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×××机械工程系本科课程论文课程名称：_______机械制造技术基础____专业年级：________×××××学号：__________×××××学生姓名：______×××_________论文题目：____高速加工机床的设计与应用___成绩：_________________指导教师：×××××××年×月××日高速加工机床的设计与应用××（××××机械设计制造及其自动化专业××××级）摘要：本文通过对高速加工机床设计与应用的一些基本知识的介绍，提出了对设计技术方案和加工工艺方法进行综合分析与评估是设计和应用高速加工机床的关键。关键词：高速加工机床；高速电主轴单元；设计与应用引言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）,加减速大（现多为1g至2g），而且还包含刀具或工件交换时间短（在数秒至1秒内）以及常常具有多轴联动功能等特点。1高速加工机床的优点高速加工机床具有诸多优点，第一，生产率高，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；第二，切削力比常规速度时少30%~50%和约30%以上的切削热将被切削所带走，所以工件温升和变形少，有利于进行薄壁件的切削和提高加工精度；第三，由于切削速度高，切削过程中产生的强迫振动频率一般远离了机床工艺系统的固有频率，故切削过程更平稳，有利于提高加工表面的质量和刀具寿命，免掉许多费时费工的人工顺序作业；第四，许多机电产品所用的零部件，无论是单件或批量需求的，都可以在相应的高速加工机床上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工。因此，高速加工机床自20世纪80年代中期出现以来，便受到人们普遍的重视。随着有关技术，如高速电主轴，直线电机，功能强，性能好的数控伺服系统等的快速发展和日益完善，高速加工机床的生产与应用已变得很普遍。2高速加工对机床结构的基本要求和设计原则由于高速加工中的切削速度、进给速度和加速度都大，因此机床的发热量、运动部件的惯量也大，容易导致机床结构过量温升，热变形和产生冲击振动，最终会影响到加工精度、质量乃至机床和刀具的工作寿命和可靠性[1]。因此，高速加工对机床结构要求，静刚度高、动刚度高和热刚度高，同时，运动部件要轻量化，即要尽量减少传动系统的惯量。根据这些要求，机床结构设计应采取的原则措施如下：2.1提高结构的静刚度为了提高结构的静刚度，首先是选择弹性模量大的材料；其次是根据受力的性质（拉、压或扭）和条件（力的大小、方向和作用点）选择合理的结构截面形状、尺寸、筋壁布置和机床的总体布局；第三，结构件间的接合面要平整，面积大小要适当，接触点在接合面上的分布要均匀，连接要牢固等；第四，尽量采用箱型和整体型结构。2.2提高结构的动刚度为了提高结构的动刚度，首先是在保证静刚度的前提下，选择阻尼系数大的材料；其次，通过模型实验或模型分析合理设计和调整结构的质量分布和结构结合面的刚度值，以改变结构系统本身的固有振动频率，使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率，避免产生共振的可能性[2]；第三，有意采用能增加附加阻尼的结构设计；第四，直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔，驱动力的作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心，传动链中应无反向间隙，以保证运动平稳、无反击。2.3提高结构的热刚度为了提高结构的热刚度，原则上首先应采用热容量大、热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料；其次是根据机床上的热源和温度场的分布情况，尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构。2.4减少运动部件的重量和传动系统的惯量为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量，第一，选用比重较小的材料，如铝合金和复合材料等，作为运动部件的结构材料；第二，在保证刚度和承载能力的前提下，尽量去除多余的材料；第三，采用直接转动，简化传动系统，缩短传动链，以提高机床的运动品质。3高速电主轴单元高速加工的典型应用是以小直径的硬质合金铣刀来对各种材料的模具、模型和铝合金件进行铣削，机床主轴转速是根据现代刀具材料所能达到的经济合理切削速度范围和按此速度及不同的铣刀直径所计算得到的刀具/主轴转速来确定。可见除切削钛或镍合金时，由于刀具所能达到的合理切削速度较低（300m/min一下），刀具主轴最高转速可在10000r/min以下外，其他材料的切削所要求的刀具/主轴最高速度都在10000r/min以上，甚至要求达到50000r/min至80000r/min。如此高的主轴转速，采用一般机床用的主传动结构（电机加皮带轮和齿轮转动）方式是不得能实现的，一般都需采用由变频调速电机和机床主轴集成在一起的所谓“电主轴”直接驱动来实现。电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的。它的优点不仅是简化了主转动结构，减少主转动系统的转动惯量，而且降低了功耗，提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力，从而也可实现定角度的快速准仃（C轴控制）功能，这对高速加工机床是十分重要的。4高速进给系统高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部分，对它的设计，首先要求能提供高速切削时所要求的高的进给/快已速度和加减速度;其次，是应具有所要求的调速宽度和所具有的跟踪精度；另外，还应有很好承受动、静载荷的能力和刚度，从而保证高速加工应有的效率和质量。决定高速进给系统上述性能要求的因素主要有三方面：进给运动的传动方式、各轴进给运动间的相互结构联系和数控伺服控制系统。4.1进给运动的传动方式目前，广为应用的进给运动的传动方式主要有两种：一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠的间接传动，另一种是采用直接电机直接驱动。通过滚珠丝杠间接传动方式的优点是技术成熟，结构相对简单，加速度运动受运动部件载荷变化的影响较小。但是普通传动油的丝杠滚珠，由于存在惯性大，导程小，又受到临界转速限制等，其所能提供的进给/快移速度只有10~20m/min,满足不了高速加工的要求，因此，高速加工用的进给滚珠丝杠普遍采取如下的改进措施。加大丝杠的导程和增加螺纹的头数，前者为提高丝杠每转的进给量（及进给速度），后者则为弥补丝杠导成增大后所带来的轴向刚度和承载能力的下降。将实心丝杠改为空心的，这既是为减少丝杠的重量和惯量，一是为便于对丝杠采取通水内冷，以利于提高丝杠转速，提高进给/快移速度和加速的能力，减少热影响；改进回珠器和滚道的设计制造质量使滚珠的循环更流畅，摩擦损耗更少；采用滚珠丝杠固定，螺母与联结在移动部件上的伺服电机集成在一起完成旋转和移动，从而避开了丝杠收临界转速的限制等。4.2各轴进给运动的相互结构联系如同一般加工机床一样，高速加工机床一般都有两个以上，多至五个进给运动轴，这些运动轴之间的相互结构联系，目前存在着串联、并联和混联三种型式。串联结构是传统机床普遍采用的型式，其特点是各运动轴的布局采用苗卡尔直角坐标系，机床床身、立柱、溜板、工作台/转台和主轴箱部件分别通过相应的导轨支承面串联在一起的，各轴运动均可单独的独立进行，由于是串联，各运动部件的重量往往都比较大，且不一致，需特殊调整方可保持各轴加速度特性的一致性；进给系统的结构件不仅受拉、压力，而且受弯、扭力矩的作用，变形复杂，后运动部件受到先运动部件的牵动和速度，加工误差由各轴运动误差线性迭加而成，且受导轨精度的影响等，这些都是串联结构的缺点。然而由于串联结构较传统，有长期设计、制造和应用的经验，技术较成熟，故迄今仍为大多数高速加工机床所采用。但串联结构中还有着不同的各运动轴的相互走和配置方式，其所获得的应用效果是不一样的，设计时应以高速加工的特点及其对机床结构设计的要求出发来确定。并联结构的典型代表是Stewart平台式的虚拟轴机床。它的特点是运动部件是一个由伺服电机分别控制的六根可自由伸缩的杆子所至承的动平台，该平台可同时作六个自由度的运功，但没有像串联结构那样的物理上固定的X,Y,Z轴和相应的运动支承导轨，而且任何一轴运动都必须由六根可伸缩杆的协同运动来完成。一般刀具主轴图就安装在该平台上，工作则固定在机床的机架上，此外就不再有溜板、导轨等支承件了。与传统串联结构的机床相比，并联结构型式的机床主要有如下优点：①运动部件重量轻，惯量小，更有利于实现讲给运动高得速度和加速度；②刀具主轴头可同时实现五轴联动，结构简单，且主要的六根伸缩杆具有相同的结构和驱动方式，便于模块化、标准化和系列化生产;③伸缩杆的两端分别由球铰和虎克铰链与相关件连接，使杆子只受拉、压力，不受弯扭力作用，刚度高，并易于通过预加载荷来提高整个进给系统的综合刚度；④理论精度高,因为它不像串联结构那样,各轴运动误差有可能被累积和放大,故并联结构的进给运动的综合误差一般不会大于6根伸缩杆运动误差的平均值。并联结构的缺点是:①在同一台机床上,其进给的行程随着各伸缩杆的伸出长度和动平台的位姿角变化而变化,故由行程所决定的可加工空间是非规则形,不方便应用;②因受球铰和虎克铰转角的限制,带主轴头的动平台所能倾斜的角度较小(一般只有±40)，从而影响了机床的可加工范围;③运动编程较复杂,而且在任一轴向上的简单直线运动,也要有六根杆的协调伸缩运动才能完成等。由于有这些问题的存在,并联结构的应用,目前尚不十分广泛,还有待于进一步研究和发展。混联结构是在一台机床上同时采用有串联和并联结构型式的进给运动的结构联结,通常的做法是:三个移动坐标仍采用并联结构来完成,主轴加工时所需的另外两个转动坐标则由串联到固定工作台上的回转和可倾斜的工作台或由串联到并联结构的动平台上的旋转和摆动主轴头来实现。但是此时的并联结构的六根伸缩杆改成了三副定长杆,除杆的一端仍通过球铰与动平台相联外,杆的另一端则通过球铰成组地与滑座联结,滑座由伺服电机控制的滚珠丝杠(或直线电机)驱动在机床导轨上移动,从而改变动平台(主轴头)在三维空间中的位置,即X,Y,Z轴的运动行程。这样既克服了纯并联结构存在的加工空间不规则和动平台可倾角度过小的缺点,而且也减少了三套伺服驱动电机和滚珠丝杠,简化了结构,降低了成本，这应是并联机床结构改进的一个方向。4.3数控伺服控制系统数控伺服控制系统是保证实现高速加工的核心技术装置，对它的要求是:既能实现所需的高进给速度和加减速度的控制，又要保证所需的轨迹跟踪精度和加工质量[3]。因此，数控伺服系统首先应具有很高的运算速度（即更短的单个程序段的处理时间）和数控存储及传输的能力，以处理大量的插补和控制数据；其次，数控伺服系统应具有强大的前瞻功能，以保持最佳的进给速度，最佳的路径变换，识别拐角，及时调整，保证规定的动态精度曲线，使加工速度不超过机床的运行特性范围；第三，数控伺服系统应具有有效的速度、加速度稳定功能和自适应加工轮廓变化的能力，因为加工平滑轮廓和非平滑轮廓时，施加在机床驱动系统上的力量不一样，因此系统必需具有自调节能力，以保证机床永不过载，又能保持最佳的加工效率和质量；第四，数控伺服系统的系统力求开放性，控制逻辑开放和数控内核开放，以使机床生产厂和用户可以集成自己的人机界面，设计高效，高可靠性的控制逻辑和专有的坐标变换及补偿控制软件等；第五，数控伺服系统应有足够的分辨率和多轴联动控制的功能，以保证高清、高速、高效加工的实现[4]。5结论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发展起来的，其生产率高，切削速度快，切削过程平稳，适合单件或批量生产中进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工等特点。因此，在设计与应用高速机床时，第一，要考虑高速加工对机床结构的基本要求和设计原则；其次，要考虑高速进给系统的性能要求，同时，还要重视既能实现所需的高进给速度和加减速度的控制，又要保证所需的轨迹跟踪精度和加工质量的数控伺服控制系统。即通过对高速机床设计方案和加工工艺方法进行综合分析与评估，才是设计和应用高速加工机床的关键。参考文献：[1]杨明健.金属切削机床[M].北京：清华大学出版社,