基于高速加工的效率与设备选型

精密研材

高速切削（High Speed Cutting）和高速加工（High Speed Machining）分别简称HSC和HSM，是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术使汽车、模具、飞机、轻工和信息等行业的生产率和制造量显著提高，加工工艺及装备更新换代，因此如同数控技术一样，高速切削和高速加工已成为20世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前，适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势。
3 q0 |# L, E- `, d2 M8 e+ X. G4 v& ~　　高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1929年进行了超高速模拟实验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，当切削速度再增大，超过这个速度范围以后，切削温度反而降低。同时，切削力也会大幅度下降。按照他的假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。
4 T# v9 ^* o) \　　一．高速加工的效率
　　1.高速加工提高了产品加工的速度
　　对于精加工，从材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上，普通数控机床精加工时一般进给速度在3米-6米/每分钟，而高速机床一般在15米-60米/每分钟，大家知道一般产品加工大部时间花在精加工，对粗加工而言高速加工采取了非常小的切深，但时间范围内的切削量还是比普通数控机床加工快几倍。
: F# w1 v( s  U) V+ L　　2.高速加工可获得高质量的加工表面
　　因高速加工采取了极小的进给量与切深，故可获得很高的表面质量，有时甚至可以省去钳工修光的工序，因表面质量的提高又省去了修光及点火花等工序所需的时间，再则在高速加工速度范围内，切削温度降低，同时切削力也会大幅度下降，使加工的产品不会因切削力 与切削温度影响加工精度。
　　3.简化了加工工序
& N' s4 r6 W% ?: v3 u5 P传统铣削加工只能在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。现在则可以通过高速加工完成，省去了电极材料、电极加工编程及加工，以及电加工过程所需所有费用，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量减少，便可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分加工或手工修整工艺。减少人工修光时间及工艺的简化对缩短生产周期的贡献甚至可超过高速加工速度提高而产生的价值，崎立GRAND68A曾经使用6个毫米的刀加工出深度50mm直径0.2mm的小园柱，普通数控机床是无法做到的。
4.使模具修复过程变得更加方便
模具在使用过程中往往需要多次修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，如果采用高速加工可以更快地完成该工作，而且可使用原NC程序，无需重新编制，且能做到精确无误。
( z1 X, d# ^/ i/ j: ^- i( ^　　二．高速加工设备选型
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  l( N  f* D5 d6 }8 p" w　　高速加工对机床的要求
　　主轴速度应能达到15000～40000r/min；进给速度应达15～60m/min；快速移动速度达30-90m/min；加速度为1g；高刚性的机械结构；高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴； 精确的热补偿系统；高速处理能力的控制系统（线性插补5-20Microns或NURBS插补功能）； 具有预处理能力的控制系统。刀夹、刀具的加速度小于3g；刀具的径向跳动小于0.015mm；
3 v: N( |6 y( O& ]6 S. s# v' G/ d0 Y5 m　　1.高速主轴
　　目前，高速机床普遍采用电主轴，由于没有中间传动环节，俗称“内藏式电主轴”，电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列主轴温升与振动等机床运行参数的功能。决定电主轴性能的优良重要部份在轴承，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。目前国内主要应用陶瓷滚动轴承，STA公司采用德国GMN公司的轴承生产的电主轴是一款性能优良的产品，其旋转精度和刚度都相当高。目前常使用CYTEC，意大利FAEMAT，瑞士IBAG等厂家的电主轴。
　　国内用户在购买机床时一般应注重主轴的参数，主轴一般有转速、功率、扭矩三个基本重要参数，不能一味追求高转速、高功率就是好，应根据机床的大小，进给速度，NC控制系统整体进行搭配，如果你的机床主轴6万转/每分钟，进给速度才6米/每分钟，怎能谈得上高速机床。主轴的高速旋转切削产生大量的热，在没有快速的移动下，切削热大量传导给工件，致使产品热变型，无法对铝等易热变型的材料加工，这就好比我们的一支手指头在一根点燃的蜡烛上移动，当我们的手指头移动的速度够快的话，始终感觉不到手指头会痛。
　　一般转速快，功率一样的情况下，扭矩会小，扭矩小了对加工的时间内切削去除量有很大的影响，那么要有同样的时间内去除量，功率必须大，大功率的电主轴相当贵，对于初次购买高速机床不是很好的选择。
　　我们购买高速机床时应选主轴转速大约16000-30000转/每分钟为宜，功率10KW-20KW，扭力5N·M-20 N·M。
/ I8 v2 f1 q2 T# l! S　　高速主轴还有重要的一点是刀具接口，应选用HSK型接口，中型机床一般HSK-40E、HSK-50E，大机床一般采用HSKA63BT和其它刀具接口目前市场上很难达到2万转以上的参数特性。
　　2.机床结构和进给系统
　　为了响应每分钟15-60m/min的进给速度，那么必须还需要一套好的进给系统。目前很多文章介绍高速机床使用直线电机做为传动，直线电机是一种优良的传动设备，价格很贵，使用量不多，总的传动系统必须高的加速度，高传导性，零间隙，使用滚珠丝杆必须有高的DN值、大镙矩、高加速度、良好的冷却系统。崎立GRAND680B采用空调冷却水对丝杆、轴承进行严格温升控制，实现30米进给，温升控制在30℃,使丝杆轴承大量延升寿命.
) \3 n7 N& D$ v; {1 `4 w- l　　高速机床的结构一般采用龙门式结构,米汉纳铸铁,特殊箱型结构及加大助式设计,使机台具有超强刚性,确保重切削时之抗扭曲力与极佳之吸震能力.使机床可获得最佳的承载能力.采用双墙式结构支撑横梁，横梁在墙式支撑上可进行快速进给运动, 双墙式支撑的横梁要求在两面墙上采用双动力的驱动,双驱动时要保证两边进给的同步性.由于采用龙门式结构比立柱式更容易实现高速运动且结构简单,一些小型加工中心也做成龙门式结构.
　　高速机床的床身和工作台必须有高的动、静刚度和抗振性;好的精度保持性; 更好的抗热变形能力.在材料上,高性能的加工中心大多应用高强度密烘(Mehanna)铸铁.同时,过去仅用于精密机床的聚合物混凝土、大理石已经开始用于高性能加工中心.大理石聚合物混凝土整体铸造的床身的振动性能和铸铁材料比较,其谐振峰值小得多,且共振频率略向前移.
' O) Y: c& S6 k7 B' J　　高速进给系统是高速数控机床的关键部件之一.随着高速加工技术和高速数控机床的不断发展,对高速机床进给系统的要求越来越高.目前对高速机床进给系统的要求可概括为:高速度、高加速度、高精度、高可靠性和高安全性，合理的成本。
8 M2 m$ H0 z$ d$ f; E* w　　采用直线电动机进给驱动的优点是速度高、加速度大、定位精度高、行程不受限制。目前，直线电动机已有多种类型，其中在高速进给系统中应用较多的如：直线直流电动机、交流永磁（同步）直线电动机、交流感应（异步）直线电动机。
( W0 ?4 b. M% k& A7 A! w: f! H/ f　　进给系统的设计和选用，直接影响高速机床的技术水平和加工能力。为高速加工的需要，进给系统必须满足如下要求：能提供高速机床所需的高速度和高加速度，并具有很宽的调速范围；能在所要求的速度、加速度和调速范围内长期稳定可靠工作；能实现准确的定位和误差极小的跟踪；工作平稳，无爬行、无振动、噪声小；具有优良的静态和动态特性；满足节能和环保等方面的要求。
　　3.高速系统
6 ~5 J3 ]' p6 r4 C* H　　CNC控制器应有短的插补时间，短的伺服响应时间，大的超前程序预处理能力，配有高速高精度软件，前馈处理，速度超前处理，大的程序代码传输速率或网络功能，高档系统应有纳米插补功能，NURBS插补功能，NURBS是曲面曲线插补，使加工代码更短，线条更圆滑，产品更光洁度精度更高，但是购买机床时不一定应具备此功能，应根据实际应用选定。
　　以上只是微薄的对您选购高速机床的建议。购买高速机床时您还应具备丰富的产品加工经验，丰富的CAD/CAM经验。
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