数控高速加工技术的核心技术有哪些

作者：张勤，顾立志，宋金玲

1 引言

随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，为适应市场的需求，数控系统的发展已经经历了六代。自1952年第一台三坐标数控铣床在美国问世后，数控系统经历了从传统的专用计算机硬件逻辑控制、计算机直接控制、微型计算机控制到开放式数控。目前研究已经超越了开放式数控的内涵，数控系统正向着高速化、智能化、网络化的方向发展。高速加工（High Speed Machining，HSM）是20世纪数控技术之后的又一次革命性的技术发展。

2 高速加工的发展现状

近十年来，在经济全球化的推动下，发达国家的制造业向中国转移的速度空前加快，我国的制造业得到了高速发展。随着外资的大规模进入，对我国本土制造业的现代化产生了重要的推动作用。在强劲需求的带动下，我国汽车工业、航空航天工业、造船工业和通用机械工业等纷纷加大了引进国外技术和装备的规模和速度。我国传统的机床工具技术和装备，已经不能满足现代制造业“优质、高效、节能、低耗和环保”的新需求了。我国制造业高速发展的强劲态势和切削加工技术的相对落后，切削加工技术成为了我国机械制造业高速发展的瓶颈。因此，必须分析当前的现状，提出相应的对策，才能适应新的形势。

高速加工（HSM）是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。它于1931年由德国物理学家萨罗蒙率先提出，20世纪60年代以后，美国科技界和工业界在高速加工的机理研究和应用方面做了许多研究。20世纪80年代高速加工进入实用化阶段后，在美、德、日等西方发达国家得到了普及和应用，并迅速开创了高速加工时代。近几年高速加工也在国内制造业中得到了响应，已受到越来越多国内企业的青睐和重视。高速切削加工技术是高速加工系统中的一个子系统，是指刀刃相对于零件表面的切削运动（移动）速度超过普通切削5～10倍，主要体现在刀具快进、工作及快退3个环节上。其优势为：在高速加工过程中，能使被加工塑性金属材料在切除中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。它的基本特征是切削速度高（为常规切削速度的5～10倍），进给速度快（40～180m/min），加减速度大（1～2g）。高速加工（HSC）技术将成为提高生产效率、加工质量、加工精度和缩短生产周期及降低加工成本的重要手段，为产品占领市场份额奠定坚实的基础。

高速加工的基本出发点是高速低负荷状态下的切削可较低速高负荷状态下切削更快地切除材料。低负荷切削意味着可减小切削力，从而减少切削过程中的振动和变形。使用合适的刀具，在高速状态下可切削高硬质的难加工材料。同时，高速切削可使大部分的切削热通过切屑带走，从而减少零件的热变形。高速加工与常规切削相比具有明显的优点：加工时间可减小约60％；进给速度提高5～10倍；材料去除率提高3～5倍；刀具耐用度提高70％；切削力减小约30％；加工面表面粗糙度可达 Ra=“8”～101μm；由于切削过程的切削热90％被切屑带走，工件温升低，热变形、热膨胀小。

上述这些优点仅在加工策略合适的情况下才能实现。如果加工策略不适当，轻则会缩短刀具的寿命，重则可能导致更加可怕的结果。高速加工并不是简单地使用现有刀具路径，通过提高主轴转速和进给率实现。因此，尽管对高速加工的研究已有多年，也在汽车、航天航空、船舶等行业进行了实际应用，但还有许多问题有待于解决，如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题；机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）；冷却润滑液的选择；CAD/CAM的程序后置处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问题；安全性问题。

3 实现数控高速加工亟待解决的关键技术

要实现数控高速切削加工所需研究的核心内容包含高速切削加工理论、高速主轴单元、高速进给系统、高速CNC系统、高性能的刀具系统、机床支撑技术驱动系统及辅助单元技术。

3.1 高速切削机理

高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础，在高速切削技术应用中起着指导作用，占有十分重要的地位。

目前，高速切削加工机理有3种学说：

（1）Dr.Salomon 理论。1929年德国的切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）博士开始进行超高速模拟实验，并于1931年发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设，并在德国申请了专利。该假设认为：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于不同的工件材料，存在一个速度范围，当切削速度超过了这个速度范围以后，随着切削速度的增大切削力会大幅度下降，切削温度也会降低。按照这一假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，大幅度地缩短切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。该假设为进入“死谷”召区后，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可进行；假设理论如图1所示，在常规切削速度范围A区，切削温度随切削速度的增加而升高；当切削速度超过B区进入高速C区，切削温度随切削速度的增加而降低，可明显缩短切削加工时间，提高机床生产率。

图1 切削过程中刀具的温度与速度的关系

（2）后来的学者根据高速切削实验结果对Salomon理论提出了质疑，认为在高速切削铸铁、钢及难加工材料时，即使在很高的切削速度范围内也不存在B区这样的死谷，刀具耐用度总是随着切削速度的增加而降低的。

（3）20 世纪70年代中期，美国洛克希德导弹和空间公司的科学家罗伯特．金（Bobet I.King）和麦克唐纳（Mcdonald.J）开始着手验证和发展沃汉（Vauglan）的研究结论，提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理，从理论上证实了高速切削的可行性和优越性。他们的研究主要在切屑成型理论、金属断裂、突变滑移、绝热剪切以及各种材料的切屑成型方面。一系列切削试验表明，与常规切削相比，高速加工切削力可降低30%左右，刀具耐用度可提高70% 左右，但目前还没有成熟的高速切削理论解释这些试验结果。

我国在高速切削基本方法和理论方面研究起步较晚、水平较低。目前，南京航空航天大学推导出了在高速切削时集中剪切滑移条件下的切削方程式，为进一步发展高速切削工艺技术建立了理论基础；山东大学主要探讨了高速切削时切削参数的选择和表面质量的控制；哈尔滨工业大学和哈尔滨理工大学等单位研究了高速切削时刀具的磨损情况等。通过对高速切削加工中切削力、切削热、切屑形成机理、刀具磨损、表面质量等技术的研究，可以为开发高速机床和高速加工刀具、工艺和测试技术改革提供理论指导。国内学者主要是进行局部理论的研究，都没有真真运用到实际生产中，国内的高速切削数控机床大都是进口的，几乎没有国产机床的市场。国内制造业想要突破产业的高速发展与切削加工技术落后的瓶颈，只有做到如下几点：

（1）进一步完善高速切削机理；

（2）进行高速切削实验，建立完整的高速切削数据库和工艺参数专家系统；

（3）根据（2）中的数据库和计算机技术开发相应的高速切削加工过程的虚拟仿真软件。

3.2 高速主轴单元

传统的机床是通过齿轮、皮带等中间环节连接把动力从电机传递到主轴，从而控制机床主轴的运动。由于传统的主轴运动的精度受很多因素的影响，特别是在高速运转的时候无法达到所需的精度，已经无法适应高速加工的要求。高速加工机床的主轴部件，要求采用耐高温、高速、能承受大的负荷的轴承，同时主轴动平衡性能好，有良好的热稳定性，能够传递足够的力矩和功率且能承受高的离心力，主轴的刚性要好、有恒定的力矩并带有检测过热装置和冷却装置。因此具备相应的高转速和高精度、高速精密和高效率特性的数控机床电主轴应运而生。高速运转的电主轴的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，即把高速电机置于精密主轴内部，电主轴的电机转子就是主轴，主轴的壳体就是电机的机座，实现了变频调速电机和主轴一体，电机直接驱动主轴，形成电主轴。电主轴取消了中间的传动环节，传动链长度为0，可以实现真真意义上的机床主轴系统的“零传动”，避免了中间环节对精度的影响。

电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其相应的部件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴实现高速化，从机械方面考虑的主要是轴承发热和振动的问题；从电机设计方面考虑的主要是定子、转子功率密度和绕组发热问题；从驱动和控制角度考虑的主要是调速性能问题。

针对上述3个方面的问题，可采取如下措施：

（1）高速精密主轴上大量采用高速、高刚度的轴承，如一般情况采用陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承；轴承的润滑采用定时定量的油气润滑而不是油脂润滑。

（2）主轴电机主要采用矢量控制的交流异步机。

（3）电主轴的内置高速电机采用高频变频装置来驱动，实现每分钟几万甚至十几万转的转速，变频器的输出频率甚至要达到几千Hz。

3.3 高速驱动系统

迄今为止的驱动系统都是由旋转电动机、齿轮箱或联轴器、丝杠和驱动螺母、丝杠支座轴承等构成，而它们都影响甚至限制了机床的性能。例如：电动机本身有最大转速的限制，随着速度增加，电动机输出转矩下降；在高的加速度下电动机轴会产生扭曲甚至变形和位置误差；齿轮箱则会增加系统惯性，产生间隙；若电动机与丝杠直接连接，则会产生扭曲变形、间隙及滞后；丝杠本身受临界转速、间隙、扭曲、螺距误差、摩擦等影响，且其振动衰减时间很长。

直线电机则是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，使得初级的封闭磁场变为开放磁场，旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通人三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场成为行波磁场。当次级固定不动时，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动，即可实现高速机床的直线电机驱动的进给方式。把直线电机的初级和次级分别安装在高速机床的工作台与床身上，由于这种进给传动方式的传动链缩短为0，因此称为机床进给系统的“零传动”。

同“旋转伺服电机+滚珠丝杠”传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下优点：（1）高速度，目前最大进给速度可达100～200m/min；（2）高加速度，可达2～10g（g=9.8m/s）； （3）定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0，但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为0，最高定位精度可达0.1～0.01m；（4）行程不受限制，由于直线电机的次级（定子）可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。

直线电机进给系统是一种能将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间传动环节的驱动装置。它的应用将传统的回转运动转变为直线运动，因此机床的速度、加速度、刚度、动态性能可得到完全改观，通过采用数字控制技术，直线电机可以利用大增益，提高控制效果，使得高速移动的伺服滞后量减小，从而获得高的定位精度，有效地克服了传统旋转电机进行驱动时，机械传动机构传动链较长、体积大、效率低、能耗高、精度差等缺点。

3.4 高性能刀具系统

在高速切削中，其失效形式根据加工的条件及工件材料不同而完全不同。比如有刀尖破碎，前、后刀面同时磨损，刀杆折断等各种形式，并且不同的刀具与不同的工件材料组合产生的效果也不一样。如何选择合理的高速切削刀具，尽可能延长刀具使用寿命，以及最大限度地发挥刀具的性能，对高速切削应用来说是一项十分关键的技术。为了适应高速切削，刀具材料耐磨性能要好，在干式切削高温条件下切削性能稳定。目前高速切削刀具材料主要有涂层硬质合金、金属基陶瓷、氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等。

在机床主轴—夹头—刀具系统中，刀具和夹具的不对称形状、系统构件的连接间隙和夹紧的不精确、主轴的圆跳动和磨损、主轴刀具拉紧机构中拉杆—碟形弹簧的偏移、冷却润滑液的影响等都会造成刀具系统的不平衡。在高速加工过程中，刀具的一点点不平衡都会产生较大的离心力，严重影响主轴的正常运行。

针对这种情况，需采取以下措施：（1）制定动平衡标准。目前已有国际标准IS01940规定了动平衡的技术指标，各厂家可以根据国际标准和工厂实际情况指定相应的产品的动平衡标准。（2）对刀具系统进行动平衡，对刀具、夹头和主轴进行动平衡。（3）对夹头连同刀具整体进行一次动平衡。（4）刀具系统装夹到主轴上是会因夹紧产生误差，对于高速加工应采用自动平衡系统，实现在线动平衡。美国肯纳金属公司所开发的TABS（动态动平衡全自动调整系统）可安装在机床上，当刀具在动态高速旋转时，2s内可实现对刀具的动态动平衡全自动调整，有效地解决了高速加工中刀具系统动平衡快速调整的问题。

3.5 高速CNC系统

数控系统（数字控制系统）是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。数字控制系统中的信息是数字量，是相对于模拟控制而言的。

随着计算机技术的发展，数控系统已经从最初的由数字逻辑电路构成的硬线数控系统发展到了以计算机为核心的计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统。相对于硬线数控系统而言，CNC系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，因而具有较高的柔性和更高的性能。

高速加工对CNC的最基本要求：以足够快的速度处理NC数据、为各进给轴加减速产生无冲击的理论值。高速加工CNC功能模块，它与普通CNC相比，扩展有后置处理器，离线预处理功能和样条译码功能。高速加工CNC的核心技术是样条实时插补和无冲击的加速器。样条不应该线性化，应该直接插补，以免降低精度。机床进给驱动系统必须具有高动态性能，为机床进给轴加减速产生无冲击的理论值——斜坡函数，即机床进给轴加速度—时间曲线不允许有突跳，只有这样才能保证高速加工的高精度和足够高的进给速度。

数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响到加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响到刀具的寿命。

普通 NC程序信息量低，在执行NC程序之前要进行预处理，以离线方式进行。预处理内容：将ASCII转换为二进制格式，语法检查及与操作者进行交互，分解固定循环和子程序，参数计算和公式计算。编程主要是基于IS06983标准，但IS06983不支持五轴铣削和曲线加工的高速切削。目前的数控软件都以 IS06983（G，M代码）为标准，针对高速加工（HSM），只能在原CNC基础上，对刀具中心轨迹进行编程，程序量大，针对不同的高速加工中心，还需专用的后置处理器。STEP-NC（1S014649）是国际标准化组织（1SO）所开发，用来为数控（NC）设备定义数据而扩充的STEP标准。采用了 EXPRESS语言和面向特征的编程原理，将产品模型数据交换标准STEP扩展至CNC领域，重新规定了CAD/CAM和CNC间的接口，形成了新型NC 编程数据接口国际标准（1S014649）。STEP-NC可大幅度地减少传统的CAD/CAM系统加工零件的时间，消除了在加工制造过程中所需的后处理器，并且能够支持将在今后出现的更快、更安全、更加智能的加工设备。

3.6 高速机床支撑系统

高速加工过程中机床的动态特性至关重要，而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳的阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得，如可以采用高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身。

大多数的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。高动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。相比之下，当制造像主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻的部件。高速加工过程中同时也要求机床具备良好的加减速功能，即必须要保持合理的加加速和加加速度控制（Jerk control）。进给率在高速加工时可能不断转变，会产生变化的加减速度即加加速度，同时出现机械的冲击和振动，因此要控制过大加减速度的变化。

如果加加速过大（突变），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面质量。如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，为了保证在高速情况下加工出高质量表面，合理的机床加加速非常重要。

3.7 辅助单元技术

高速切削过程会产生大量的高温热切屑，必须及时将其从工作台上清除掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种有效的清理切屑的方法。当前，许多机床都配置了高速加工所必需的高压冷却液泵。高速切削机理研究表明，基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。在高速切削条件下大量使用冷却液，虽然可显著提高刀具耐用度，但却大大降低了工件的塑性流动速度，反而降低总的生产效率。合理地选择冷却润滑方式，是保证加工质量的先决条件。对于条件最为恶劣的主轴轴承的润滑方式有油脂润滑、油池润滑、喷雾润滑、油气润滑等。一种新型气体轴承还采用强制供气润滑。

采用于式切削方式，会从根本上改善切削的环境状态，节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。高速切削加工中为了保护环境与人身安全、降低生产成本、提高生产率及保证加工质量，应用干切削技术是高速切削加工的必然要求。因此，应开发出更加节省能源的机床，开发出更加实用的干式切削加工技术。如采用低温气体冷却，使工件、刀具和机床的温升降低，同时配备抽吸系统进行防尘和排屑，保证加工区的清洁。在一些机械加工中，纯粹的干切削是难以实现的，可以采用最小量润滑技术又称准干切削。也可以采用通过对加工表面局部加热（如激光加热、导电加热等）辅助加热的干切削技术，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的实现。

4 结束语

自20世纪80年代以来，电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展。同时，高速加工技术也从基于传统金属（非金属）切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术，逐步发展成为综合性系统工程技术。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了很大的进展。现代制造业迎来了一场新的技术革命，数控高速加工技术将引领制造业的高速发展。

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