1. 高速切削的技術關鍵

高速主軸是高速切削的首要條件，對于不同的工件材料，目前的切削速度可達5～100m/s。主軸的轉(zhuǎn)速與刀具的直徑有關，采用小直徑的球頭銑刀時，主軸轉(zhuǎn)速可達100000r/min。

（1）滾珠軸承高速主軸

當前高速切削銑床上裝備的主軸多數(shù)為滾珠軸承電動主軸。如圖1所示，電動主軸由轉(zhuǎn)子、軸承、外殼、電機組件和測角系統(tǒng)組成。除此之外，主軸運轉(zhuǎn)時，還必須配備冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和變頻驅(qū)動電氣裝置。

高速主軸的軸承大多用壓力角為15º或25º的角接觸滾珠軸承，其精度等級以精密級（C級）和超精密級（B級）為主。為了提高軸承的極限轉(zhuǎn)速，有的軸承廠在普通系列基礎上增添了高速軸承系列，所不同的主要是采用直徑較小的鋼球和保持架以外圈滾道導向，從而減少了鋼球由離心力的作用而引起的對軸承外圈的壓力和改善保持架運轉(zhuǎn)時的潤滑條件。高速主軸軸承的最新發(fā)展是所謂的混合軸承，它的內(nèi)、外圈由軸承鋼制成，但滾珠由氮化硅陶瓷制成。與鋼球相比，陶瓷球密度減少60%，因而可大幅度地降低離心力。另外，陶瓷的彈性模量比鋼高50%，在相同的滾珠直徑時，混合軸承具有更高的剛度。氮化硅陶瓷的另外一個特點是摩擦系數(shù)低，由此可減少軸承運轉(zhuǎn)時的摩擦發(fā)熱、磨損及功率損失。為了便于比較不同軸的主軸的轉(zhuǎn)速特性，一般采用轉(zhuǎn)速特征值來度量，其定義為：

轉(zhuǎn)速特征值＝軸徑×轉(zhuǎn)速

除軸承外，潤滑方式也是影響主軸極限轉(zhuǎn)的一個重要因素，表1是各種軸承在不同潤滑條件下所能達到的特征值。

表 1 電動主軸轉(zhuǎn)速特征值

油脂潤滑是一種使用最多的方式，優(yōu)點是結構簡單，維護方便，可靠性高和造價低廉。缺點是最高轉(zhuǎn)速較低，要提高轉(zhuǎn)速，只有通過采用陶瓷滾珠的途徑。

油霧潤滑又稱氣/油潤滑，在主軸起動前必須先起動潤滑裝置，該裝置將潤滑油與壓縮空氣混合然后通過管路將油霧噴入各軸承。這種潤滑方式屬于強制潤滑，在正常工作情況下，可保證良好的潤滑條件以提高轉(zhuǎn)速。其缺點是結構復雜，主軸殼體要附設許多必須密封的潤滑通道，制造成本較高。另外，主軸除驅(qū)動電氣裝置外，還必須有潤滑狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，以便當潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能及時停車，避免主軸遭到損壞。油霧潤滑的另一個缺點是油耗較多，且在較高的轉(zhuǎn)速時，潤滑油膜與滾珠摩擦發(fā)熱，主軸溫升較大，限制了轉(zhuǎn)速更大提高。

要進一步提高轉(zhuǎn)速就必須使用油氣潤滑又稱噴油潤滑。這種潤滑方式是將微量潤滑油滴按固定的時間間隔噴入潤滑管路，油滴在管路中與壓縮空氣相混合形成了含油量很低的油氣。這種油氣的稠度大低于上面提到的油霧，所以滾珠與軸承內(nèi)外圈之間的油膜很薄，軸承的摩擦損失由此相應減少，從而降低了主軸發(fā)熱，提高了主軸的最高轉(zhuǎn)速。油氣潤滑與油霧潤滑的造價基本相似，所以新一代的高速電動主軸絕大多數(shù)均采用油氣潤滑。

滾珠軸承主軸的運動精度主要取決于所選用的軸承的精度。運動誤差除了由主軸各零件的形狀誤差引起的低頻誤差外，還有滾動體的高頻運動誤差。這些運動誤差不但影響工件的表面粗糙度，而且影響刀具壽命。目前市場上的滾珠軸承高速主軸的最高回轉(zhuǎn)精度可達0.5μm，并已開發(fā)更高精度的新型電動主軸。

（2）液體體靜壓軸承高速主軸

圖2是一個液體靜壓軸承高速主軸，其軸承元件的幾何形狀進行優(yōu)化設計，轉(zhuǎn)速特征值可達1×106，軸徑為30mm的主軸，其最高轉(zhuǎn)速可達30000r/min以上。

靜壓軸承為減少高速運轉(zhuǎn)發(fā)熱，軸徑不宜過大，因而與滾珠軸承主軸相比，其徑向剛度較低。但軸向剛度能遠超過滾珠軸承主軸，因為滾珠軸承受離心力限制，其壓力角一般較小為15º或25º，故軸向剛度較小。對于軸向切削力較大的加工場合，如采用球頭銑刀加工工具或模具時，宜采用液體靜壓軸承主軸。另外，液體靜壓軸承的油膜具有很大的阻尼，動態(tài)剛度很高，特別適合于像銑削的斷續(xù)切削過程。

液體靜壓軸承主軸的最大特點是運動精度很高，回轉(zhuǎn)誤差一般在0.2μm以下。因而不但可以提高刀具的使用壽命，而且可以達到很高的加工精度和低的表面粗糙度。制造模具時，采用液體靜壓軸承主軸進行銑削時可以省去最后的磨削和手工修整的工序，從而提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。由于液體靜壓軸承的液體摩擦損失，故驅(qū)動功率損失比滾珠軸承為大。因此選用何種軸承，必須根據(jù)具體應用要求來定。假如材料切除量大，對加工表面粗糙度要求不很高時，要優(yōu)先考慮采用滾珠軸承主軸。如果加工精度的允差小且表面粗糙度要求很小時，應該采用液體靜壓軸承主軸。

（3）空氣靜壓軸承高速主軸

它可以進一步提高主軸的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度。圖3是一個為高速切削而研制的空氣靜壓軸承高速主軸，它的轉(zhuǎn)速特征值可達2.7×106r/min，回轉(zhuǎn)誤差在50nm以下，最高轉(zhuǎn)速可達100000r/min。采用金剛石刀具可以進行鏡面銑削，加工各種復雜的高精度形面。

氣體靜壓軸承主軸的優(yōu)點在于高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速和低溫升，因而主要適合于工件形狀精度和表面粗糙度有高的要求的場合。它的缺點是承載能力較低，不適合于材料切除量較大的應用場合。此外它要求高清潔度的壓縮空氣，故使用費用和維護費用較高。為防止主軸過載而出現(xiàn)主軸卡死而造成嚴重損壞，故對其使用條件要作仔細的分析。

（4）磁浮軸承高速主軸

它可以達到更高的主軸轉(zhuǎn)速，如圖4所示。磁浮主軸的轉(zhuǎn)子由兩個徑向和兩個軸向軸承支承，轉(zhuǎn)子與支承間隙一般在0.1mm左右，由于空氣間隙的摩擦熱量很小，故磁浮主軸的轉(zhuǎn)速特征值可達4×106r/min，為滾珠軸承主軸的兩倍，如主軸的最高轉(zhuǎn)速相同，則磁浮主軸可采用較大的軸徑，有較高的剛性（約為滾珠軸承主軸的10倍）和較大的承載能力。磁浮軸承的回轉(zhuǎn)精度，主要取決于主軸內(nèi)所用的位移傳感器的精度和靈敏度以及控制電路的精度性能。目前使用的磁浮主軸的回轉(zhuǎn)精度可達0.2μm。

磁浮主軸的優(yōu)點是高精度、高轉(zhuǎn)速和高剛度。缺點是不僅機械結構復雜，而且需要一整套的傳感器系統(tǒng)和控制電路，所以磁浮主軸的造價一般是滾珠軸承主軸的兩倍以上。它的另一個缺點是溫度問題，主軸部件內(nèi)除了驅(qū)動電機外，還有軸向和徑向軸承的線圈，每個線圈都是一個附加的熱源。因此，磁浮主軸必須有很好的冷卻系統(tǒng)，否則主軸的溫升會很大。彭響工件的加工精度。

（5）驅(qū)動電機高速化

早期的電動主軸以異步電機驅(qū)動為主，其轉(zhuǎn)子和定子以散件的方式供給主軸生產(chǎn)廠進行組裝。主軸最大輸出功率主要取決于電動機轉(zhuǎn)子的最大容許速度，這一速度受轉(zhuǎn)子材料的強度限制。普通電機的轉(zhuǎn)子的容許速度在120m/s以下，特殊的電機的轉(zhuǎn)子容許速度可達150m/s或更高、圖5是各種轉(zhuǎn)速情況下可達的最大輸出功率。S1是容許速度為150m/s時的主軸輸出功率，S2則對應容許速度為120m/s時的最大輸出功率。圖中各零散點表示不同主軸生產(chǎn)廠在其產(chǎn)品目錄中提供的數(shù)據(jù)。由此可見，迄今實際使用的主軸功率大多在120m/s的曲線以下。要提高主軸的最大輸出功率，必須提高轉(zhuǎn)子的機械結構的強度。

驅(qū)動電機影響主軸性能的另一個因素是電機本身產(chǎn)生的熱量造成主軸溫升，導致主動軸軸向伸長和中心高發(fā)生變化，其后果是加工精度在主軸運轉(zhuǎn)的過程中不斷波動，在用異步電機驅(qū)動時尤為突出。因為異步電機除定子的繞組發(fā)熱外，轉(zhuǎn)子由于短路環(huán)的作用也產(chǎn)生熱量。定子內(nèi)的熱量可以通過附加的冷卻系統(tǒng)進行排除，但轉(zhuǎn)子內(nèi)的熱量只能通過定子與轉(zhuǎn)子間的間隙向外傳遞，使轉(zhuǎn)子溫度易升高引起伸長。

解決異步電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱的辦法是采用同步電機。同步電機的轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵制成，運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子內(nèi)不形成電流，所以自身不會發(fā)熱。定子繞組產(chǎn)生的熱量則可像異步電機那樣通過附加的冷卻系統(tǒng)予以排除。圖6是不同主軸功率條件下同步電動機與異步電動機的比較。由此可見，異步電動機主軸只適用于轉(zhuǎn)速較低的場合。當轉(zhuǎn)速較高時，必須使用同步電動機，否則較難控制主軸的溫升和軸向伸長。

2．高速切削機床結構

高速主軸必須裝在結構能適應高速切削的機床上，才能充分發(fā)揮高速切削的眾多優(yōu)點。這就要求高速切削機床具有很高的進給速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外，高速進給要靠很大的加速度來實現(xiàn)，所以高速切削機床不僅要有很高的靜剛度，還必須有很高的動剛度。根據(jù)上述幾點要求，高速切削機床在90年代基本上從兩個方向上發(fā)展：一是在普通機床的基礎上對關鍵零部件進行改進。二是研制完全不同于普通機床的新型結構機床。

（1）進給驅(qū)動系統(tǒng)高速化

高速切削機床的滑臺驅(qū)動系統(tǒng)在90年代初多采用大導程滾珠絲杠傳動和增加伺服進給電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，一般進給速度可達60m/min左右。為了能達到更高的進給速度，近幾年出現(xiàn)了直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。由于它無間隙、慣性小、剛度較大而無磨損，通過控制電路可實現(xiàn)高速度和高精度驅(qū)動，在1997年進給速度已達120m/min。

直線電動機的基本構造與普通旋轉(zhuǎn)電機相似，如圖7所示，可假想把一個旋轉(zhuǎn)電動機沿母線剪開并鋪平就成為一個直線電動機。它無需其他修動裝置就可產(chǎn)生直線運動。由于電動機與滑臺剛連在一起，整個驅(qū)動的剛度較高，從而可達到很寬的調(diào)節(jié)頻帶。驅(qū)動系統(tǒng)的加速度取決于驅(qū)動電動機的功率和滑臺的質(zhì)量。與絲杠驅(qū)動系統(tǒng)相比，滑臺上的附加質(zhì)量能明顯地影響直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性。盡管如此，直線電動機由于有較寬的調(diào)節(jié)頻帶能夠達到比絲杠驅(qū)動更高的軌跡精度。與旋轉(zhuǎn)電動機相比，直線電動機的電流發(fā)熱損失很大，當電動機的功率較大時，必須配備相應的冷卻系統(tǒng)。

（2）運動部件較量化和伺服進給控制精密化

圖8是一臺高速切割的加工中心，其X、Y、Z三軸的移動部件的質(zhì)量均較傳統(tǒng)的結構為輕，且均采用直線電機驅(qū)動，最大進給力分別為15000N、10000N和7500N。各軸進給速度可達100m/min，加速度在9.5～19m/s2。采用聚晶金剛石（PKD）銑刀加工鋁合金時，可用下列切削用量：刀盤直徑100mm，刀齒數(shù)12，切削速度5030m/min，進結速度15m/min，主軸轉(zhuǎn)速16000r/min，切寬αe＝50mm，切削深度αp＝1mm。

為了減少高速運動的跟蹤誤差和獲得平穩(wěn)的加／減速，數(shù)控系統(tǒng)應用了現(xiàn)代控制理論能實現(xiàn)前瞻控制、前置反饋和速度的平滑變化等。

圖9是美國Ingersoll公司為英國British Aerospace公司提供的大型高速型面銑床。床身底面積為33m×15m，約有三層樓高，它主要用來加工大型鋁合金飛機零件。該機床裝有4個液體靜壓主軸頭可同時進行切削,主軸直徑245mm，長度240mm，主軸電動機在10000～20000r/min范圍內(nèi)的輸出功率為150kW。4個主軸同時工作時，工件材料的切除率可達26000cm3/min。

（3）新運動原理機床的出現(xiàn)

進入90年代以來，在高速切削領域出現(xiàn)了一種完全新型的機床——六桿機床（又稱并聯(lián)結構機床）。它的基本原理如圖10所示，機床的主軸由六條伸縮桿支承，通過調(diào)整各伸縮桿的長度，使機床主軸在其工作范圍內(nèi)既可作直線運動。也可作轉(zhuǎn)動。與傳統(tǒng)機床相比，六桿機床能夠有六個自由度的運動，而傳統(tǒng)機床則多數(shù)只能在其直角坐標系內(nèi)運動。六桿機床結構簡單，每條伸縮桿可采用滾珠絲杠驅(qū)動或直線電機驅(qū)動。因為六條伸縮桿完全相同，所以易于組織大批量生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本。由于每條伸縮桿只是軸向受力，結構剛度高，可以降低其質(zhì)量以達到高速進進給的目標。這種機床的關鍵是它的數(shù)控單元，因為機床主軸的每一個位移都需通過六條伸縮桿的獨立運動來組合，數(shù)控單元必須保證每條伸縮桿在運動結束時，能同時達到預定的位置。

圖11是一臺已投入使用的六桿銑床。用它可高速銑削渦輪機葉片和各種壓注模具。該機床的閉環(huán)剛度是傳統(tǒng)機床的5倍，進給速度可達30m／min，加工精度一般在2～5μm。

除伸縮桿式的六桿機床外，在此基礎上還發(fā)展了其他類型的機床。

圖12是德國斯圖加特大學研制的并聯(lián)結構六桿機床。與伸縮桿機床不同，它的六條桿的長度是固定的。六條桿在垂直導軌上作直線運動以實現(xiàn)主軸的六個自由度的運動。這種機床結構緊湊，剛性較大，部件的種類很少，易于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，可降低機床制造費用。

圖13是德國漢諾威大學研制的三桿五軸機床。與圖12的機床相比，該機床只有三條支承桿，每條支承桿在一個傾斜的直線導軌上運動。三個直線運動再加上連帶主軸的兩個旋轉(zhuǎn)運動，便構成了五個自由度的運動。該機床的結構上分緊湊，由于巧妙地把直線運動和旋轉(zhuǎn)運動進行了組合。相同的機床空間體積能達到比其他機床更大的工作空間。

圖14是德國亞琛工大研制的另一種采用并聯(lián)結構的機床。機床有兩個由直線電機驅(qū)動的伸縮桿和兩個隨動的折疊桿。改變兩伸縮桿的長度便可實現(xiàn)主軸X-Y平面內(nèi)的運動。為了實現(xiàn)Z向的運動，主軸裝在一個由直線電機驅(qū)動的Z向滑臺上。對于大多數(shù)三軸銑削過程來講，要求Z向有最快的運動，該機床由于把Z向運動部件的質(zhì)量減少到最低的程度，因而可大幅度地提高Z向的進給速度。

3. 高速切削的刀具系統(tǒng)

高速切削時的一個主要問題是刀具磨損，與普通切削相比，高速切削時刀具與工件的接觸時間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，切削過程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機理與普通切削有很大區(qū)別。

另外，由于高速切削時離心力和振動的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設計刀具時，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強度、剛度和精度等方面因素。

（1）刀具材料

刀具材料主要以鍍膜的和未鍍膜的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氧化鋁基或氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼為主。刀具的發(fā)展主要集中在如下兩方面：一是研制新的鍍膜材料和鍍膜方法以提高刀具的抗磨損性。

圖15是采用不同鍍膜（氮化鈦、氮化鈦鋁）的硬質(zhì)合金銑刀可達到刀具壽命。采用適宜的鍍膜可成倍地提高刀具的使用壽命，潛在的經(jīng)濟效益十分可觀。此外，刀具材料與工件材料相適應也是提高刀具壽命的重要因素。如圖16所示，加工合金鋼40CrMnMo7時，最佳的刀具材料為表面處理過的金屬陶瓷，而加工合金鑄鐵GG25CrMo時，立方氮化硼刀具的使用壽命為最長。

另一個發(fā)展方面是開發(fā)新型的高速切削刀具，特別是那些形狀比較復雜的刀具。長期以來，高速切削麻花鉆都采用整體硬質(zhì)合金的結構，聚晶金剛石和立方氮化硼只能用來制作直刃刀具，近期的研究在這方面已有所突破，有的刀具工廠在1997年漢諾威的世界機床博覽會上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花鉆。形狀更為復雜的聚晶金剛石刀具仍在研究中。

（2）刀柄結構

它是高速切削時的一個關鍵件，主要體現(xiàn)在它傳遞機床精度和切削力的作用。刀柄的一端是機床主軸、另一端是刀具。高速切動時既要保證加工精度，又要保證很高的生產(chǎn)效率，所以高速切削時刀柄須滿足下列要求：

1）很高的幾何精度和裝夾重復精度；
2）很高的裝夾剛度；
3）高速運轉(zhuǎn)時安全可靠。

刀柄與主軸的聯(lián)接在大多數(shù)高速切削機床上以圖17所示的圓錐空心柄（HSK）為主。它是德國工業(yè)界聯(lián)合研究的成果，目前已列入國際標準。它以其端面及1：10錐度的空心錐套作雙重定位，與以往常用的7：24錐柄相比，有如優(yōu)點：

1）重量減少約50％；
2）重復使用時裝夾和定位精度高；
3）剛度高，并可傳送大的轉(zhuǎn)矩；
4）裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而加大。

（3）接裝刀具的模塊

刀柄與刀具間的接裝有多種形式，常用的錐形夾頭具有靈活性好，適用于不同的刀具直徑，它的缺點是可傳遞的扭矩有限且裝夾精度很低。

要提高裝夾精度和剛度需采用其他方法，目前常用的有收縮夾頭、液壓膨脹夾頭和力膨脹夾頭。

收縮夾頭利用材料熱脹冷縮的原理，把刀具裝人刀柄時，先用輔助系統(tǒng)把刀柄孔加熱，使之膨脹，待刀具插入刀柄后進行冷卻，刀具就被穩(wěn)當?shù)貖A持在刀柄內(nèi)。這種夾頭的優(yōu)點是精度高，剛性大。缺點是操作不便，每次裝夾須對刀柄進行加熱和冷卻，易引起刀柄的熱疲勞和變形。

液壓控脹夾頭的原理如圖18所示，在刀柄孔的周圍是一個液壓腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推動油腔頂部的活塞使刀柄孔內(nèi)結膨脹，從而夾緊刀具。其優(yōu)點是精度高，剛性大，操作方便。缺點是對刀具的尺寸公差要求較嚴，過松時，可能達不到應有的夾持力。

力膨脹夾頭的原理如圖19所示。刀柄的孔呈三棱形，在裝夾刀具時，先用輔助裝置在三棱孔的三個頂點施加預先調(diào)整好的力，使刀柄孔變形成圓，然后把刀具插入刀柄，再除去變形外力，刀柄孔彈性回復，刀具就被夾持在孔內(nèi)。這種夾頭的優(yōu)點在于裝夾精度高，操作簡單，結構緊湊，造價較低。缺點是需備有一個輔助的加力裝置。