第5章 高速加工机床.docx
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第5章高速加工机床
说明：
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第4章高速加工机床
目录（根据张伯霖书整理，与正文略有不同）
4.1高速加工机床概述
4.1.1高速机床的发展现状
4.1.2高速机床应满足的要求
4.2高速机床主轴单元
4.2.1高速主轴单元的特点及关键技术
4.2.2电主轴的结构
4.2.3电主轴的参数及选用
4.2.4高速主轴轴承及其润滑
4.2.5电主轴的电动机及驱动模块76
4.2.6电主轴的支持技术及装置83
4.3高速机床进给系统
4.3.1高速机床进给系统概述94-95
4.3.2高速滚珠丝杠副传动系统（96-98）
4.3.3直线电动机进给驱动系统98
4.3.3.1直线电动机及其在高速机床上的应用（98）
4.3.3.2直线电动机与高速滚珠丝杠的性能对比及应用场合
4.3.3.3直流直线电动机进给驱动系统（100）
4.3.3.4交流永磁（同步）直线电动机进给驱动系统（101）
4.3.3.5交流异步直线电动机进给驱动系统（102）
4.4高速机床总体设计的有关问题
4.4.1高速加工机床结构件的设计原则
4.4.2高速电主轴单元
4.4.3高速进给系统
4.4.4各轴进给运动的相互结构联系
4.4.5数控、伺服控制系统
××××××××××××××××××××正文×××××××××××××××××××
4.1高速加工机床概述
4.1.1高速机床的发展现状
随着大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、磁悬浮以及动静压高速主轴轴承、高性能的控制系统等一系列关键技术的解决，已使得高速、超高速加工机床有了很大的发展。
近年来,高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著的成果。
在国外许多著名公司的加工中心上,如美国Cincinnati、Ingersoll,日本的牧野,意大利的Rambaudi等公司,标准主轴转速配置可以到8000～10000r/min,可选的20000r/min以下的主轴单元已经处于商品化阶段。
采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给可以达到40～60m/min,工作进给可达到30m/min以上。
采用直线电机的进给驱动系统,快速进给可以达到120m/min,进给加速度到2g（g＝9.8m/s2）以上。
目前主轴最高转速除个别产品外基本上是：
小型20000～60000r/min、中型10000～30000r/min、大（重）型8000～24000r/min。
最高的有达到100000r/min。
如瑞士Mikron公司生产的HSM700高速铣床,主轴最高转速达到42000r/min，快速进给为40m/min,输出功率可到14kW。
上述高速加工中心的刀具到刀具的换刀时间最快小于1s，换刀时间小于2.4s,托盘交换时间小于10s。
机床的定位精度到2.5μm,重复定位精度1μm。
我国在高速加工的各关键领域也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有一定的差距,主轴转速尚未突破10000r/min。
高速加工的最典型机床为高速加工中心。
此外还有高速车床、高速车铣床、高速钻床、高速虚拟轴机床。
4.1.2高速机床应满足的要求
高速机床技术主要包括高速单元技术（或称功能部件）和机床整机技术。
单元技术包括高速主轴系统、高速进给系统、高速CNC控制系统等；机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施和加工环境等。
应满足的要求包括：
高转速、大功率主轴系统；快速进给系统；优良的静、动特性和热态特性。
（1）高速主轴单元
高速主轴单元要求主轴转速高、功率大。
目前适用于高速加工的加工中心，其主轴最高转速一般都大于10000r/min,有的高达60000-100000r/min，为常规机床的10倍左右；主电机功率为15～80kW，以满足高速铣削、高速车削等要求。
同时满足极高加速度要求。
高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速切削加工机床的核心部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。
高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高转速和高刚度的矛盾、高速度和大转矩的矛盾等等。
因此提高主轴转速和精度是一项很困难的工作，设计和制造高速主轴系统必须综合考虑满足多方面的技术要求。
（2）高速进给系统
进给系统的高速性也是评价高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持高速切削刀具正常工作的必要条件。
对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。
高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其它周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。
目前常用的高速进给系统有三种主要驱动方式．高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构等。
与高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）和导轨的设计制造技术等。
主轴和工作台（拖板）运动都要有极高的加速度。
主轴从启动到达到最高转速（或相反），只用1～2s的时间。
工作台的加、减速度也由常规数控机床的0.1g～0.2g提高到1g～8g（g＝9.81m/s2）。
没有高的加速度，工作部件的高速度是没有意义的。
因为零件加工的工作行程一般都不长，从几十毫米到几百毫米，不允许有太长的速度过渡过程，因为在进给速度变化过程中是不能进行加工的。
因此在高速加工机床上，不论主轴还是工作台，速度的提升或降低往往要求在瞬间完成。
由于高速机床的出现，目前机床设计已从“速度设计”进入了“加速度设计”的新阶段。
（3）高速CNC控制系统
相对而言，现有的控制系统对超高速机床所需的进给速度来说显得太慢了，超高速机床要求其CNC系统的数据处理时间要快得多，高的进给速度要求CNC系统不但要有很高的内部数据处理速度，而且还应有较大的程序存储量。
CNC控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨迹、预先前馈控制、快速反应的伺服系统等。
（4）床身、立柱和工作台
机床要有优良的静动态特性和热态特性。
高速机床设计的一个关键点，是如何在降低运动部件质量的同时，保持基础支撑部件的高静刚度、动刚度和热刚度。
通过计算机辅助设计，特别是应用有限元及优化设计理论能获得轻质量、高刚度的床身、立柱和工作台结构，为获得较好的动态性能，有些高速机床床身由聚合物混凝土材料制成，同济大学在高速机床混凝土床身的制造方面取得了很好的成果。
对于直线电动机驱动的工作台所能达到的加速度，不仅与直线电动机的推力及其本身的质量有关，而且还和工作台移动部件的质量有很大关系。
以往加工中心的双层工作台的质量太大。
为此，一种叫“箱中箱”的结构开始被广泛采用。
在这种结构中，工作台只完成一个坐标的运动，电主轴作另一坐标运动，主轴的伸缩为第三个坐标运动。
这种设计不但减轻了工作台的移动质量，而且主轴箱的热对称布局还有利于克服热变形对结构精度的影响。
（5）切屑处理和冷却系统
高速切削单位时间内高的切屑量需要高效的切屑处理装置。
高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。
切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适用，例如，对抗热冲击性能差的刀具，在有些情况下，切削液反而会降低刀具的使用寿命，这时可采用干切削，并用吹气或吸气的方法清理切屑。
（6）安全装置
高速运动的机床部件、大量高速流出的切屑及高压喷射的切削液等都要求高速机床有一个足够大的密封工作室，工作室的仓壁一定要能吸收喷射部分的能量。
刀具破损时的安全防护尤为重要。
此外，防护装置还必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直接接触切削区情况下的操作安全。
（7）高速切削加工中的测试技术
高速切削加工是在密封的机床工作区间里进行的，在加工过程中，操作人员很难直接进行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控，实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。
高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。
近年来，在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。
现在已经在机床使用的有主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。
测量传感器有热传感器、测试刀具的声发射传感器、工件加工可视监视器等。
智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。
例如，神经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别。
图4.1-1是美国Ingersoll公司为英国BritishAerospace公司提供的大型高速型面铣床。
床身底面积为33m×15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。
图4.1-1大型高速型面铣床
表4.1-1为部分高速机床的参数。
表4.1-1高速加工机床参数
序号
机床型号
主轴转速
r/min
最大进给速度
m/min
快移速度
m/min
制造商（国家）
1
DMC85
18000-30000
120
120
DECKELMAHO（德国）
2
HSM700
42000
20
40
MIKRON（瑞士）
3
K211/214
40000
24
24
FIDIASPA（意大利）
4
HYPERMARK
60000
60
100
CINCINATI（美国）
5
FF510
15000
40
60
MAZAK（日本）
6
DIGIT165
40000
30
30
沈阳机床厂
7
KT1400-VB
15000
48
48
北京机床研究所
8
DHSC500
18000
62
62
大连机床集团
9
VMC1250
10000
48
48
北京机电研究院
图4.1-2五轴高速铣削头
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2009-8-9摘自：
艾兴等.高速切削综合技术.航空制造技术,2002.3
1 高速切削机床
实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床,自20世纪80年代中期以来,开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。
1.1 高速切削机床基本结构
机床的基本结构有床身、底座和立柱等,高速切削会产生很大的附加惯性力,因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。
很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土（或人造花岗岩）,这种材料阻尼特性为铸铁的7～10倍,比重只有铸铁的1/3。
提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构,如将立柱和底座合为一个整体,使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。
1.2 高速主轴
高速主轴是高速切削最关键零件之一。
目前主轴转速在10000～20000r/min的加工中心越来越普及,转速高达100000r/min,200000r/min,250000r/min的实用高速主轴也正在研制开发中。
高速主轴由于转速极高,主轴零件在离心力作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,所以必须严格控制。
为此对高速主轴提出如下性能要求:
（1）高转速和高转速范围;
（2）足够的刚性和较高的回转精度;（3）良好的热稳定性;（4）大功率;（5）先进的润滑和冷却系统;（6）可靠的主轴监测系统。
为满足以上性能要求,高速主轴采用了交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构,减少了传动部件,具有更高的可靠性。
高速主轴要在极短时间内实现升降速,在指定位置快速准停,这就要求主轴具有很高的角加速度。
为此,将主轴电机和主轴合二为一,制成电主轴,实现无中间环节的直接传动,是高速主轴单元的理想结构。
轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。
为了适应高速切削加工,高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑、散热等新技术。
目前高速主轴主要采用3种特殊轴承[5]:
（1）陶瓷轴承;
（2）磁力轴承;（3）空气轴承。
主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用,高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。
采用油空气润滑后,轴承的DN值（主轴轴承孔径与最大转速的乘积）将比脂润滑提高20%～50%。
喷油润滑的轴承极限转速可达（2.3～2.5）×106r/
min。
1.3 高速进给机构（已摘录到下面相应内容中）
1.4 高速CNC控制系统[6,7]
数控高速切削加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性,以保证在高速切削时（特别是在4～5轴坐标联动加工复杂曲面时）仍具有良好的加工性能。
高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标:
一是单个程序段处理时间,为了适应高速,要求单个程序段处理时间要短,为此,需使用32位CPU和64位CPU,并采用多处理器;二是插补精度,为了确保高速下的插补精度,要有前馈和大数目超前程序段处理功能,此外,还可采用NURBS（非线形B样条）插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。
高速切削加工CNC系统的功能特征包括:
（1）加减预插补;
（2）前馈控制;（3）精确矢量补偿;（4）最佳拐角减速度。
1.5 高速切削机床冷却系统
在高速切削条件下,单位时间内产生的大量热切屑不仅干扰切削工作的正常进行,还可能造成机床、刀具和工件的热变形。
解决的办法是采用强力高压、高效的冷却系统（如高压喷射装置）,把大流量的高压冷却液直接射向切削部位,对切削区供给压力为7MPa、流量达60L/min的高压冷却液,使冷却液以“瀑布”方式从机床顶部淋向工作台,把大量热切屑冲离工作台。
1.6 高速切削机床安全防护与实时监控系统
高速切削的速度相当高,当主轴转速达40000r/min时,若有刀片崩裂,掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。
因此,对高速切削引起的安全问题必须充分重视。
从总体上讲,高速切削的安全保障包括以下诸方面:
机床操作者及机床周围现场人员的安全保障;避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤;识别和避免可能引起重大事故的工况。
在机床结构方面,机床设有安全保护墙和门窗。
刀片,特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片,除结构上防止由于离心力作用产生飞离外,还要进行极限转速的测定。
刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠,故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。
机床及切削过程的监测包括[8]:
切削力监测;机床主轴功率监测;主轴转速监测;刀具破损监测;
主轴轴承状况监测;电器控制系统过程稳定性监测等。
1.7 高速切削机床换刀装置[9]
高速切削机床取消了换刀机械手,刀库与工件并排放置,刀库只作回转分度运动,由主轴部件作前后、上下、左右的直线运动来放刀和取刀。
换刀时间虽比普通机床略有增加,但可靠性却大大提高了。
1.8 高速切削机床温控系统
机床的热特性是指机床结构在其内部热源和外部热源的作用下,产生结构变形和对加工精度影响的特性,为了改善高速加工机床的热特性,一般采用温控循环水（或其他介质）来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜,有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。
此外,还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速机床的主轴箱体,以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。
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4.2高速机床主轴单元
4.2.1高速主轴单元的特点及关键技术
高速主轴单元是高速加工机床最为关键的部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。
传统的主轴系统包含皮带、齿轮等中间传动环节，不仅转动惯量大，难于实现高的角加（减）速度，而且高速时也难于解决中间传动环节出现的振动和噪声。
因此，现在的高速主轴系统大多是把电动机与主轴“合二而一”、将传动链缩短为零的电主轴单元，即所谓“零传动”或“直接传动的主轴系统。
结构上基本是把主轴电动机置于主轴前后轴承之间。
这样的电主轴，轴向尺寸较短，结构紧凑，主轴刚度高。
目前大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴。
例如，德国GMN用于加工中心和数控铣床的电主轴共有20几种型号，最高转速从8000r/min到60000r/min，功率从5.5kW到76kW，扭矩从0.9Nm到306Nm。
图4.2-1电主轴
尽管将主电机内置于机床主轴箱中会带来很多问题,但在高速机床上这几乎是惟一的选择。
原因如下：
（1）如果电机不内置,则在高速下由皮带或齿轮等中间传动件产生的振动与噪声问题很难解决,会大大降低加工精度和表面质量,并对车间生产环境产生严重的噪声污染。
（2）高速加工对主轴运转的角加（减）速度有极高的要求,实现这一严酷要求最经济的方法，就是尽可能把传动系统的转动惯量减至最小。
为此，只有将电机内置，取消齿轮、皮带等一系列中间传动环节。
（3）和皮带、齿轮的末端传动方式相比，主电机内置于主轴前后轴承之间，可大大提高主轴系统的刚度和固有频率。
这就使电主轴运转在最高转速时，仍可远离机床的临界转速，确保不发生共振，这点对高速加工的安全尤为重要。
（4）结构简单紧凑，容易做成独立的功能部件，可由专业厂进行标准化、系列化生产。
机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可方便地组成各种类型、各种性能的机床，包括多轴联动机床，多面加工中心和并联（虚拟轴）机床等。
高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。
高速主轴单元所涉及的关键技术有：
Ø超高速主轴材料、结构；
Ø主轴轴承的研究与开发；
Ø超高速主轴系统动态特性与热态特性的研究；
Ø柔性主轴的设计技术；
Ø主轴系统动态优化设计与计算机虚拟设计技术。
Ø超高速主轴系统的润滑与冷却技术。
4.2.2电主轴的结构
4.2.2.1电主轴的组成
高速电主轴（Electrospindle或MotorizedSpindle）原理见图4.2-2，包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。
电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座,实现了变频电机与机床主轴的一体化。
电主轴有一系列监视主轴振动、轴承温升、回转角度和转速等运行参数的传感器及其测试控制系统，是一种智能型功能部件，广泛用于高速加工中心和其它高速数控机床。
高速电主轴的典型结构如图4.2-3所示。
主轴由前后两套滚珠轴承来支撑。
电动机的空心转子用压配合的方法安装在机床主轴上，处于前后轴承之间,由压配合产生的摩擦力实现转矩的传递。
在主轴上取消了一切形式的键联接和螺纹联接，这种设计主要是为了使主轴旋转部分易于达到精确的动平衡。
由于转子内孔与主轴配合过盈量较大，因此，在装配时必须在油浴中将转子加热到200℃左右，迅速进行热压装配。
电动机定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。
这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的箱体就是电动机座，成为机电一体化的新型主轴系统。
主轴的转速用电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。
在主轴的后部安装有齿盘和测速、测角传感器。
主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定刀柄。
现在，也有极少数高速轻切削铣床，使用将主电机置于主轴后轴承之后的电主轴。
这种结构的电主轴轴向尺寸长，但可改进散热条件。
为了精确校正转子与主轴的动平衡，在转子两端设置有两个平衡环。
每个环上有大小不同的许多均布的螺孔。
可根据动平衡测试的结果，在适当的螺孔中拧入配合螺钉，螺钉旋入的长度应根据动平衡的要求来确定。
达到精确动平衡后，再用环氧树脂将这些螺钉紧固在相应位置上，以防止主轴高速旋转时被甩出。
图4.2-2电主轴原理图
（a）
（b）
图4.2-3高速电主轴结构图
无外壳主轴电动机的结构如图4.2-4所示，采用转子和定子分离式结构。
转子做成空心的结构，用于安装机床主轴。
国外许多电动机厂或控制设备厂，如德国的INDRAMAT，SIEMENS公司等都有这种散装式主轴电动机按订货生产，供机床制造厂自制电主轴用。
图4.2-4无外壳主轴电机
电主轴是一种超高速运转部件，结构上微小的不平衡量，在高速下都会产生巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。
因而电主轴设计必须严格遵循对称性设计原则，键连接和螺纹联接在这里被禁止使用。
转子和主轴之间用过盈配合实现扭矩的传递，主轴、主轴上的零件和主轴箱体都必须经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件的动平衡精度达到G0.4级以上的水平。
根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种布局方式：
（1）主电动机置于主轴前、后轴承之间，如图4.2-5所示。
为电主轴的基本结构形式。
其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构形式。
（2）主电动机置于主轴后轴承之后，如图4.2-6所示，即主轴箱和主电机作轴向的同轴布置（有的用联轴节）。
这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。
但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密加工。
1.编码盘2.电主轴壳体3.冷却水套4.电动机定子5.油气喷嘴6.电动机转子7.阶梯过盈套8.平衡盘9.陶瓷球轴承
图4.2-5GD-2型电主轴
1.液压缸2.拉杆3.主轴轴承4.碟形弹簧5.夹头6.主轴7.内置电动机
图4.2-6主电动机位于后轴承之后的电主轴
4.2.2.2电主轴的主要热源及解决措施
内置电机的散热问题是电主轴特有的技术难题，处理不好会造成主轴过高的温升，影响机床工作的可靠性和所能达到的最高转速。
电主轴的内部有两个主要热源，一是内藏式主电动机，另一个是主轴轴承。
与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。
由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度和寿命。
目前解决发热问题有两条途径：
①对于交流感应式主电机，可以采用外循环油-水热交换冷却系统把电机定子产生的热量带走。
但转子产生的热量（约占电机总热量的13％）很难全部带走；②采用交流永磁式主电机。
这种电机的转子用含有稀土元素的永久磁铁制成，转子不发热，从而可大大改善电主轴的发热特性，可用风冷代替上述液冷装置，而且结构紧凑、扭矩大，可扩大空心主轴的内孔直径。
当用于卧式数控车床或车削中心时，还可提高棒料的通过能力。
图4.2-7所示为电主轴的外循环油-水热交换冷却系统。
在主电动机定子的外面加一带螺旋槽的铝质外套3（图4.2-5），机床工作时，冷却油不断在该螺旋槽中流动，从而把主电动机的热量及时、迅速地带走，实现循环冷却。
冷却油的流量可按主电动机的发热量进行计算。
根据主轴电机的要求，冷却油的入口温度Tin在10℃～40℃之间，温升ΔT不得超过l0℃。
图4.2-7电主轴定子油－水热交换冷却系统
采用合适的润滑方式也有助于进一步降低主轴轴承的温升，如油-气润滑系统。
实测表明，在高速运转条件下，主轴轴承采用油-气润滑比油雾润滑的温升可降低9～16℃，而且随着dmn值的增大，降温效果更好。
4.2.3电主轴的参数及选用
4.2.3.1电主轴的基本参数
电主轴的主要参数有：
（1）主轴最高转速和恒功率转速范围（额定转动又称基速）；
（2）主轴的额定功率和最大扭矩；（3）主轴前轴颈直径和前后轴承的跨距等。
其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。
电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。
机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”
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