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高速机床新技术的研究与应用论文

高速机床新技术的研究与应用

High-speedtoolmachinelatelytechnicalresearchandtheapplication

姓名:

周xx

学号:

5xxxxxxxxxxxxxx

班　　级:

机械工程系05级数控B班

指导老师:

xxx

完成时间:

2008年3月　

目录

摘要................................................................................2

一，引言...….……………………………..…………………………...3

二，高速加工的技术基础………………………………..……………..3

三,高速加工机床机构及要求…..………………….………………….4

四，高速加工主要的控制器………………………..……………………6

五，高速加工的切削理论………………………..…………………..…7

六，高速加工工艺的制订和编程策略…………………..………………10

七，高速加工应用技术………………………………..………………12

八，高速加工的发展与机械加工自动化……………..………………13

九，结论…………..………………………………………..……………15

参考文献………..………………………………………..……………15

摘要

数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用，但科学技术的发展，产品的更新换代在加快机械产品不仅对机床提出了高精度、高复杂性，高效率的要求，而且还提出了通用性和灵活性。

因此，如何更好的使用数控机床是一个很重要的问题。

高速加工机床是基于现代刀具材料的发展，为满足航空、航天、汽车和模具等行业的发展需要而在数控铣床、加工中心的基础上发展起来的高效、高性能加工机床，因此，它的基本特征不仅是切削速度高（是常规切削速度的5-10倍），进给/快移速度快（达40m/min至180m/min），加减速度大（现多为1g~2g），而且还包含有刀具和或工件交换的时间短（在数秒至1秒以内）以及常常具有多轴联动功能等特点，由于高速加工机床具有诸多优点，如：

生产效率高，材料去除率是常规切削加工机床的3~6倍，从而可大大缩短零件的加工时间和制造周期；切削力比常规速度时少30%~50%和约30%以上的切削热将被切屑所带走，所以工件温升和变形少，有利于进行薄壁件切削和提高加工精度。

高速加工机床是机械制造中的先进加工设备，它的广泛应用必将给机械制造业的生产方式，产品结构，产业结构带来深刻的变化,因此我们有必要设计高速加工数控机床。

那么，高速切削与传统切削技术究竟有什么不同?

其机床的工艺有什么不同?

实现它有哪些益处?

加工方法和切削理论又怎样？

下面我论文将试图回答这些问题。

关键词：

高速加工机床、高速切削、切削理论

Summary:

Numbercontrolatoolmachinebodynowcurrenttheprogressivemaincurrentofthetoolmachinetechniqueintheworld,ismeasureamachinemanufacturingacraftlevelofimportantindexsign,thereisimportantfoundationcoreinthegentleproductionandthecalculatortheintegrationthemanufacturingetc.theforerunnerthemanufacturingthetechniquefunction,butsciencetechnicaldevelopment,therenewalofproductchangesgenerationatspeedmachineproductnotonlyputforwardhighaccuracy,highcomplexitytothetoolmachine,high-efficiencyrequest,andstillputforwardingeneraluseandvivid.Therefore,howbetteruseanumbertocontroltoolmachineisaveryimportantproblem.

Highspeedprocesstoolmachineisthedevelopmentwhichhasmaterialaccordingtothemodernknife,issatisfythedevelopmentofprofessionssuchasaviation,aerospace,carandmoldingtooletc.needbutatcountcontrolmillerandprocesscentralfoundationupdevelopefficiently,thehighperformanceprocesstoolmachine,therefore,itsbasiccharacteristicnotonlyisslicetoparespeedhigh（isanormalregulationstoslicetoparespeedof5-1000%）,enterto/movespeedquicklyquickly（reachtoa40ms/mintothe180ms/min）,addandsubtractspeedgreatly（manynowis1g~2gs）,andstillthecontainmenthaveknifetohavewithorworkpieceexchangeoftimeisshort（atseveral-1in）andusuallyhavestalkofmanyalliedmovefunctionetc.characteristics,processtoolmachinetohavemanyadvantagesbecauseofthehighspeed,suchas:

Produceanefficiencyhigh,material'scleaningarateisanormalregulationstoslicetoparetoprocesstoolmachineof3~600%,canshortensparepartstoprocesstimeandmanufacturingperiodconsumedlythus;Little30%whileslicingtoparethedintrationormalregulationsspeed~50%peacetreaties30%'sslicingtopareheatabovewillbeslicedscrapstake,soworkpiecerisesandtransformslittle,beadvantageoustocarryingonathinwallpiecetoslicetoparetoprocessaccuracywithexaltation.

Highspeed'sprocessingtoolmachineistheforerunnerinthemachinemanufacturingtoaddWorkequipments,itsisingextensivelyappliedwillgivenecessarilythemodeofproductionofmachinemanufacturingindustry,productstructure,theindustrialstructurebringsdeepvariety,sowehaveanecessarydesignhighspeedprocessnumbercontroltoolmachine.So,thehighspeedslicestoparetoslicewithtraditiontopareatechniquetohaveactuallywhatdissimilarity?

Whatdissimilaritydoesthecraftofitstoolmachinehave?

Carryoutittohavewhichadvantages?

Processamethodandslicetoparetheorieshowagain?

Theunderneathmythesiswilltrytoanswertheseproblems.

Keywords:

Thehighspeedprocessestoolmachine;thehighspeedslicetopare;Slicetoparetheories

1、引言

高速加工机床自上世纪八十年代中期出现以来，便受到人们普遍的重视。

高速加工机床，首先是高的速度，即要有高的主轴转速，比如12000r/min、18000r/min、30000r/min、40000r/min，甚至还有更高的转速仍在试验中；另一方面，又应有更大的进给量，如30000mm/min、40000mm/min，甚至60000mm/min；再有就是快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等，高速机床主要任务是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量。

早在70年前，就有人开始研究高速切削技术。

直至20世纪60年代，科学家们才得出了一个结论：

随着切削速度的提高，切削力先是增加，随后急剧下降。

刀具的磨损则始终随着切削速度的提高而增加。

高速切削所带来的效率和工件表面质量的显著提高使得工件加工的总费用下降了至少40％。

这个结论成为高速切削技术的理论基础和动力，随后的研究是围绕着如何提高刀具耐磨度，如何使机床的结构、主轴和驱动控制系统能满足高速切削技术的要求而进行的。

2、高速加工的技术基础

 高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。

它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。

那么，它是不是放之四海而皆准呢?

显然不行。

目前，即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。

实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于解决：

比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。

高速机床要针对不同的加工对象、不同的硬度、不同的材质、不同的形状来选择相应合理的参数，而不能一味地追求为高速而高速，高速机床一方面，需要编程人员选择合理的刀具运动轨迹，优化切削参数；另一方面，根据需要选择适合的切削速度，只有这样才能真正发挥高速切削的长处。

2.1高速加工技术

高速加工的关键技术是①高速主轴及高速进给驱动系统机床；②高速加工刀具系统；③基于CAD/CAM自动化数控编程。

高速加工技术主要包括：

超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。

2.2高速加工速度范围

高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。

目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：

铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。

各种切削工艺的切速范围为：

车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。

2.3实现高速加工的条件

高速加工技术中，超硬材料工具是实现高速加工的前提和先决条件，高速切削磨削技术是现代高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现高速加工的关键设备。

目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。

切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。

砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等，美国G．E公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。

90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。

因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。

3，现代高速机床的结构及要求

3.1高速机床的结构

1.机电一体化的主轴，即所谓电主轴。

现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。

由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到0～42000r/min，甚至更高。

不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提高，甚至机床的成本也下降了。

噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。

2.机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。

用手一推就可以将几百公斤甚至上千公斤的重工作台推动。

其特有的双Ｖ型结构，大大提高了机床的抗扭能力；同时，由于磨损近乎为零，导轨的精度寿命较之过去提高几倍。

又因为配合使用了数字伺服驱动电机，其进给和快速移动速度已经从过去最高的6m/min，提高到了现在的20～60m/min。

3.目前最先进的数控系统已经可以同时控制8根以上的轴，实现五轴五联动，甚至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms；同时，均配置功能强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干预，随时修改。

外接插口，数据传输速度快，甚至可以与以太网直联；加上全闭环的测量系统，配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现1～2g的加速和减速运动。

4.机床床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动，考虑到刀具重量的变化极小，这样，在工件乃至工作台不进行快速线性移动的情况下，机床快速线性移动的部件的重量近乎常量，因此，更容易实现快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定，从而保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。

5.刀具的材料和技术的发展也是高速切削得以实现的一个重要因素。

由于在高速切削时，切削力已经不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是传统的锥柄，而是短圆柄，即HSK型柄，不需拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响。

重要的是需要动平衡，即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进行平衡。

刀具本身采用通体硬质合金刀，或在硬质合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即PCD等，使刀具可以承受高达300～500m/min的切削线速度

。

3.2高速机床要求

（1）坚固耐用，重心低之机床结构

（2）速度快、稳定性高的控制系统

（3）高速准确的驱动系统

（4）高速，高扭力，高精度主轴

（5）坚固，同心度高的夹刀头、刀具及全自动对刀系统

（6）优秀的编程软件

（7）切实可靠的培训

（8）及时准确的维修

（9）强大的技术支持

只有在软硬件两方面去严格要求自己，才能面对日新月异的高速加工技术，科挺自动化将一直致力于提供物美价廉的高速机床。

4，高速加工主要的控制器

高速机床的控制系统：

主轴控制系统、伺服系统、CNC系统

4.1.矢量控制的PWM交流变频控制器

电主轴是高速数控机床的关键部件，目前国际上最高水平的电主轴产品如瑞士Fisher公司产品，nmax＝40000r/min，P＝40kw；法国Forest-Line公司的产品ORB17，nmax＝40000r/min，P＝40kW，M＝9.5N·m等。

轴承多采用陶瓷球轴承、磁浮轴承和空气静压轴承。

高水平的电主轴从静止到最高速仅需1.5s，加速度达到1g。

这些参数要求主轴控制器具有极高的动态品质、精度、可靠性和可维护性。

矢量控制的PWM交流变频系统是这种控制的最佳选择。

矢量控制包括坐标变换、矢量运算（非线性的复杂运算）及参数检测。

对于交流电动机瞬时值进行控制的必要条件是高速运算。

应用专用CPU的32位DSP提高了运算速度，执行一条指令只需见纳秒，从而达到了转矩快速响应的目标。

高速化的另一个因素是采用了固体驱动电路。

全数字化的H/W电流控制系统，电动机转速的自适应辨识系统和电压、电流测试信号经过采样数据的处理，求出可信度极高的电动机动态参数值。

这种关量控制PWM变频器的性能及规格要求是：

采用矢量控制，在1Hz时有150％以上的高启动转矩；采用1GBT智能功率模块，载波频率高（＞15kHz）；采用32位DSP（DigitalSignalProcessor）及MPU芯片，由双CPU实现全信号数字处理的复杂矢量运算和PWM控制；故障自诊断监控及显示；参数自检测和离线自设定功能；基于神经网络的自适应转速辨识能力；两种速度控制方式：

恒转矩和恒功率；输出频率范围0.1～400Hz；加减速时间等于0.1～300s等。

4.2.快速响应，高定位精度，瞬时变结构，实时控制伺服系统和直线电动机驱动

高速加工不但要求机床有极高的主轴速度，而且要求有很高的进给速度和加速度、进给速度一般大于30m/min，加速度达到1g。

在滚珠丝杠驱动方式下其极限值约为60m/min和1g，而使用直线电动机后可达到160m/min以上和2.5g以上，定位精度可高达0.5～0.05

5，高速加工的切削理论

回顾金属切削理论研究一百多年的历史，根据研究重点的不同，可以分为以下三个时期：

第一研究阶段可称为力学或切屑形成机理时期（MechanicsorChipFormatioeriod），大致为1850～1900年五十多年的时间。

1774年，J.Wilkion发明了第一台金属镗床，提高了汽缸的加工精度，减少了汽缸和活塞间的蒸汽泄漏，从而使得J.Watt的蒸汽机的应用成为可能，从这一典型事例中我们可以知道金属切削加工在当时社会生产中具有非常重要的地位，是当时最先进的加工方法。

这一阶段的初期，金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat,Wiebe和Joeel。

1851年，H.Cocquihat研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。

1864年，Joee探讨了刀具几何角度对切削力的影响。

在这一时期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成机理。

Timme在1870年提出切屑是经过剪切面的剪切变形而形成的。

Tresca于1864～1872年间在一系列金属挤压实验基础上提出了最大剪应力屈服准则，可以认为是塑性本构关系实验与理论研究的开始。

到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具挤压，从而在垂直切削方向的平面发生剪切变形的过程。

这一时期也开始了切削模型的研究，在1881年，Mallock提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin则在1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。

值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker等力学家的工作。

回顾这一阶段的历史，可以发现，切削理论的研究一开始就是和力学的研究有着紧密的关系，金属切削过程中所遇到的问题既给力学家们提供了新的课题，也为他们提供了验证其力学理论可靠而又简便的试验手段。

考察自然科学的发展史，在当时力学起着先导和基础的作用，处于自然科学的前沿地位。

所以金属切削理论的研究起点是很高的，也是居于当时自然科学的前沿地位。

这也跟金属切削加工在当时社会生产中的地位相适应。

第二研究阶段可称为切削可加工性时期（MachinabilityPeriod），大致从1900～1930年共约30年时间。

在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。

例如，1898年Taylor和White发明高速钢。

1930年前后人们又发明了硬质合金。

新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。

以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《MetalCutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。

”

与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。

这一时期金属切削理论主要的成果有，1907年Taylor在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“OntheArtofCuttingMetal”中提出了著名的刀具耐用度公式，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。

这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。

有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。

切削可加工性（Machinability）这一概念是二十世纪20年代中期首先由Herbert，Rosenhain和Sturney提出，在这一时期切削加工性主要是指切削速度与刀具耐用度之间的关系，而对切削表面质量，切屑去除和尺寸精度等的研究还不深入。

切削加工性被看作是与材料的硬度，韧性等有关的材料的一个重要特性。

在这一时期还开始关注刀—屑温度的重要性，并进行了初步的研究。

第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期（AmplificationandAlicatioeriod），传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。

在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度。

而在实验手段和理论应用于生产方面也达到了前所未有的水平，这一时期比较重要的工作有：

Bisacres和Chao在4