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1 引言 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)市場(chǎng)的需求，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了六代。自1952年第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床在美國(guó)問(wèn)世后，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的專用計(jì)算機(jī)硬件邏輯控制、計(jì)算機(jī)直接控制、微型計(jì)算機(jī)控制到開(kāi)放式數(shù)控。目前研究已經(jīng)超越了開(kāi)放式數(shù)控的內(nèi)涵，數(shù)控系統(tǒng)正向著高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。高速加工（High Speed Machining，HSM）是20世紀(jì)數(shù)控技術(shù)之后的又一次革命性的技術(shù)發(fā)展。 2 高速加工的發(fā)展現(xiàn)狀 近十年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)全球化的推動(dòng)下，發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移的速度空前加快，我國(guó)的制造業(yè)得到了高速發(fā)展。隨著外資的大規(guī)模進(jìn)入，對(duì)我國(guó)本土制造業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了重要的推動(dòng)作用。在強(qiáng)勁需求的帶動(dòng)下，我國(guó)汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、造船工業(yè)和通用機(jī)械工業(yè)等紛紛加大了引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和裝備的規(guī)模和速度。我國(guó)傳統(tǒng)的機(jī)床工具技術(shù)和裝備，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)“優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、低耗和環(huán)保”的新需求了。我國(guó)制造業(yè)高速發(fā)展的強(qiáng)勁態(tài)勢(shì)和切削加工技術(shù)的相對(duì)落后，切削加工技術(shù)成為了我國(guó)機(jī)械制造業(yè)高速發(fā)展的瓶頸。因此，必須分析當(dāng)前的現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的對(duì)策，才能適應(yīng)新的形勢(shì)。 高速加工（HSM）是當(dāng)今制造業(yè)中一項(xiàng)快速發(fā)展的新技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，高速切削正成為一種新的切削加工理念。它于1931年由德國(guó)物理學(xué)家薩羅蒙率先提出，20世紀(jì)60年代以后，美國(guó)科技界和工業(yè)界在高速加工的機(jī)理研究和應(yīng)用方面做了許多研究。20世紀(jì)80年代高速加工進(jìn)入實(shí)用化階段后，在美、德、日等西方發(fā)達(dá)國(guó)家得到了普及和應(yīng)用，并迅速開(kāi)創(chuàng)了高速加工時(shí)代。近幾年高速加工也在國(guó)內(nèi)制造業(yè)中得到了響應(yīng)，已受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)企業(yè)的青睞和重視。高速切削加工技術(shù)是高速加工系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，是指刀刃相對(duì)于零件表面的切削運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)）速度超過(guò)普通切削5～10倍，主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、工作及快退3個(gè)環(huán)節(jié)上。其優(yōu)勢(shì)為：在高速加工過(guò)程中，能使被加工塑性金屬材料在切除中的剪切滑移速度達(dá)到或超過(guò)某一域限值，開(kāi)始趨向最佳切除條件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具磨損、加工表面質(zhì)量等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標(biāo)，而加工效率則大大高于傳統(tǒng)切削速度下的加工效率。它的基本特征是切削速度高（為常規(guī)切削速度的5～10倍），進(jìn)給速度快（40～180m/min），加減速度大（1～2g）。高速加工（HSC）技術(shù)將成為提高生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量、加工精度和縮短生產(chǎn)周期及降低加工成本的重要手段，為產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)份額奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 高速加工的基本出發(fā)點(diǎn)是高速低負(fù)荷狀態(tài)下的切削可較低速高負(fù)荷狀態(tài)下切削更快地切除材料。低負(fù)荷切削意味著可減小切削力，從而減少切削過(guò)程中的振動(dòng)和變形。使用合適的刀具，在高速狀態(tài)下可切削高硬質(zhì)的難加工材料。同時(shí)，高速切削可使大部分的切削熱通過(guò)切屑帶走，從而減少零件的熱變形。高速加工與常規(guī)切削相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：加工時(shí)間可減小約60％；進(jìn)給速度提高5～10倍；材料去除率提高3～5倍；刀具耐用度提高70％；切削力減小約30％；加工面表面粗糙度可達(dá) Ra="8"～101μm；由于切削過(guò)程的切削熱90％被切屑帶走，工件溫升低，熱變形、熱膨脹小。 上述這些優(yōu)點(diǎn)僅在加工策略合適的情況下才能實(shí)現(xiàn)。如果加工策略不適當(dāng)，輕則會(huì)縮短刀具的壽命，重則可能導(dǎo)致更加可怕的結(jié)果。高速加工并不是簡(jiǎn)單地使用現(xiàn)有刀具路徑，通過(guò)提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率實(shí)現(xiàn)。因此，盡管對(duì)高速加工的研究已有多年，也在汽車、航天航空、船舶等行業(yè)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，但還有許多問(wèn)題有待于解決，如高速機(jī)床的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問(wèn)題；機(jī)床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動(dòng)平衡、扭矩傳輸）；冷卻潤(rùn)滑液的選擇；CAD/CAM的程序后置處理問(wèn)題；高速加工時(shí)刀具軌跡的優(yōu)化問(wèn)題；安全性問(wèn)題。 3 實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速加工亟待解決的關(guān)鍵技術(shù) 要實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削加工所需研究的核心內(nèi)容包含高速切削加工理論、高速主軸單元、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC系統(tǒng)、高性能的刀具系統(tǒng)、機(jī)床支撐技術(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及輔助單元技術(shù)。 3.1 高速切削機(jī)理 高速切削機(jī)理是高速切削技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的理論基礎(chǔ)，在高速切削技術(shù)應(yīng)用中起著指導(dǎo)作用，占有十分重要的地位。 目前，高速切削加工機(jī)理有3種學(xué)說(shuō)： （1）Dr.Salomon 理論。1929年德國(guó)的切削物理學(xué)家薩洛蒙（CarlSalomon）博士開(kāi)始進(jìn)行超高速模擬實(shí)驗(yàn)，并于1931年發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設(shè)，并在德國(guó)申請(qǐng)了專利。該假設(shè)認(rèn)為：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對(duì)于不同的工件材料，存在一個(gè)速度范圍，當(dāng)切削速度超過(guò)了這個(gè)速度范圍以后，隨著切削速度的增大切削力會(huì)大幅度下降，切削溫度也會(huì)降低。按照這一假設(shè)，在具有一定速度的高速區(qū)進(jìn)行切削加工，會(huì)有比較低的切削溫度和比較小的切削力，不僅有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速切削，大幅度地縮短切削時(shí)間，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率，而且還將給切削過(guò)程帶來(lái)一系列的優(yōu)良特性。該假設(shè)為進(jìn)入“死谷”召區(qū)后，由于切削溫度太高，任何刀具都無(wú)法承受，切削加工不可進(jìn)行；假設(shè)理論如圖1所示，在常規(guī)切削速度范圍A區(qū)，切削溫度隨切削速度的增加而升高；當(dāng)切削速度超過(guò)B區(qū)進(jìn)入高速C區(qū)，切削溫度隨切削速度的增加而降低，可明顯縮短切削加工時(shí)間，提高機(jī)床生產(chǎn)率。 圖1 切削過(guò)程中刀具的溫度與速度的關(guān)系 （2）后來(lái)的學(xué)者根據(jù)高速切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)Salomon理論提出了質(zhì)疑，認(rèn)為在高速切削鑄鐵、鋼及難加工材料時(shí)，即使在很高的切削速度范圍內(nèi)也不存在B區(qū)這樣的死谷，刀具耐用度總是隨著切削速度的增加而降低的。 （3）20 世紀(jì)70年代中期，美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈和空間公司的科學(xué)家羅伯特．金（Bobet I.King）和麥克唐納（Mcdonald.J）開(kāi)始著手驗(yàn)證和發(fā)展沃漢（Vauglan）的研究結(jié)論，提出了一個(gè)比較完整和可靠的高速切削機(jī)理，從理論上證實(shí)了高速切削的可行性和優(yōu)越性。他們的研究主要在切屑成型理論、金屬斷裂、突變滑移、絕熱剪切以及各種材料的切屑成型方面。一系列切削試驗(yàn)表明，與常規(guī)切削相比，高速加工切削力可降低30%左右，刀具耐用度可提高70% 左右，但目前還沒(méi)有成熟的高速切削理論解釋這些試驗(yàn)結(jié)果。 我國(guó)在高速切削基本方法和理論方面研究起步較晚、水平較低。目前，南京航空航天大學(xué)推導(dǎo)出了在高速切削時(shí)集中剪切滑移條件下的切削方程式，為進(jìn)一步發(fā)展高速切削工藝技術(shù)建立了理論基礎(chǔ)；山東大學(xué)主要探討了高速切削時(shí)切削參數(shù)的選擇和表面質(zhì)量的控制；哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)等單位研究了高速切削時(shí)刀具的磨損情況等。通過(guò)對(duì)高速切削加工中切削力、切削熱、切屑形成機(jī)理、刀具磨損、表面質(zhì)量等技術(shù)的研究，可以為開(kāi)發(fā)高速機(jī)床和高速加工刀具、工藝和測(cè)試技術(shù)改革提供理論指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是進(jìn)行局部理論的研究，都沒(méi)有真真運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)的高速切削數(shù)控機(jī)床大都是進(jìn)口的，幾乎沒(méi)有國(guó)產(chǎn)機(jī)床的市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)制造業(yè)想要突破產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展與切削加工技術(shù)落后的瓶頸，只有做到如下幾點(diǎn)： （1）進(jìn)一步完善高速切削機(jī)理； （2）進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)，建立完整的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝參數(shù)專家系統(tǒng)； （3）根據(jù)（2）中的數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的高速切削加工過(guò)程的虛擬仿真軟件。 3.2 高速主軸單元 傳統(tǒng)的機(jī)床是通過(guò)齒輪、皮帶等中間環(huán)節(jié)連接把動(dòng)力從電機(jī)傳遞到主軸，從而控制機(jī)床主軸的運(yùn)動(dòng)。由于傳統(tǒng)的主軸運(yùn)動(dòng)的精度受很多因素的影響，特別是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候無(wú)法達(dá)到所需的精度，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)高速加工的要求。高速加工機(jī)床的主軸部件，要求采用耐高溫、高速、能承受大的負(fù)荷的軸承，同時(shí)主軸動(dòng)平衡性能好，有良好的熱穩(wěn)定性，能夠傳遞足夠的力矩和功率且能承受高的離心力，主軸的剛性要好、有恒定的力矩并帶有檢測(cè)過(guò)熱裝置和冷卻裝置。因此具備相應(yīng)的高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機(jī)床電主軸應(yīng)運(yùn)而生。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電主軸的主軸形式是將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部，即把高速電機(jī)置于精密主軸內(nèi)部，電主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)子就是主軸，主軸的殼體就是電機(jī)的機(jī)座，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速電機(jī)和主軸一體，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸，形成電主軸。電主軸取消了中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度為0，可以實(shí)現(xiàn)真真意義上的機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”，避免了中間環(huán)節(jié)對(duì)精度的影響。 電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其相應(yīng)的部件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤(rùn)滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電主軸實(shí)現(xiàn)高速化，從機(jī)械方面考慮的主要是軸承發(fā)熱和振動(dòng)的問(wèn)題；從電機(jī)設(shè)計(jì)方面考慮的主要是定子、轉(zhuǎn)子功率密度和繞組發(fā)熱問(wèn)題；從驅(qū)動(dòng)和控制角度考慮的主要是調(diào)速性能問(wèn)題。 針對(duì)上述3個(gè)方面的問(wèn)題，可采取如下措施： （1）高速精密主軸上大量采用高速、高剛度的軸承，如一般情況采用陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承，特殊場(chǎng)合采用空氣潤(rùn)滑軸承和磁懸浮軸承；軸承的潤(rùn)滑采用定時(shí)定量的油氣潤(rùn)滑而不是油脂潤(rùn)滑。 （2）主軸電機(jī)主要采用矢量控制的交流異步機(jī)。 （3）電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)采用高頻變頻裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)每分鐘幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，變頻器的輸出頻率甚至要達(dá)到幾千Hz。 3.3 高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 迄今為止的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、齒輪箱或聯(lián)軸器、絲杠和驅(qū)動(dòng)螺母、絲杠支座軸承等構(gòu)成，而它們都影響甚至限制了機(jī)床的性能。例如：電動(dòng)機(jī)本身有最大轉(zhuǎn)速的限制，隨著速度增加，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降；在高的加速度下電動(dòng)機(jī)軸會(huì)產(chǎn)生扭曲甚至變形和位置誤差；齒輪箱則會(huì)增加系統(tǒng)慣性，產(chǎn)生間隙；若電動(dòng)機(jī)與絲杠直接連接，則會(huì)產(chǎn)生扭曲變形、間隙及滯后；絲杠本身受臨界轉(zhuǎn)速、間隙、扭曲、螺距誤差、摩擦等影響，且其振動(dòng)衰減時(shí)間很長(zhǎng)。 直線電機(jī)則是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)的初級(jí)展開(kāi)拉直，使得初級(jí)的封閉磁場(chǎng)變?yōu)殚_(kāi)放磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部分變?yōu)橹本�電機(jī)的初級(jí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本�電機(jī)的次級(jí)。在電機(jī)的三相繞組中通人三相對(duì)稱正弦電流后，在初級(jí)和次級(jí)間產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，沿展開(kāi)的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)按定向相序沿直線移動(dòng)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)成為行波磁場(chǎng)。當(dāng)次級(jí)固定不動(dòng)時(shí)，次級(jí)就能沿著行波磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向做直線運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給方式。把直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)分別安裝在高速機(jī)床的工作臺(tái)與床身上，由于這種進(jìn)給傳動(dòng)方式的傳動(dòng)鏈縮短為0，因此稱為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。 同“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”傳動(dòng)方式相比較，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）高速度，目前最大進(jìn)給速度可達(dá)100～200m/min；（2）高加速度，可達(dá)2～10g（g=9.8m/s）； （3）定位精度高，由于只能采用閉環(huán)控制，其理論定位精度可以為0，但由于存在檢測(cè)元件安裝、測(cè)量誤差，實(shí)際定位精度不可能為0，最高定位精度可達(dá)0.1～0.01m；（4）行程不受限制，由于直線電機(jī)的次級(jí)（定子）可以一段一段地鋪在機(jī)床床身上，不論有多遠(yuǎn)，對(duì)系統(tǒng)的剛度不會(huì)產(chǎn)生影響。 直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是一種能將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，而不需要任何中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置。它的應(yīng)用將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)床的速度、加速度、剛度、動(dòng)態(tài)性能可得到完全改觀，通過(guò)采用數(shù)字控制技術(shù)，直線電機(jī)可以利用大增益，提高控制效果，使得高速移動(dòng)的伺服滯后量減小，從而獲得高的定位精度，有效地克服了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點(diǎn)。 3.4 高性能刀具系統(tǒng) 在高速切削中，其失效形式根據(jù)加工的條件及工件材料不同而完全不同。比如有刀尖破碎，前、后刀面同時(shí)磨損，刀桿折斷等各種形式，并且不同的刀具與不同的工件材料組合產(chǎn)生的效果也不一樣。如何選擇合理的高速切削刀具，盡可能延長(zhǎng)刀具使用壽命，以及最大限度地發(fā)揮刀具的性能，對(duì)高速切削應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。為了適應(yīng)高速切削，刀具材料耐磨性能要好，在干式切削高溫條件下切削性能穩(wěn)定。目前高速切削刀具材料主要有涂層硬質(zhì)合金、金屬基陶瓷、氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼等。 在機(jī)床主軸—夾頭—刀具系統(tǒng)中，刀具和夾具的不對(duì)稱形狀、系統(tǒng)構(gòu)件的連接間隙和夾緊的不精確、主軸的圓跳動(dòng)和磨損、主軸刀具拉緊機(jī)構(gòu)中拉桿—碟形彈簧的偏移、冷卻潤(rùn)滑液的影響等都會(huì)造成刀具系統(tǒng)的不平衡。在高速加工過(guò)程中，刀具的一點(diǎn)點(diǎn)不平衡都會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，嚴(yán)重影響主軸的正常運(yùn)行。 針對(duì)這種情況，需采取以下措施：（1）制定動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)。目前已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS01940規(guī)定了動(dòng)平衡的技術(shù)指標(biāo)，各廠家可以根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和工廠實(shí)際情況指定相應(yīng)的產(chǎn)品的動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)。（2）對(duì)刀具系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡，對(duì)刀具、夾頭和主軸進(jìn)行動(dòng)平衡。（3）對(duì)夾頭連同刀具整體進(jìn)行一次動(dòng)平衡。（4）刀具系統(tǒng)裝夾到主軸上是會(huì)因夾緊產(chǎn)生誤差，對(duì)于高速加工應(yīng)采用自動(dòng)平衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)平衡。美國(guó)肯納金屬公司所開(kāi)發(fā)的TABS（動(dòng)態(tài)動(dòng)平衡全自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)）可安裝在機(jī)床上，當(dāng)?shù)毒咴趧?dòng)態(tài)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，2s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的動(dòng)態(tài)動(dòng)平衡全自動(dòng)調(diào)整，有效地解決了高速加工中刀具系統(tǒng)動(dòng)平衡快速調(diào)整的問(wèn)題。 3.5 高速CNC系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)（數(shù)字控制系統(tǒng)）是指實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)相關(guān)功能的軟硬件模塊有機(jī)集成系統(tǒng)。它是數(shù)控技術(shù)的載體。數(shù)字控制系統(tǒng)中的信息是數(shù)字量，是相對(duì)于模擬控制而言的。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)從最初的由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的硬線數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了以計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control，CNC）系統(tǒng)。相對(duì)于硬線數(shù)控系統(tǒng)而言，CNC系統(tǒng)的控制功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，并可處理邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息，因而具有較高的柔性和更高的性能。 高速加工對(duì)CNC的最基本要求：以足夠快的速度處理NC數(shù)據(jù)、為各進(jìn)給軸加減速產(chǎn)生無(wú)沖擊的理論值。高速加工CNC功能模塊，它與普通CNC相比，擴(kuò)展有后置處理器，離線預(yù)處理功能和樣條譯碼功能。高速加工CNC的核心技術(shù)是樣條實(shí)時(shí)插補(bǔ)和無(wú)沖擊的加速器。樣條不應(yīng)該線性化，應(yīng)該直接插補(bǔ)，以免降低精度。機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有高動(dòng)態(tài)性能，為機(jī)床進(jìn)給軸加減速產(chǎn)生無(wú)沖擊的理論值——斜坡函數(shù)，即機(jī)床進(jìn)給軸加速度—時(shí)間曲線不允許有突跳，只有這樣才能保證高速加工的高精度和足夠高的進(jìn)給速度。 數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過(guò)程，一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會(huì)直接影響到加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響到刀具的壽命。 普通 NC程序信息量低，在執(zhí)行NC程序之前要進(jìn)行預(yù)處理，以離線方式進(jìn)行。預(yù)處理內(nèi)容：將ASCII轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式，語(yǔ)法檢查及與操作者進(jìn)行交互，分解固定循環(huán)和子程序，參數(shù)計(jì)算和公式計(jì)算。編程主要是基于IS06983標(biāo)準(zhǔn)，但I(xiàn)S06983不支持五軸銑削和曲線加工的高速切削。目前的數(shù)控軟件都以 IS06983（G，M代碼）為標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)高速加工（HSM），只能在原CNC基礎(chǔ)上，對(duì)刀具中心軌跡進(jìn)行編程，程序量大，針對(duì)不同的高速加工中心，還需專用的后置處理器。STEP-NC（1S014649）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（1SO）所開(kāi)發(fā)，用來(lái)為數(shù)控（NC）設(shè)備定義數(shù)據(jù)而擴(kuò)充的STEP標(biāo)準(zhǔn)。采用了 EXPRESS語(yǔ)言和面向特征的編程原理，將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP擴(kuò)展至CNC領(lǐng)域，重新規(guī)定了CAD/CAM和CNC間的接口，形成了新型NC 編程數(shù)據(jù)接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（1S014649）。STEP-NC可大幅度地減少傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)加工零件的時(shí)間，消除了在加工制造過(guò)程中所需的后處理器，并且能夠支持將在今后出現(xiàn)的更快、更安全、更加智能的加工設(shè)備。 3.6 高速機(jī)床支撐系統(tǒng) 高速加工過(guò)程中機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要，而獲得高動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)是機(jī)床的各個(gè)部件應(yīng)該具有最佳的阻尼特性，整個(gè)系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性。這些特性可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和選擇合適的機(jī)床材料來(lái)獲得，如可以采用高度穩(wěn)定的龍門結(jié)構(gòu)和經(jīng)優(yōu)化的高剛度床身。 大多數(shù)的高動(dòng)態(tài)性能機(jī)床的制造商都用混凝土作為各種非移動(dòng)結(jié)構(gòu)部件的材料，比如用于機(jī)床床身和橫梁。高動(dòng)態(tài)特性的機(jī)床部件移動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力被混凝土床身完全吸收了。相比之下，當(dāng)制造像主軸箱這樣的移動(dòng)部件時(shí)，鑄鐵材料的耐壓和耐拉強(qiáng)度就更有優(yōu)勢(shì)一些。鑄鐵材料可以用于制造具有優(yōu)異強(qiáng)度和穩(wěn)定性的較輕的部件。高速加工過(guò)程中同時(shí)也要求機(jī)床具備良好的加減速功能，即必須要保持合理的加加速和加加速度控制（Jerk control）。進(jìn)給率在高速加工時(shí)可能不斷轉(zhuǎn)變，會(huì)產(chǎn)生變化的加減速度即加加速度，同時(shí)出現(xiàn)機(jī)械的沖擊和振動(dòng)，因此要控制過(guò)大加減速度的變化。 如果加加速過(guò)大（突變），可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加速，但同時(shí)會(huì)造成機(jī)床的振動(dòng)，從而使所加工表面出現(xiàn)條紋，降低了表面質(zhì)量。如果加加速過(guò)小，可以實(shí)現(xiàn)高的表面質(zhì)量，但很難實(shí)現(xiàn)快加速功能。因此，為了保證在高速情況下加工出高質(zhì)量表面，合理的機(jī)床加加速非常重要。 3.7 輔助單元技術(shù) 高速切削過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)崆行迹仨毤皶r(shí)將其從工作臺(tái)上清除掉，避免使機(jī)床、刀具和工件產(chǎn)生熱變型。高壓大流量的切削液不但可以冷卻機(jī)床的加工區(qū)，而且也是一種有效的清理切屑的方法。當(dāng)前，許多機(jī)床都配置了高速加工所必需的高壓冷卻液泵。高速切削機(jī)理研究表明，基本剪切區(qū)的高溫有助于加速塑性變形和切屑的形成。在高速切削條件下大量使用冷卻液，雖然可顯著提高刀具耐用度，但卻大大降低了工件的塑性流動(dòng)速度，反而降低總的生產(chǎn)效率。合理地選擇冷卻潤(rùn)滑方式，是保證加工質(zhì)量的先決條件。對(duì)于條件最為惡劣的主軸軸承的潤(rùn)滑方式有油脂潤(rùn)滑、油池潤(rùn)滑、噴霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑等。一種新型氣體軸承還采用強(qiáng)制供氣潤(rùn)滑。 采用于式切削方式，會(huì)從根本上改善切削的環(huán)境狀態(tài)，節(jié)省對(duì)切削液的直接投資和廢液處理及環(huán)保費(fèi)用。高速切削加工中為了保護(hù)環(huán)境與人身安全、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率及保證加工質(zhì)量，應(yīng)用干切削技術(shù)是高速切削加工的必然要求。因此，應(yīng)開(kāi)發(fā)出更加節(jié)省能源的機(jī)床，開(kāi)發(fā)出更加實(shí)用的干式切削加工技術(shù)。如采用低溫氣體冷卻，使工件、刀具和機(jī)床的溫升降低，同時(shí)配備抽吸系統(tǒng)進(jìn)行防塵和排屑，保證加工區(qū)的清潔。在一些機(jī)械加工中，純粹的干切削是難以實(shí)現(xiàn)的，可以采用最小量潤(rùn)滑技術(shù)又稱準(zhǔn)干切削。也可以采用通過(guò)對(duì)加工表面局部加熱（如激光加熱、導(dǎo)電加熱等）輔助加熱的干切削技術(shù)，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的實(shí)現(xiàn)。 4 結(jié)束語(yǔ) 自20世紀(jì)80年代以來(lái)，電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)的發(fā)展使新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。同時(shí)，高速加工技術(shù)也從基于傳統(tǒng)金屬（非金屬）切削加工技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)。數(shù)控機(jī)床性能在高速度、高精度、高可靠性和復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了很大的進(jìn)展。現(xiàn)代制造業(yè)迎來(lái)了一場(chǎng)新的技術(shù)革命，數(shù)控高速加工技術(shù)將引領(lǐng)制造業(yè)的高速發(fā)展。 |
