高速与超高速切削技术.doc

高速与超高速切削技术 张利龙 机电系机制0705班摘要：阐述了高速、超高速切削的概念、特点和发展这项技术的重要性，分析了高速超高速切削的技术体系、技术现状和发展趋势及应用，并就高速切削加工的关键技术及我国发展超高速切削的基础关键技术进行了讨论。 关键词：高速切削；CNC控制系统；金属切削；超高速切削；刀具；先进机床；高速主轴1、前言高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.Salomon提出的，他指出：在常规切削速度范围内切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，及切削加工不可能进行，称该区域为“死谷”。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅提高生产效率。Carl.Salomon提出高速加工的概念，并对高速加工进行了深入的研究，其研究成果表明：随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当切削线速度达到某临界值时，切削温度及切削力会减小，后又随着切削速度的增加而急剧增加。以刀具磨损的切削力为限制条件，前一个低于该值的区域是传统加工，后一个低于该值的区域为高速加工。由此也可看出，不同材料有不同的加工临界值，有其高速加工的特定范围。刀具材料与质量是高速加工最主要的限制条件之一，故高速加工不仅决定于主轴速度与刀具直径，还与所切削的材料、刀具寿命及加工工艺等综合因素有关。 当今企业的竞争集中表现在产品款式、新产品开发周期及产品生产规模方面。模具作为新产品生产的关键工装，其设计与生产日益成为新产品开发周期的决定因素。在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为十年，现在缩短为二到三年，福特及丰田新车型的开发周期仅为一年半，这一切都得益于企业模具设计与制造水平的提高。     高速加工技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日益成熟，极大地提高了模具加工速度，减少了加工工序，缩短甚至消除了耗时的钳工修复工作，从而大大地缩短了模具的生产周期。模具的高速加工技术逐渐成为我国模具工业技术改造最主要的内容之一。高速加工技术在我国刚刚起步，众多企业非常关注高速加工的发展及在模具行业的应用，以及高速加工的工艺特点，高速加工对设备、刀具的特殊要求以及高速加工对CAD/CAM系统的特殊要求。   2、加工原理超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反而会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷” 。如能超越这个“死谷” ，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。3、设备、软件先进的机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统，高性能CNC系统，高速切削的刀具系统，高性能刀夹系统，高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等软件和硬件，如高速电主轴、大导程多线滚珠丝杠或直线电动机，CNC控制系统则采用32或64位多CPU系统、有限元分析软件、CAD软件等。4、加工特点随着高速于超高速机床设备和刀具等关键技术领域的突破性进展，高速与超高速切削技术的工艺和速度范围也在不断扩展。如今在实际生产中超高速切削铝合金的速度范围为1500-5500m/min，铸铁为750-4500m/min，普通钢为600-800m/min，进给速度高达20-40m/min。而且超高速切削技术还在不断2发展。在实验室里，切削铝合金的速度已达6000m/min以上，有人预言，未来的超高速切削将达到音速或超音速。其特点可归纳如下。4.1.可减少工序，提高生产效率许多零件在常规加工时需要分粗加工、半精加工、精加工工序，有时机加工后还需进行费时、费力的手工研磨，而使用高速切削可使工件加工集中在一道工序中完成。这种粗精加工同时完成的综合加工技术，叫做“一次过”技术。“一次过”技术可使机动时间和辅助时间大幅度减少，而且机床结构也大大简化，其零件的数量减少了25%，有利于设备的维护。4.2.切削力小、热变形小加工速度提高，可使切削力减少30%以上，而且加工变形减小，切削热来不及传给工件，因而工件基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高，刀具耐用度也能提高70%。如大型的框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效率加工，超高速铣削则是目前唯一有效的加工方法。4.3.加工精度高在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙度值，又由于切削力小且变化幅度小，机床的激振频率远大于工艺系统的固有频率，故振动对表面质量的影响很小，加工过程平稳、振动小、可实现高精度、低粗糙度加工，非常适合于光学领域的加工。4.4.加工能耗低、节省制造资源 超高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大。以洛克希德飞机制造公司的铝合金超高速铣削为例，主轴转速从4000r/min提高到20000r/min，切削力减小了30%，金属切除率提高了3倍，工件的制造时间短，从而提高了能源和设备的利用率，适用于材料切除率要求大的场合，如汽车、模具和航天航空等制造领域。5、发展过程      高速加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段。美国60年代初由空军主持开始超高速切削机理研究， 1976年美国的公司研制了一台高速铣床，最高转速达到20 000 r/min。80年代初由国防高技 术研究总暑(DARPA)规划了超高速切削基础技术的研究。如今美国波音公司、法国达索公司 采用数控高速切削加工技术超高速铣切铝合金、钛合金整体薄壁结构件；美国休斯飞机公司 采用超高速精密铣削技术加工平面阵列天线、波导管、挠性陀螺框架。而近年成立的隶属于 美国国家科学研究委员会的“2010年及其以后国防制造工业委员会”在提出应把生产加工工 艺作为重大攻关领域的前提下，将超高速切削列为与民用工业共用的先进制造基础技术。德国自1984年开始至今，由国家研究技术部(DFG)支助Darmstadt大学和41家公司对超高速切削机床、刀具等相关技术进行系统的研究。日本于20世纪60年代着手高速切削机理的研究，近些年来吸收了各国的研究成果，现在已后来居上，跃居世界领先地位。20世纪90年代以来发展更迅速，于1996年研制出了日本第一台卧式加工中心，日本先端技术研究会把超高速切削 列为五大现代制造技术之一。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生产的不同规格的各种 商业化超高速机床已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造。我国于90年代初开始在国家基金委、国家计委和航空工业总公司的支持下对超高速加工的各 关键 领域进行初步的研究，但与国外的差距仍然较大。因此在“国家十五重点领域技术预测 研究”和“先进制造领域关键技术的分析论证”中，超高速切削技术仍被列为重大综合型项 目和经济与社会发展急需高技术项目中的重要内容。制造设备市场对超高速加工机床需求的增长趋势是发展我国超高速切削技术的另一个重要因 素。根据对技术产品与市场的预测，到“十五”末我国对高速立铣加工中心 、高速卧式加工中心 和高速五面加工中心的年需求量分别约为150台和100台，到2010年则分别可达300台和200台 。对用于这些设备的超高速切削刀具，也必然有明显的市场需求趋势。工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。 近年来，我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。 5.1“十五”目标及主要研究内容 5.1.1目标 超高速加工到2005年基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达4060m/min，砂轮磨削速度达100150m/s；超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。 5.1.2主要研究内容 （1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。 （2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。 6、结论高速超高速切削技术对于提高生产效率和加工精度有很大促进作用并且扩大了加工范围，使一些难以加工材料得以使用。我国在高速与超高切削技术领域起步晚科技实力低但发展空间大，而且我国是制造业大国对高速超高速切削技术需求迫切，所以我国发展高速超高速加工技术，加速实用化进程，对于我国的制造业赶超世界先进水平有重要意义，发展我国自己的高速加工系统，对摆脱我国目前依赖进口高级机床的局面，增强我国在国际上的竞争力十分重要，市场前景广阔。参考文献1 赵仲义.超高速切削加工技术.武汉：华中理工大学出版社，19952 艾兴.高速切削技术的研究与应用.北京：机械工业出版社，19993 杨广勇.超高速切削时刀具的动平衡及自动化的主轴平衡系统.北京：机械工业出版社，19994 颜永年.先进制造技术.北京：化学工业出版社，20035 赵柄桢.开发高速铣削刀具的安全技术.北京：机械工业出版社，19996 王润孝.先进制造技术导论.北京：科学出版社，20047 马平.高速数控机床主轴电机的热态特性研究.北京：机械工业出版社，1999