超高速加工是一種以10倍于常規(guī)切削速度 和進(jìn)給速度對(duì)零件進(jìn)行機(jī)械加工的*制造技 術(shù).近2。年來(lái)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展非常迅速。進(jìn) 入90年代。機(jī)床高速化的進(jìn)程十分迅猛，一批又 一批的高速加工中心和其他各種高速數(shù)控機(jī)床相 繼投放市場(chǎng)，標(biāo)志著這一*已從理論 研究進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的新階段[rll.如果說(shuō)，莫定了柔 性制造自動(dòng)化基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)，由于節(jié)省大量輔 助工時(shí)，使傳統(tǒng)的制造技術(shù)發(fā)生了*次革命性 的變化。成為現(xiàn)代制造技術(shù)的*個(gè)里程碑;那 么.大幅度地節(jié)省切削工時(shí)并實(shí)現(xiàn)精密生產(chǎn) 的超高速加工技術(shù)，則是現(xiàn)代制造技術(shù)的第二個(gè) 里程碑.是上*的四大*制造技術(shù)之一 也是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程.
研究和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的超高速機(jī)床，是實(shí)現(xiàn) 超高速加工的前提條件和關(guān)鍵因素。其中zui重要 的是設(shè)計(jì)和制造高速、大功率的主軸單元和進(jìn)給 單元。而取消一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié).實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源對(duì)機(jī) 床工作部件(主軸、工作臺(tái)和溜板等)的直接傳動(dòng)。 傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為零.這就是所謂的“零傳動(dòng)”。
零傳動(dòng)不但極大地簡(jiǎn)化了機(jī)床的傳動(dòng)與結(jié) 構(gòu)，更重要的是顯著地提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)靈敏度、 加工精度和工作可靠性。這是一種為滿足超高速 加工要求而產(chǎn)生的新型傳動(dòng)方式，是90年代機(jī)床 設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)的一個(gè)重大突破。有人把這 種零傳動(dòng)的機(jī)床叫做“下一代新機(jī)床” 高速大功率電主軸。
在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下.傳統(tǒng)的齒輪變速主傳 動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)要求，代之以寬調(diào)速交流變頻 電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的變速，從而使主傳動(dòng)的機(jī) 械結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。這樣，機(jī)床的主軸部件就可以設(shè) 計(jì)成一種功能部件—“主軸單元”，由專業(yè)廠進(jìn) 行系列化生產(chǎn)。
主軸單元有多種形式[’:。在超高速數(shù)控機(jī)床 上，現(xiàn)在已幾乎無(wú)一例外地采用了主軸電機(jī)與機(jī) 床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用無(wú)外殼電機(jī)， 將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻 套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)。形成所謂 的“內(nèi)裝式電機(jī)主軸(Build-in Motor Spindle).簡(jiǎn) 稱“電主軸”。這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸. 機(jī)床主軸單元的殼體就是電機(jī)座。而實(shí)現(xiàn)」‘變頻 電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。這種電主軸和早年用 于內(nèi)回磨床的內(nèi)裝式電機(jī)主軸的主要E%別是:工 有較寬的調(diào)速范圍;②有較大的驅(qū)動(dòng)功率和扭矩; ③有一系列監(jiān)控主軸振動(dòng)、軸承溫升等運(yùn)行參數(shù) 的傳感器及其測(cè)試控制系統(tǒng)，以確保超高速運(yùn)轉(zhuǎn) 下的可靠性與安全。現(xiàn)代的電主軸是一種.}5.能型的功能部件，廣泛用于高速加工中心和數(shù)控車床。
在國(guó)外，這種散裝式高速電機(jī)已經(jīng)系列化.山 專業(yè)廠生產(chǎn)。機(jī)床廠可根據(jù)要求訂貨。
電主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小，響應(yīng)特 性好，還可避免振動(dòng)與噪聲，是超高速主軸單元的 理想結(jié)構(gòu)，已在各類超高速機(jī)床上獲得廣泛應(yīng)用。
設(shè)計(jì)電主軸時(shí).除選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)外殼電機(jī)外.
內(nèi)裝式電機(jī)的散熱問(wèn)腸
典型的電主軸及其驅(qū)動(dòng)與冷卻系統(tǒng)見(jiàn) 電主軸的溫度場(chǎng)有限元分析表明，其熱量的大部 分產(chǎn)生于通電后的定子。可設(shè)計(jì)一個(gè)通入冷卻液 (油或水)的套簡(jiǎn)，其內(nèi)裝入定子繞組，用循環(huán)冷卻 液體吸收和帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，保持主軸單元 亮體均勻的溫度分布。
計(jì)算和實(shí)測(cè)表明，電主軸中的1/3發(fā)熱量是 由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的。由于轉(zhuǎn)子散熱條件差，又直接 帶走。是電主軸散熱路線。 冷卻液
主軸軸承的正確選用
適用于高速大功率主軸的軸承主要有磁浮軸 承、液體動(dòng)靜承和陶瓷滾動(dòng)軸承3種形式。磁 浮軸承的高速性能好，精度高，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷 和在線監(jiān)控[5 ]。在發(fā)展超高速機(jī)床的初期(80年 代中期)，磁浮軸承曾被認(rèn)為是超高速機(jī)床主軸軸 承的選擇。但十幾年的實(shí)踐表明，這種軸承由 于電磁測(cè)控系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，價(jià)格十分昂貴，而且長(zhǎng) 期居高不下，故至今未能得到廣泛應(yīng)用。液體動(dòng)靜 承綜合吸收了動(dòng)承和靜承的優(yōu)點(diǎn)， 既避免了靜承高速下發(fā)熱嚴(yán)重的弊病和龐大 復(fù)雜的供油系統(tǒng)，又克服了動(dòng)承啟動(dòng)和停止 時(shí)可能發(fā)生的干摩擦，也有很好的高速性能，而且 轉(zhuǎn)速范圍寬，既適合于大功率粗加工，又適用于高 速精加工。但這種軸承必須根據(jù)具體機(jī)床專門進(jìn) 行設(shè)計(jì)，單獨(dú)生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，維護(hù)保養(yǎng)也困 難.
現(xiàn)在應(yīng)用zui多的還是陶瓷滾動(dòng)軸承。這種軸 承的結(jié)構(gòu)與尺寸系列和普通的鋼質(zhì)滾動(dòng)軸承* 相同，只是將滾動(dòng)體的材料換成Si, N‘陶瓷，以適 應(yīng)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。氮化硅(S1,N,)陶瓷材料的 密度只有鋼的40，熱膨脹系數(shù)只有鋼的25%, 而彈性模量則為鋼的1. 5倍，硬度為鋼的2. 3倍。 因此，用這種材料做滾動(dòng)體，可大大減小軸承高速 運(yùn)轉(zhuǎn)中的離心力及陀螺力矩，得到低溫升、高剛 度、長(zhǎng)壽命的新一代高速軸承〔6]0
所示為我校超高速加工與機(jī)床研究室對(duì) 一臺(tái)zui高轉(zhuǎn)速nm.==48 OOOr/min的電主軸的試 驗(yàn)結(jié)果。陶瓷滾動(dòng)軸承的溫升和熱變形 明顯低于鋼質(zhì)滾動(dòng)軸承的溫升與熱變形。轉(zhuǎn)速越 高，陶瓷軸承的*性越大。陶瓷軸承到達(dá)熱平衡 的時(shí)間也較短。另外，陶瓷滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化程度 高，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，便于維護(hù)保養(yǎng)，相對(duì)于其 他兩種高速軸承而言，價(jià)格也要低得多。
為了實(shí)現(xiàn)超高速加工，機(jī)床不但要有高速主 軸，還要有高速的進(jìn)給與快速行程。這不僅是為了 提高生產(chǎn)效率，也是維持高速切削中刀具正常工 作的必要條件，否則會(huì)造成刀具的急劇磨損與溫 升，破壞工件加工的表面質(zhì)量。同時(shí)，由于機(jī)床直 線行程都較短，因此只有在瞬間達(dá)到高速和在高 速行程中瞬間準(zhǔn)停，高速直線運(yùn)動(dòng)才有實(shí)際意義， 這就不但要求進(jìn)給部件速度高，而且要求加速度 也大。
直線電機(jī)進(jìn)給單元概況
為了滿足高速進(jìn)給的要求，一種嶄新的直線 電機(jī)進(jìn)給單元應(yīng)運(yùn)而生。
從1845年Charles Wheastone發(fā)明世界上 *臺(tái)直線電機(jī)[m以來(lái)，直線電機(jī)在運(yùn)輸機(jī)械、儀 器儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備以至磁浮列車等各行各 業(yè)中都獲得了應(yīng)用〔8]。幾年前，也有人用高頻小行 程圓筒式直線電機(jī)來(lái)推動(dòng)車床橫刀架，實(shí)現(xiàn)非圓 截面零件(如橢圓活塞)的車削加工[Csl。但是在加 工中心和其他大行程數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中采用 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還是zui近3年的事，1993年德國(guó) Ex-cel l-O公司在機(jī)床博覽會(huì)(漢諾威) 展出了XHC-240型高速加工中心，其三個(gè)坐標(biāo)方 向上都采用了德國(guó)Indramat公司生產(chǎn)的交流感 應(yīng)式直線電機(jī)(Linear Induction Motor)，工作臺(tái) 行程630^-710 mm，進(jìn)給速度高達(dá)60 m/min，進(jìn) 給力2 800 N。當(dāng)進(jìn)給速度為20 m/min時(shí)的位置 精度可達(dá)4 umVol。直線電機(jī)在加工中心上的成功 應(yīng)用，轟動(dòng)了世界機(jī)床界，被同行專家評(píng)價(jià)為90 年代機(jī)床工業(yè)的一個(gè)新的技術(shù)高峰，是對(duì)機(jī) 床設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重大突破。
為平板式大行程感應(yīng)式直線電機(jī)進(jìn)給單 元示意圖。含鐵芯的通電繞組(電機(jī)的初級(jí))安裝 在機(jī)床工作臺(tái)(溜板)的下部，是直線電機(jī)的動(dòng)件; 在床身導(dǎo)軌之間安裝不通電的繞組，每個(gè)繞組中 的每一匝都是短路的，相當(dāng)于交流感應(yīng)回轉(zhuǎn)電機(jī) 鼠籠的展開(kāi)，是直線電機(jī)的定件。由此可見(jiàn)，直線 電機(jī)和回轉(zhuǎn)電機(jī)相反，初級(jí)是動(dòng)件，次級(jí)是定件。 直線電機(jī)通電后，在定件與動(dòng)件之間的間隙中產(chǎn) 生一個(gè)強(qiáng)大的行波磁場(chǎng)，依靠磁力，推動(dòng)著動(dòng)件 (機(jī)床工作臺(tái))作快速直線運(yùn)動(dòng)。和傳統(tǒng)的“回轉(zhuǎn)電 機(jī)+滾珠絲杠”不同，在直線電機(jī)與機(jī)床工作臺(tái)之 間，沒(méi)有直接的機(jī)械，而是依靠磁性聯(lián)接。 直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速進(jìn)給單元
在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中采用直線電機(jī)有如下優(yōu) 點(diǎn):①可達(dá)到很高的速度和加速度。直線電機(jī)進(jìn)給 單元取消了一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)對(duì)機(jī) 床執(zhí)行部件(工作臺(tái)、溜板等)的直接驅(qū)動(dòng)，把進(jìn)給 傳動(dòng)的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度也縮短為零，這就是機(jī)床進(jìn)給 系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。因而可免除啟動(dòng)、變速和換向時(shí) 因中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性變形、間隙和磨損造成的 運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，可獲得高達(dá)200 m/min的進(jìn)給速 度和1鮑m/s，的加速度。②推力大、剛度高、動(dòng)態(tài) 響應(yīng)快、定位精度高，因而特別有利于在高速加工 中改善零件的加工精度和表面質(zhì)量，提高刀具的 使用壽命。試驗(yàn)表明，當(dāng)用小20 mm的圓柱銑刀銑 界造成任何影響，但直線電機(jī)的磁場(chǎng)是敞開(kāi)的，尤 其同步式直線電機(jī)要在機(jī)床床身上安裝一排排磁 力強(qiáng)大的*磁鐵，而機(jī)床上的金屬零件、加工中 的切屑、機(jī)床裝配用的工具都是磁性材料，很容易 被直線電機(jī)的磁場(chǎng)吸住，妨礙工作的正常進(jìn)行。切 屑和空氣中的磁性塵埃一旦被吸入直線電機(jī)的動(dòng) 件與定件之間的微小間隙(通常只有0. 15 mm), 造成堵塞，電機(jī)就無(wú)法工作。因此要用三維折疊式 密封罩把直線電機(jī)的磁場(chǎng)封閉起來(lái)。
徽熱問(wèn)趁
直線電機(jī)安裝在機(jī)床工作臺(tái)與床身導(dǎo)軌之 間，處于機(jī)床的“腹部”，散熱相當(dāng)困難，必須采取 特殊的冷卻措施。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的快速進(jìn)給 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)。直線電機(jī)的初級(jí)(動(dòng)件)通 過(guò)一塊冷卻板反裝在工作臺(tái)的內(nèi)頂面。直線電機(jī) 的次級(jí)(定件)也通過(guò)一塊冷卻板安裝在底座上。 機(jī)床工作時(shí)，在冷卻板和孔中通以冷卻液，用以吸 收和帶走直線電機(jī)動(dòng)件和定件線圈中產(chǎn)生的熱 量。
在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，工作臺(tái)的負(fù) 荷會(huì)對(duì)其工作的穩(wěn)定性帶來(lái)外界干擾。假若系統(tǒng) 的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能不強(qiáng)，就會(huì)造成震蕩，使系統(tǒng)失 穩(wěn)。對(duì)于直線電機(jī)傳動(dòng)，只能采用全閉環(huán)的控制， 這就要求其位置檢測(cè)元件具備較高的數(shù)據(jù)采集功 能、分辨率和較快的響應(yīng)能力。一般多選用激光檢 測(cè)與反饋控制系統(tǒng)。另外，為了減輕伺服系統(tǒng)的負(fù) 載和直線運(yùn)動(dòng)的阻力，超高速機(jī)床的工作臺(tái)要用 新型的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料(如纖維增強(qiáng)塑料或鋁欽 同步式或感應(yīng)式，直線電機(jī)與傳統(tǒng)的滾珠絲杠進(jìn) 給系統(tǒng)相比，價(jià)格是昂貴的.隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷 進(jìn)步，直線電機(jī)被大量應(yīng)用時(shí)，成本會(huì)不斷降低， 作為一種嶄新的進(jìn)給傳動(dòng)方式，直線電機(jī)會(huì)呈現(xiàn) 出其強(qiáng)大的生命力，必將隨著超高速加工技術(shù)的 發(fā)展而逐步推廣應(yīng)用。
我國(guó)對(duì)超高速加工技術(shù)尚未引起足夠的重 視。近l0年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多原來(lái)從事加工技術(shù)研究 的人都轉(zhuǎn)向搞自動(dòng)化了，因?yàn)槿嵝宰詣?dòng)化是國(guó)內(nèi) 外研究的新，容易拿到課題，但從全局來(lái)看， 卻忽視了加工工藝本身的改進(jìn)和提高，以致我國(guó) 的加工技術(shù)至今還停留在較低的水平上，車間現(xiàn) 場(chǎng)使用的切削速度幾乎只有*工業(yè)國(guó)的十分之 一。我們認(rèn)為，對(duì)于制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，只有工藝的先 進(jìn)性才是固有的和本質(zhì)的，任何的自動(dòng)化系 統(tǒng)只能使工藝過(guò)程穩(wěn)定和精度保持一致。如果工 藝本身有問(wèn)題，任何精良的自動(dòng)化系統(tǒng)都不可能 對(duì)之產(chǎn)生本質(zhì)的改善。從這樣的觀點(diǎn)出發(fā)，我們建 議有關(guān)主管部門重新調(diào)整政策，改變長(zhǎng)時(shí)間以來(lái) 忽視工藝技術(shù)，一味追求自動(dòng)化的傾向。要知道，縮短輔助時(shí)間和縮短加工時(shí)間，對(duì)提高生產(chǎn)效率 、是缺一不可、相輔相成的兩個(gè)方面，忽視哪一方面 都會(huì)造成嚴(yán)重后果.低加工速度的數(shù)控技術(shù)決不 是*的制造技術(shù)，不加快超高速加工技術(shù)的發(fā) 展與應(yīng)用，自動(dòng)化也不可能取得良好的整體效益。
基于以上認(rèn)識(shí)，近幾年來(lái)我校成立了專門的 “超高速加工與機(jī)床研究室”。首先對(duì)這一*制 造技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行比較系統(tǒng)和深入的 調(diào)查研究，廣泛收集和整理有關(guān)文獻(xiàn)資料，并與有 關(guān)工廠密切合作，在*和 省市科研主管部門的支持下
積極開(kāi)展超高速加工的理論研究，大力支 持高等院校和研究所對(duì)各種材料的高速加工機(jī)理 和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究工作，建立 比較完整的基礎(chǔ)理論體系和數(shù)據(jù)庫(kù)。以指導(dǎo)生產(chǎn) 實(shí)踐。
大力開(kāi)發(fā)適用于超高速加工的新型刀具 材料，這些材料有很高的熔點(diǎn)和強(qiáng)度、硬度，研究 和改進(jìn)高速切削刀具的合理幾何參數(shù)和刀柄結(jié) 構(gòu)，提高刀具的使用壽命和工作可靠性。
搞好配套技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究。諸如建議電 機(jī)制造部門開(kāi)發(fā)無(wú)外殼高速回轉(zhuǎn)電機(jī)與大行程強(qiáng) 力直線電機(jī);建議電子控制部門開(kāi)發(fā)大功率、寬調(diào) 速的交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和快速伺服控制系統(tǒng);建 議軸承行業(yè)大力開(kāi)發(fā)陶瓷滾動(dòng)軸承和磁浮軸承新 產(chǎn)品等。
積極開(kāi)展學(xué)術(shù)交流與合作。在廣泛開(kāi) 展研究，試驗(yàn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上.召開(kāi)全國(guó)性超高速 加工學(xué)術(shù)會(huì)議，組織專門小組對(duì)國(guó)外超高速加工 技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真的考察，邀請(qǐng)國(guó)外這方面的專家教 授來(lái)華講學(xué)，搞好人才培訓(xùn)與隊(duì)伍建設(shè)。經(jīng)過(guò)充分 準(zhǔn)備，在條件成熟時(shí)，建立*“超高速加工研 究中心”，引進(jìn)*設(shè)備和儀器.并使之成為開(kāi)放 式研究基地，解決一些帶全局性和綜合性的技術(shù) 難題，趕超*水平。