高速加工中心特点和发展浅析

高速切削的研究可以追溯到20世纪30年代，由Salomons提出，并获得德国专利。经过几十年的努力和高速切削相关技术的逐渐成熟，到目前为止，高速切削技术作为一种先进制造技术正在迅速崛起，对机械制造业的发展产生了深远的影响。实现高速切削的关键技术是研究和开发性能优良的高速切削机床。自20世纪80年代中期以来，发展高速切削机床已成为国际机床工业技术发展的主流。目前，高速加工中心等满足高速切削要求的高速数控机床已成为工业化国家推广应用的趋势，我国也在加快发展高速加工中心的生产、研究和应用。据初步统计，近年来，高速加工中心进口额达数亿美元，已成为我国多个工业部门的进口热点。

高速加工中心的特点和发展描述如下:

高速主轴

高速主轴是高速加工中心最关键的部件之一。目前主轴转速20000 ~ 40000 r/min的加工中心越来越普及。欧洲一些高速加工中心的主轴转速为60000 r/min，主轴转速超过100000 r/min的超高速主轴也在研发中。高速加工中心的转速、马力、动平衡、刚度、锥度孔型和热变形特性对高速加工中心的刚度和热稳定性有相当大的影响。因此要求高速加工中心的主轴和电机合二为一，做成电主轴，实现无中间环节的直接传动，减少传动部件，可靠性更高。

主轴轴承也是决定主轴寿命和承载能力的关键部件。为了适应高速切削，高速加工中心的主轴设计采用了先进的主轴轴承润滑散热技术。目前高速主轴主要使用三种特种轴承:(1)陶瓷轴承；(2)磁力轴承；(3)空气轴承。轴承润滑对提高主轴速度起着重要作用。高速主轴一般采用油气润滑或喷油润滑。

高速进给系统

要提高加工效率，就必须提高切削速度。目前高速加工中心的切削进给速度一般为20-40m/min。X、Y轴直线电机驱动的立式加工中心有的超高速定位速度为140m/min，有的进给速度为208m/min。为实现并精确控制如此高的进给速度，对高速加工中心导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。直线电机的成熟应用，在高速加工中心的效率、精度和实用性上翻开了新的一页。直线电机是一种非接触式直接驱动方式，运动部件少，无失真。利用这项技术，机床制造达到了传统滚珠丝杠达不到的水平。直线电机具有高加减速的特点，加速度可达2g，是传统驱动装置的10-20倍，进给速度是传统驱动装置的4-5倍。

高速数控系统

高速加工中心要求数控控制系统具有快速的数据处理能力和较高的功能特性，以保证其在高速切削时(尤其是4-5轴坐标联动加工复杂曲面时)仍具有良好的加工性能。高速加工中心必须选择合适的具有快速传输速度、快速CPU运算速度、预读单段和NURBS功能等的数控控制器。，以充分发挥高速加工的效率。开放式架构和基于PC也是一种新的发展趋势。结合PC机在通信和网络方面的发展，建立参数数据库系统、CAD/CAM集成仿真系统和标准化电控模块也是未来的新趋势。

高速数控系统的数据处理能力有两个重要指标:一是单个程序段的处理时间。为了适应高速，要求单个程序段的处理时间短。所以需要使用32位CPU和64位CPU，采用多处理器；第二，插补精度。为了保证高速时的插补精度，需要具备前馈功能和大量的高级程序段。此外，还可以采用NURBS(非线性B样条)插补、齿隙加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。高速切削数控系统的功能特点包括:(1)加减法预插补；(2)前馈控制；(3)精确的矢量补偿；(4)最佳拐角减速度。

高速切削工具

已开发的刀具材料主要有聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、硬质镀金刀具、陶瓷刀具等。，均适用于铝合金、铸铁、钢、耐热合金的高速切削。切削水平如下:铝合金2500 ~ 5000 m/min (Si含量≥12%为500 ~ 1500 m/min)，铸铁。相关研究机构正在开发新的刀具材料，向更高的切削速度迈进。

为了对刀具结构进行动态平衡，特别是刀柄延伸较长的刀具必须进行动态平衡，以防止弯曲强度和断裂韧性较低的刀柄或刀片因高速产生的离心力而断裂，给高速加工中心和操作者带来危险。

刀架系统的选择也会影响自动换刀的重复精度和切削刚性。目前刀柄系统一般选用锥度为7:24的单面夹紧刀柄系统，如ISO、CAT、DIN、BT等。双面定位工具系统包括HSK、KM、NC5、BIG-PLUS、WSU、ABSC等。

高速加工中心温度控制系统

高速加工中心的热特性是指高速加工中心的结构在内外热源的作用下会发生变形，影响加工精度的特性。为了改善高速加工中心的热特性，一般采用温控循环水(或其他介质)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、床身等大型部件。此外，低膨胀系数的铸铁可用作高速加工中心的主轴箱，以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。

其他的

为了使高速加工中心正常运行并充分发挥其效率，高速加工中心的总体结构应配备刀库和换刀装置、冷却系统、温度控制系统、安全保护和实时监控系统、刀具破损监控装置、刀具长度和直径激光检测装置、光栅尺测量系统和排屑装置等。这里不一一介绍了。