中国机械工程第11卷第1-2期2000年2月

停的变频驱动,变速精度在0.5%以内的优化矢量控制,带C轴功能的矢量控制。在这些主轴系统中成功地采用了各种超高速轴承,如高精度陶瓷球角接触球轴承、磁力轴承、流体静压轴承。主轴套筒外径从33mm～250mm有十多个规格。转速最高达到180000r/min,功率最大可达70kW。

(2)高性能的刀具系统技术　对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具(包括砂轮)来说,刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的。当主轴转速超过10000r/min时,一方面由于离心力的作用使主轴传统的7:24锥度端口产生扩张,刀具的定位精度和连接刚性下降,振动加剧,甚至发生连接部的咬合现象。另一方面常用刀片夹紧机构的可靠性下降,刀具整体不平衡量的影响加剧(与转速的平方成正比)。为此,德国开发出HSK(短锥空心柄)连接方式和对刀具进行等级平衡及主轴自动平衡的系统技术。HSK连接具有很高的接触刚度、夹紧可靠、重复定位精度高,适合于20000～46000r/min的超高速主轴。而主轴自动化平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90%以上。近几年开发了不少适合于超高速切削的刀具,采用比强高的刀体材料和零件少、简单、安全的刀体结构,同时具有较短切削刃、较大刀尖角、较强断屑能力和经过优化设计的切削几何角度。

如今,一些刀具公司已能提供具有HSK接口和不同平衡精度的超高速切削刀具,如KOMET和SADVIC。这类刀具也已用于飞机制造厂和汽车制造厂。

(3)直线电机驱动的进给系统　超高速机床要求进给系统有与主轴高转速相应的高速进给运动(空行程时的移动速度更高),直线电机驱动实现了无接触直接驱动,避免了滚制丝杆(齿轮、齿条)传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点,可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。目前最高移动速度(小功率)可达到160m/min,加速度达到2.5g以上。

基于这些技术的新一代的超高速机床及其特点见表1。

4.2　国内超高速切削技术的研究与应用

我国有关单位在研究和开发超高速切削技术方面亦有不小的进步。在切削机理方面,清华方大高技术陶瓷有限公司开发的氮化硅基陶瓷刀具以1020m/min的速度超高速铣削灰铸铁,可获得46～52min的刀具耐用度。北京理工大学较为系统地研究了软钢、灰铸铁、高强度装甲钢的超高速铣Mazak

日本美国

Guhring

表1　德、美、日、法超高速机床的主要产品和规格

国别

厂家

机床型号

主轴最

高转速(r/min)2400020000HSK刀柄7540CBNVs=150m/s20000

11

30快移:76直线电机驱动快移:60切削:4050

主轴功率(kW)40

最大进给速度(m/min)快移:60直线电机驱动切削:24

德国Ex-Cell-o

卧式加工中心XHC240立式数控铣床8VHSC高速平面磨床FD612卧式加工中心HVM600,800卧式加工中心HPMC卧式加工中心FF-510立式加工中心FJV25NUHS五坐标龙门高速铣床MINUMAC-TH8

Mikromat15

Ingersoll

Cincinnati2000015000～200002500040000HSK刀柄

45

Mazak1540

法国Forest-Line4020

削和淬硬钢、钨合金和硅铁的超高速车削机理(刀具磨破损及刀具可靠性、切削力和表面粗糙度)及刀具的安全结构问题。上海交通大学研究超高速铣削硬铝(LY12)时切削力和切削温度的动态规律,表明只有超过某一临界速度(706m/min),铣削力和铣削温度才开始明显下降。西北工业大学研究超高速铣削钛合金时的刀具适配和参数优化问题。在超高速机床方面,沈阳工学院研制超高速车铣床,已取得阶段性成果。北京机床研究所生产出主轴转速达8000r/min、功率达7.5kW的立式加工中心。东北大学研究了热压氮化硅陶瓷球轴承,建立了超高速磨削实验台,能进行200m/s的磨削加工试验。同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动态特性和直线电机的应用技术进行了系统的研究[18～22]。

与此同时,超高速切削技术也开始在生产中得到开发性应用,如西安飞机制造公司用超高速铣削方法加工有小变形要求的飞机结构件,获得了成功。成都飞机制造公司采用大螺旋角短刃铣刀超高速铣削钛合金和铝合金薄壁件,取得了进展。4.3　超高速切削技术发展的新趋势

虽然超高速切削技术日渐成熟,取得了许多令人瞩目的成就,但随着制造观念更新和制造技术的全面进步[23,24],超高速切削将在如下几个方面取得新的发展:

(1)在干切削或准干切削状态下实现绿色的超高速切削　通常在超高速切削时必须喷注足够的切削液,其主要目的在于对刀具和工件加工表面进行冷却和对第二、第三变形区进行润滑。然而在