，還要求具有大的加減速度以及高的定位精度。高速進給單元技術包括進給伺服驅動技術、滾動元件技術、監(jiān)測單元技術以及防塵、防屑、降噪聲和冷卻潤滑等。所涉及的關鍵技術有高速位置環(huán)芯片的研制，高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究，直線伺服電機的設計與應用的研究，加減速控制技術的研究，高速進給系統(tǒng)的優(yōu)化設計技術，高速精密滾珠絲杠副及大導程滾珠絲杠副的研制，高精度導軌及新型導軌摩擦副的研究等。

（3）高速機床支撐制造技術。高速切削機床的結構應確保機床的快速移動能力、承載能力、高剛性、熱穩(wěn)定性、耐沖擊性和抗振性。高速加工機床支撐制造技術是指高速加工機床的支撐構件如床身、立柱、箱體、工作臺、底座、拖板和刀架等的制造技術。它所涉及的關鍵技術主要有新型材料及結構的支撐構件設計制造技術，快速刀具自動交換和快速工件裝夾自動交換技術，主軸和刀架總成后的動平衡技術。它們對評定高速加工技術的高速高效、高精度、高自動化、高安全性等具有重大的影響和作用。目前，高速切削機床多采用龍門式立柱型對稱結構，該結構可提高機床的承載能力和剛性，增強機床的耐沖擊性和抗振性，降低機床的固有振動頻率，減少機床因熱變形所造成的幾何誤差。此外，高速切削機床也有箱型結構、高床身結構和防塵密封結構等。

3．高速加工的刀具系統(tǒng)高速加工機床的刀具系統(tǒng)要承受較高的溫度和摩擦力，刀具通常采用鈦基硬質合金、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼和陶瓷等材料。刀具幾何角度和刀具結構要經過合理設計。高速切削的刀柄部分必須滿足剛性好、傳遞力矩大、體積小、動平衡好、高速下切削振動小、裝夾刀具后能夠承受高的加減速度和應力集中等要求。高速加工刀具所涉及的關鍵技術有高速加工用刀具材料及制造技術和高速加工用刀具結構及刀具幾何參數的研究。在影響金屬切削發(fā)展的各種因素中，刀具材料及刀具制造技術起著決定性的作用，并推動了高速加工的實用化。

4．高速加工的數控系統(tǒng)

高速加工數控系統(tǒng)與傳統(tǒng)數控系統(tǒng)沒有本質區(qū)別。但為了同時獲得高速度和高精度，CNC系統(tǒng)必須根據被加工零件的形狀、軌跡選擇最佳的進給速度，在允許的誤差范圍內以盡量高的進給速度產生位置指令，特別在拐角處和小半徑處，CNC應能判別在多大的加工速度變化范圍內會影響精度，而在刀具到達這樣的點前使刀具的切線速度自動降低。對于模具加工，一般程序段很小，但是程序很長，因此還必須利用特殊的控制方法，來實現高精度和高速度的加工。除此以外，較先進的CNC系統(tǒng)還應包括以下幾個方面的功能：

（1）故障診斷人工智能功能；（2）工藝數據庫功能；（3）較強的圖形功能；（4）自動測量功能；（5）較強的插補功能。

5．高速加工的工藝系統(tǒng)高速切削不同工件材料時，所用的刀具、工藝方法、切削用量均有很大的不同。此外高速加工編程時，還要考慮高速加工的進刀、退刀、移刀、拐角、重復加工、高效率切削加工和插入式加工等工藝。

6．高速加工測試技術

高速加工測試技術主要指在高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理，對高速機床及其系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時在線的監(jiān)測和控制。測試技術的成功應用可大大延長刀具壽命、保證產品質量、提高效率、保證設備及人員安全。高速監(jiān)測技術所涉及的關鍵技術主要有基于監(jiān)控參數的在線監(jiān)測技術，多傳感信息融合檢測技術，機床功能部件的檢測技術，高速加工中工件狀態(tài)的測試技術和自適應控制及智能控制技術等。

3高速主軸單元

3.1高速加工電主軸結構傳統(tǒng)數控機床主軸驅動通常有三種方式：電機經過有限級齒輪傳動驅動主軸的方式，電機經過同步帶傳動驅動主軸的方式，電機直接驅動主軸的方式。它們分別適用于大、中、小轉矩的場合。這幾種傳動方式如果用于高速場合，會出現皮帶打滑，振動和噪聲加大，轉動慣量大的缺點，從而影響零件的表面加工質量。

1．電主軸結構的基本構成所謂電主軸結構就是將電機的轉子直接作為機床的主軸，主軸單元的殼體就是電機座，并配合其他安全保障措施，實現電機與機床主軸的一體化。電主軸結構的基本構成如圖8－3所示，它通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元、主軸冷卻單元以及動平衡單元組成。

圖8－3電主軸結構的基本構成

2．典型結構圖8－4為內裝式電主軸結構。電動機的轉子與機床的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現扭矩傳遞的，其過盈量是按所傳遞扭矩的大小計算出來的。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，便于使主軸運轉部分達到精確的動平衡。由于轉子內孔與主軸配合面之間有很大的過盈量，因此，在裝配時必須先在油浴中將轉子加熱到200℃左右，然后迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過一個冷卻套固裝在電主軸的殼體中。電主軸的過盈套筒直徑在33～250mm之間有十幾個規(guī)格，最高轉速可達180000r/min，功率可達70kW。

根據電動機和主軸軸承相對位置的不同，電主軸的布局有兩種方式：（1）電動機置于主軸前后兩軸承之間（如圖8－4（a）所示）。此種布局的優(yōu)點是：電主軸單元的軸向尺寸較小，主軸剛度高、出力大，適用于大中型加工中心。大多數加工中心采用此種結構的布局方式。

（2）電動機置于后軸承之后（如圖8－4（b）所示）。此時主軸箱與電動機作軸向同軸布置（也可用聯(lián)軸節(jié)）。其優(yōu)點是：前端的徑向尺寸可減小，電動機的散熱條件較好。但整個電主軸單元的軸向尺寸較大，與主軸的同軸度不易調整。這種布局方式常用于小型高速數控機床，尤其適用于加工模具型腔的高速精密機床。前后軸承間的跨距及主軸前端的伸出量，均應按靜剛度和動剛度的要求來計算。

圖8－4內裝式電主軸結構(a)電動機置于主軸前后兩輛承之間；(b)電動機置于后軸承之后

圖8－5電主軸的軸側結構

另一種類型的電主軸結構采用內埋式永磁同步電動機，如圖8－6所示。主軸部件由高速精密陶瓷軸承支撐于電主軸的外殼中，外殼中還安裝有電動機的定子鐵芯和三相定子繞組。為了有效地散熱，在外殼體內設置有冷卻管路。主軸系統(tǒng)工作時，由冷卻泵打入冷卻液帶走主軸單元內的熱量，以保證電主軸的正常工作。主軸為空心結構，其內部和頂端安裝有刀具的拉緊和松開機構，以實現刀具的自動換刀。主軸外套內有電動機轉子，主軸端部還裝有激光角位移傳感器，以實現對主軸旋轉位置的閉環(huán)控制，保證在自動換刀時能實現主軸的準停和螺紋加工時C軸與Z軸的準確聯(lián)動。

圖8－6內埋式永磁同步電動機電主軸結構

3.2高速電主軸軸承1．滾珠軸承電主軸結構一般采用角接觸滾珠軸承支撐，軸承的配置形式取決于載荷的大小、方向，主軸的轉速以及主軸的工作要求。角接觸滾珠軸承的電主軸一般采用圖8－7所示的支撐方式。

角接觸滾珠軸承在有軸向預加載荷的條件下才能正常工作。預加載荷不僅可消除軸承的軸向游隙，還可以提高軸承剛度以及主軸的旋轉精度，抑制振動和滾珠自轉時的打滑現象等。一般來說，預加載荷越大，提高剛度和旋轉精度的效果就越好；但是另一方面，預加載荷越大，溫升就越高，可能造成燒傷，從而降低使用壽命，甚至不能正常工作。因此，要根據不同轉速和負載的電主軸來選擇軸承最佳的預加載荷值。

圖8－7采用角接觸滾珠軸承的電主軸支撐方式滾珠軸承在高速旋轉時，滾珠會產生很大的離心力和陀螺力矩，此時的離心力遠大于切削時作用給滾珠的力，故此時軸承設計的主要參數不再是工作載荷，而應是轉速。為了解決高速旋轉的離心力問題，對于滾動軸承本身，可以采取下面的措施：（1）盡量減小滾珠直徑，即減小滾珠的徑向尺寸；（2）采用密度小的熱壓燒結Si3N4陶瓷材料制作滾珠，即減小滾珠質量。Si3N4陶瓷材料具有密度小、彈性模量大、熱脹系數小、耐高溫、不導電、不導磁和導熱系數小等優(yōu)點。目前用熱壓Si3N4陶瓷制作滾珠，滾道仍然用軸承鋼，這種軸承被稱為陶瓷混合軸承。

2．非接觸軸承

非接觸軸承是指空氣靜壓軸承、液體動靜壓軸承以及磁懸浮軸承?？諝忪o壓軸承用于高精度、高轉速、輕載荷的場合。使用空氣軸承的主軸單元，主軸轉速可達150000r/min以上，但輸出的扭矩和功率很小，主要用于零件的小孔磨削、鉆孔加工和光整加工。液體動靜壓軸承目前主要用于重載大功率場合。這種軸承是采用液體的動力和靜力相結合的方法，使主軸在油膜中支撐旋轉。其優(yōu)點是徑向和軸向跳動小、剛度高、阻尼特性好、壽命長，因此粗、精加工均適用。

磁懸浮軸承是用磁力將主軸無接觸地懸浮起來的新型智能化軸承。它的高速性能好、無接觸、無摩擦、無磨損、高精度，不需潤滑和密封，能實現實時診斷和在線監(jiān)控，故被美國、法國、瑞士、日本和中國等很多國家作為研究對象。它是超高速主軸合適而且理想的主軸軸承，但價格昂貴，而且還有些技術問題尚未完全解決，因此它的推廣使用受到了限制。

3.3電主軸的冷卻和軸承的潤滑與一般主軸部件不同，電主軸最突出的問題之一就是內裝式高速電動機的發(fā)熱問題。因為電動機安裝在主軸的兩支撐軸承的中央，所以電動機的發(fā)熱會直接影響主軸軸承的工作精度，即影響主軸的工作精度。解決的辦法之一就是在電動機定子的外面加一帶螺旋槽的鋁質冷卻套3(見圖8－4(a))。機床工作時，冷卻油－水不斷地在該螺旋槽中流動，從而把電動機發(fā)出的熱量及時帶走。冷卻油－水的流量可根據電動機發(fā)出的熱量計算確定。圖8－8給出了廣東工業(yè)大學研制的GD—2型電主軸的油－水熱交換系統(tǒng)。

圖8－8GD—2型電主軸油－水熱交換系統(tǒng)

與此同時，還必須解決主軸軸承的發(fā)熱問題。由于電主軸的轉速高，對主軸軸承的動態(tài)和熱態(tài)特性要求十分嚴格。除個別超高速電主軸采用磁懸浮軸承或液體動靜壓軸承外，目前國內外絕大多數高速電主軸都采用角接觸的Si3N4陶瓷滾珠軸承，為了降低主軸軸承的溫升，GD—2電主軸軸承采用了油－氣潤滑系統(tǒng)，如圖8－9所示。它利用分配閥，對所需潤滑的不同部位，按照其實際需要，定時、定量地供給油－氣混合物，以保證軸承的各個不同部位既不缺潤滑，又不會因潤滑過量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程度。

圖8－9GD—2型電主軸軸承油－氣潤滑系統(tǒng)

3.4電主軸的動平衡電主軸的最高轉速高達60000～180000r/min，旋轉部分的任何微小不平衡量都可能引起巨大的離心力，造成機床的振動，從而影響零件的加工質量。因此，必須對電主軸進行十分嚴格的校動平衡，使得動平衡精度達到ISO標準G0.4級，即在最高轉速時，由于殘余動不平衡引起振動的速度最大允許值為0.4mm/s。為此，在電主軸結構設計時，必須嚴格遵守結構對稱的原則。高速電主軸的動平衡結構如圖8－10所示，電動機轉子與主軸之間通過過盈套筒產生的過盈配合來傳遞扭矩，盡量避免采用鍵、螺紋和其他零件連接；在拆卸主軸時，用高壓泵將高壓油從轉子內套左端小孔a壓入環(huán)形內孔e，過盈套筒1的內徑在高壓油的壓力作用下要脹大，這樣就可以方便地將轉子拆下。為了保證主軸單元結構的對稱性，轉子內過盈套筒1的左端面上對稱地加工出另一個小孔b（加工后用螺塞堵死），該小孔就是出于平衡而考慮的。圖8－10高速電主軸的動平衡結構

4高速進給系統(tǒng)

4.1高速機床對進給系統(tǒng)的要求(1)高速度。由于高速機床的主軸轉速比常規(guī)機床要高得多，并且還有繼續(xù)上升的趨勢，因此，為了保證高速切削的順利進行，減少空程時間，提高加工效率，同時為了保證刀具的每齒進給量不變，延長刀具的使用壽命，保證零件的加工質量，就要求進給系統(tǒng)必須提供足夠高的進給速度。目前，高速機床對進給速度的基本要求為60m／min以上，特殊情況可達120m／min，甚至更高。

（2）高加速度。由于大多數高速機床加工零件的工作行程范圍只有幾十到幾百毫米，如果不能提供極大的加速度來保證在瞬間(極短的行程內)達到高速和在高速行程中瞬間準停，高速度是沒有意義的，因此對高速機床進給運動的加速度也提出了很高的要求。目前，一般高速機床要求進給加速度為1～2g，某些超高速機床要求進給加速度達到2～10g。

（3）高精度。精度是機床的關鍵技術指標，高速機床對精度的要求尤為突出。在高速運動情況下，進給驅動系統(tǒng)的動態(tài)性能對機床加工精度的影響很大。隨著進給速度的不斷提高，各坐標軸的跟隨誤差對合成軌跡精度的影響將變得越來越突出，因此，高速機床一方面要提高各坐標軸自身位置閉環(huán)控制的精度，另一方面也要從合成軌跡和閉環(huán)控制的角度來研究高速情況下的軌跡控制方法與實現技術。

（4）高可靠性和高安全性。在高速加工情況下，如果機床的可靠性與安全性差，將會造成災難性的后果，這方面比普通數控機床的要求更加嚴格。由于進給伺服系統(tǒng)是數控機床中強、弱電之間的接口環(huán)節(jié)，其故障率一般比較高，對機床整機的可靠性造成的影響也比較大；另一方面，進給系統(tǒng)包含有運動部件，高速下一旦失控，將非常危險。因此，提高高速進給系統(tǒng)的可靠性和安全性對提高高速機床的整機性能具有重要的意義。（5）合理的成本。在保證質量和性能的前提下，降低高速機床的制造成本，提高其性能價格比。

4.2傳統(tǒng)進給系統(tǒng)存在的問題（1）剛度低，慣量大，難以獲得高的進給速度和高的加速度。旋轉伺服電動機和一普通滾珠絲杠副構成的進給傳動系統(tǒng)，由于絲杠的扭曲剛度低，限制了進給系統(tǒng)臨界轉速的提高，因此在高速運行時很容易產生扭振，這就對提高進給運動的速度和加速度造成了一定的困難。一般滾珠絲杠的進給速度很難超過60m／min，加速度很難超過1.5g。如果靠增加滾珠絲杠的直徑來提高扭曲剛度，則會大幅度提高絲杠軸的轉動慣量，也難以提高進給運動的速度和加速度。

（2）非線性嚴重，不易實現閉環(huán)控制，影響機床加工精度。由于傳統(tǒng)進給運動傳動鏈較長，傳動副存在側隙，因此普遍存在較嚴重的非線性誤差，如間隙、失動量等，同時傳統(tǒng)滾珠絲杠傳動系統(tǒng)剛度較低，高速下發(fā)熱比較嚴重，這些因素均會形成非線性環(huán)節(jié)，從而給驅動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大威脅，使得包含機械傳動鏈的進給系統(tǒng)不易實現精確的全閉環(huán)控制，降低高速機床的加工精度。雖然可以通過軟件誤差補償等方法來消除部分傳動誤差，但在高速運動情況下，機械傳動鏈的磨損較快，傳動誤差規(guī)律不穩(wěn)定，這就使得誤差補償的效果難以長時間維持。

（3）機械傳動鏈結構復雜。從驅動裝置到執(zhí)行機構，經過了機械傳動鏈環(huán)節(jié)，使得機床的結構比較復雜，特別是在重型機床和多坐標機床中，這個問題尤為突出。例如，在進給行程超過4m的重型數控機床中，進給傳動多采用靜壓蝸桿—蝸母條機構和預加載荷的雙齒輪—齒條機構；在多坐標數控機床中，擺頭和轉臺的傳動多采用蝸輪—蝸桿、弧齒錐齒輪等機構。帶有復雜機械傳動鏈的高速進給驅動系統(tǒng)不僅設計和制造復雜，而且維護和保養(yǎng)也相當麻煩。

（4）機械噪聲大。傳統(tǒng)的含有機械傳動鏈的進給系統(tǒng)，不可避免地會產生噪聲，并且其強度將隨著速度的提高而增大。因此，如果將這樣的系統(tǒng)用于超高速機床，將會對車間的生產環(huán)境造成嚴重的噪聲污染。

4.3典型高速直線進給機構1．新型滾珠絲杠副傳動1)對滾珠絲杠螺母副的改造措施（1）提高系統(tǒng)的剛度。高的動、靜態(tài)剛度是實現高速進給傳動的基礎。為提高滾珠絲杠螺母傳動系統(tǒng)的進給速度和加速度，必須首先提高絲杠的扭曲剛度和軸向剛度。主要措施有：絲杠采用中空結構進行預拉伸處理，通過選用推力角接觸軸承，提高絲杠的支撐剛度。此外，通過優(yōu)化設計和采用先進制造工藝，使?jié)L珠與滾道的適應度處于最佳狀態(tài)，從而有效提高接觸剛度。

（2）提高滾珠絲杠螺母副的運動速度。在保證足夠剛度的基礎上，增大絲杠螺母的導程和螺紋頭數是提高滾珠絲杠螺母副直線運動速度的有效途徑。在某些情況下，還可以對滾珠絲杠副實施雙電機驅動，即用一個伺服電機驅動滾珠絲杠副，另一個伺服電機以相反方向驅動由軸承支撐的滾珠螺母，使得在不增加絲杠轉速的情況下，讓工作臺的進給速度提高一倍。

（3）減小系統(tǒng)的發(fā)熱量。絲杠的高速轉動，滾珠在滾道內的高速循環(huán)運動，必將產生大量的熱量。此外，為提高剛度對絲杠進行的預拉伸也會加劇發(fā)熱。因此，高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的發(fā)熱將比常規(guī)滾珠絲杠副大得多。解決高速滾珠絲杠螺母副傳動系統(tǒng)發(fā)熱問題的有效辦法之一就是將冷卻液通入空心絲杠內部進行強制循環(huán)冷卻，這樣可有效保證滾珠絲杠副系統(tǒng)的精度。

（4）減小轉動慣量、改善工作性能。適當減小滾珠直徑，鋼珠采用空心結構或將滾珠鏈中的鋼珠按一大一小間隔排列等均可減小高速運動時的轉動慣量及改善滾珠快速滾動時的流暢性。陶瓷材料(如Si3N4等)具有硬度高、密度小、彈性模量大、線膨脹系數小、耐磨損、壽命長等優(yōu)點，以陶瓷等新材料制造滾珠將顯著降低溫升，減小噪聲，有效提高滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的高速性能。另外，提高滾珠絲杠兩端的支撐剛度和滾珠螺母的安裝精度，對提高滾珠絲杠的臨界轉速，保證進給系統(tǒng)的精度，改善運動的平穩(wěn)性都有著重要的作用。

2)新型滾珠絲杠螺母副適用場合由于滾珠絲杠螺母副傳動摩擦系數小，傳動效率較高，制造成本較低，對環(huán)境的適應性較強，更由于滾珠絲杠螺母副的技術成熟，因此，經改造后，在高速機床中仍有一定的席位。它主要適用于中小載荷、速度介于10～40m/min、加速度介于0.5～1.0g、行程范圍不大于6m的場合，即適用于中低檔高速數控機床。

2．直線電動機驅動1）直線電動機驅動進給單元的構成高速直線電動機驅動進給單元如圖8－11所示，它由直線電動機、工作臺、滾動導軌、精密測量反饋系統(tǒng)和防護系統(tǒng)等部分構成。

圖8－11高速直線電動機驅動進給單元的基本構成

2）直線電動機直線電動機是一種做直線運動的電機。由于直線電動機和執(zhí)行機構之間沒有中間傳動機構，使得傳動系統(tǒng)結構簡單，同時加減速速度快，可實現快速啟動和正反向運動。如圖8－12(a)所示，如果將籠型異步電動機沿徑向剖開，并將電動機的圓周展成直線，就得到圖8－12(b)所示的直線異步電動機。其中定子與初級對應，轉子與次級對應。由圖8－12(a)演變而來的直線電動機，其初級和次級的長度是相等的。由于初級和次級之間要做相對運動，因此，為保證初級與次級之間的耦合保持不變，實際應用中，初級和次級的長度是不相等的。直線電動機的基本結構形式如圖8－13所示，如果初級的長度較短，則稱為短初級；反之，則稱為短次級。由于短初級結構比較簡單，成本較低，因此在高速數控機床進給系統(tǒng)中通常使用這種結構。

圖8－12直線電動機的演化(a)籠型異步電動機；(b)直線異步電動機

圖8－13直線電動機的基本結構形式(a)短初級；(b)短次級

由上所述，直線電動機是由旋轉電動機演變而來的，因此，當在初級的多相繞組中通入多相電流后，會產生一個氣隙磁場，這個磁場的磁通密度波是直線移動的，稱為行波磁場。直線電動機的工作原理如圖8－14所示。顯然，行波的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是相同的，稱為同步速度，大小可用下式表示：

vs=2fτ

其中，vs為同步速度；f為電源頻率；τ為極距。圖8－14直線電動機的工作原理圖

在行波磁場的切割下，次級中的導條將產生感應電動勢和電流，所有導條的電流和氣隙磁場相互作用，產生切向電磁力(圖中只畫出一根導條)。如果初級是固定不動的，那么次級就沿著行波磁場行進的方向作直線運動。若次級移動的速度用v表示，則轉差率的大小為次級移動速度為

v=(1-s)vs

這表明直線感應電動機的速度與電源頻率及電動機極距成正比，因此，改變極距或電源頻率都可改變電動機的速度。

3）直線電動機與機床工作臺的連接方式圖8－15為感應異步直線電動機截面圖，它采用的是動短初級、定長次級的結構形式。帶三相繞組的初級6通過冷卻板3(內有多路冷卻油道)，用固定螺釘5反裝在工作臺4上。帶柵條的次級2通過冷卻板1用固定螺釘8裝在直線電動機的底座7上，然后再固定在機床床身上。

圖8－15感應異步直線電動機截面圖

從工作臺的角度看，直線電動機驅動的工作臺是直線電動機的初級載體，同時為了減小摩擦、保證正確的運動導向和防止顛覆力矩，通常在工作臺下平面上安裝有4個與滾動導軌相連的滑塊，工作臺與動短初級和滑塊的連接如圖8－16所示。

圖8－16工作臺與動短初級和滑塊的連接

4）直線電動機驅動進給單元的合理布局根據直線電動機的安裝方式，進給單元的結構布局可分水平與垂直兩種方式。圖8－17所示為水平布局方式，它的優(yōu)點是：結構簡單，安裝維護方便，工作臺高度較小。缺點是：初級與次級間的電磁吸力與工作臺重力的方向相同，如果工作臺的剛度不足，將會使初級與次級間的間隙減小，從而影響直線電動機的正常工作。因此，水平布局方式的進給單元只宜用于小于中等載荷的情況。水平布局方式又可分為單電動機驅動(見圖8－17（a）)與雙電動機驅動(見圖8－17（b）)兩種。

圖8－17直線電動機的水平布局方式(a)單電動機驅動；(b)雙電動機驅動

單電動機驅動布局方式的特點是：結構簡單，工作臺兩導軌間的跨距較小，測量裝置的安裝與維修方便，適合要求推力不大的場合。雙電動機驅動布局方式的特點是：合成推力大，兩導軌間的跨距較大，工作臺受電磁吸力的變形較大，對工作臺的剛度要求較高，安裝也較困難，測量與控制也較復雜，故只適用于特殊場合。垂直布局方式均為雙電動機驅動，如圖8－18所示。

圖8－18直線電動機的垂直布局方式(a)外垂直安裝；(b)內垂直安裝

5）直線電動機驅動進給單元的其他結構裝置（1）導軌。由于直線電動機進給單元的運動速度高，工作時導軌將承受很大的動載荷和靜載荷，并受到多方面的顛覆力矩。另外，工作臺與導軌的摩擦也會影響進給單元的加速度和發(fā)熱等。因此必須選用高精度、高剛度和承載能力大的導軌結構，同時選用摩擦系數小的材料。圖8－19是四向等截面圓弧接觸型高速高剛度滾動導軌。這種滾動導軌的摩擦系數僅為0.02，且動、靜摩擦系數相差很小，可有效地避免發(fā)熱和爬行，可以預加載荷和消除反向間隙，其剛度高，承載能力大，使用壽命長，能較長期保持工作精度。

圖8－19四向等截面圓弧接觸型高速高剛度滾動導軌

（2）測量系統(tǒng)。由于直線電動機的動子直接與工作臺相連，因此只能構成閉環(huán)系統(tǒng)。通常選用機構精密光柵尺作為工作臺位置檢測元件。（3）散熱裝置。由于直線電動機工作時會產生大量的熱量，因此必須采取散熱措施。直線電動機的初級、次級與工作臺和導軌連接時，中間都有冷卻板裝置，這樣就可以由通入冷卻板中工作的介質將熱量帶走。（4）防磁裝置。由于直線電動機的磁場是開式的，很容易吸附磁性物質從而影響加工精度，因此必須采取防磁措施。如采用三維折疊式密封罩將整個機床都遮蔽起來。

6)直線電動機驅動的適用場合由于直線電動機驅動可以獲得高速度和超高速（60～180m/min或更高）、高加速度（1.0～10g）、長行程和高精度，因此可用于高檔高速加工中心以及其他類型的高速和超高速數控機床。

5高速刀具系統(tǒng)

5.1高速切削對刀具系統(tǒng)的要求1．高速刀具系統(tǒng)的基本構成高速刀具系統(tǒng)如圖8－20所示，它由刀具、過渡裝置、刀具夾緊套和主軸刀具定位面等部分構成。正是由于機床處于高速運轉狀態(tài)，才使得高速刀具系統(tǒng)與傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)在材料、結構和接口等方面有著很大的不同。

圖8－20高速刀具系統(tǒng)的基本構成

2．對高速刀具系統(tǒng)的基本要求高速切削面臨的最大問題就是刀具材料能否耐高溫、耐磨損，刀具系統(tǒng)能否克服離心力的影響并同時保證較高的定位精度。這就要求刀具材料具有高硬度和高熱硬度，具有高強度、高耐磨性、高韌性、強抗沖擊能力及抗熱沖擊能力；要求刀具具有合理的幾何參數；要求刀具和刀夾、刀柄和主軸連接部位的夾緊精度高，傳遞轉矩大，動平衡性能好，便于快速自動裝夾和拆卸。

圖8－217∶24錐度刀柄與主軸的配合

3．傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)用于高速時存在的問題

傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)所使用的刀具材料常為高速鋼和硬質合金鋼，雖然這兩種材料抗沖擊能力強，但適用的切削速度低，耐磨性差，熱硬性不好，化學穩(wěn)定性差。采用彈性夾頭或螺釘的刀具連接方式在高速下的定位精度和重復定位精度不高，由于強大離心力的作用，甚至連安全性也得不到保障。傳統(tǒng)的7∶24錐度刀柄的結構中，主軸前端錐孔在高速運轉條件下，由于離心力的作用而發(fā)生膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉半徑與轉速的增大而增大，但是與之配合的7∶24實心刀柄則膨脹量較小，因此，總的錐度連接剛度會降低，在拉桿拉力的作用下，刀具的軸向位置也會發(fā)生改變。

7∶24錐度刀柄與主軸的配合如圖8－21所示。主軸錐孔呈“喇叭口”狀擴張，引起刀具及夾緊機構質心的偏離，從而影響主軸的動平衡。要保證這種連接在高速下仍有可靠的接觸，需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉時主軸錐孔端部的膨脹。另外，傳統(tǒng)7∶24刀具錐柄較長，很難實現全長無間隙配合，從而引起刀具的徑向圓跳動，影響加工質量。

5.2高速刀具系統(tǒng)1．刀具材料1）涂層刀具涂層刀具是在刀具基體上涂覆硬質耐磨金屬化合物薄膜，以達到提高刀具表面硬度和耐磨性的一種用于高速切削的刀具。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷和陶瓷等。涂層材料有TiN、TiC、Al2O3、TiCN、TiAlN和TiAlCN等。涂層可以是單涂層，也可以是雙涂層或多涂層，甚至是幾種涂層材料復合而成的復合涂層。

復合涂層可以是TiC－Al2O3－TiN、TCN和TiAlN多元復合涂層，最新又發(fā)展了TiN/NbN和TiN/CN等多元復合薄膜。如商品名為“Fire”的孔加工刀具復合涂層，它用TiN作底層，以保證與基體間的結合強度；由多層薄涂層構成的中間層為緩沖層，用來吸收斷續(xù)切削產生的振動；頂層是具有良好耐磨性和耐熱性的TiAlN層。另外，還可在“Fire”的外層上涂減磨涂層。其中，TiAlN層在高速切削中性能優(yōu)異，最高切削溫度可達800℃。近年開發(fā)出的一些PVD硬涂層材料，有CBN、CN、Al2O3、多晶氮化物(TiN／NbN，TiN／VN)等，它們在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，很適合高速與超高速切削。金剛石膜涂層刀具主要用于有色金屬加工，而C－C3N4超硬涂層的硬度則有可能超過金剛石。

軟涂層刀具，如MoS2和WS2作為涂層材料的高速鋼刀具主要用于高強度鋁合金和鈦合金等的加工。此外，最新開發(fā)的納米涂層材料刀具在高速切削中的應用前景也很廣闊。如日本住友公司的納米TiN/AlN復合涂層銑刀片，共2000層涂層，每層只有2.5nm厚。