超高速切削的發(fā)展現(xiàn)狀

1、摘要：超高速切削技術(shù)已成為切削加工的主流和先進制造技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。簡述了超高速切削的機理與特點，介紹了該技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展及技術(shù)應用領(lǐng)域，分析了關(guān)鍵技術(shù)并展望了發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：超高速切削；先進制造技術(shù)；切削刀具；應用abstract：ultrahighspeedcuttingisoneofthemaintrendsofcuttingmachineryandanimportantdevelopmentdirectionofadvancedmanufacturingtechnology.themechanismandcharacteristicofultrahighspeedcuttin

2、gareintroducted ,thedevelopmentandtheapplicationrealms athomeandabroadarediscussed ,thekeytechnologiesareanalyzed ,andthe develoment technologyofultrahighspeedcuttingisprospected .prospectedkeywords:ultrahighspeedcutting；atm（advancedmanufacturingtechnology）；cuttingtool；application目錄1超高速切削的機理與特點- 2 -

3、1.1超高速切削的機理- 2 -12超高速切削的特點- 2 -2超高速切削加工技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展和應用領(lǐng)域- 3 -21超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展- 3 -211超高速切削技術(shù)在國外的發(fā)展- 3 -212超高速切削技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展- 3 -22超高速切削加工技術(shù)的應用領(lǐng)域- 4 -221超高速切削技術(shù)在國外的應用- 4 -22.2超高速切削技術(shù)在國內(nèi)的應用- 4 -3超高速切削加工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)- 5 -31超高速主軸系統(tǒng)- 5 -32快速進給系統(tǒng)- 5 -33高速cnc控制系統(tǒng)- 6 -34超高速切削刀具技術(shù)- 6 -341超高速切削刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)- 6 -342超高速切削刀柄系統(tǒng)- 6

4、-35超高速切削加工的安全防護與實時監(jiān)控系統(tǒng)- 7 -4超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢展望- 7 -5結(jié)束語- 7 -引言機械加工技術(shù)正朝著高效率、高精度、高柔性和綠色制造的方向發(fā)展。在機械加工技術(shù)中，切削加工是應用最廣泛的加工方法。近年來，超高速切削技術(shù)蓬勃發(fā)展，已成為切削加工的主流和先進制造技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。超高速切削技術(shù)不只是一項先進技術(shù)，它的發(fā)展和推廣應用將帶動整個制造業(yè)的進步和效益的提高。在國外，20世紀30年代德國salomon博士提出高速切削理念以來，經(jīng)半個世紀的探索和研究，隨數(shù)控機床和刀具技術(shù)的進步，80年代末和90年代初開始應用并快速發(fā)展到廣泛應用于航空航天、汽車、模具制

5、造業(yè)加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級合金及碳纖維增強塑料等復合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。超高速切削是一種用比普通切削速度高得多的速度對零件進行加工的先進制造技術(shù)，它以高加工速度、高加工精度為主要特征，有非常高的生產(chǎn)效率，超高速切削技術(shù)作為先進制造技術(shù)的重要組成部分，已被積極地推廣應用。1超高速切削的機理與特點1.1超高速切削的機理近十年來，超高速切削加工理論基礎(chǔ)研究取得新的進展。主要是鋸齒狀切削的形成機理，超高速切削加工鈦合金時切屑的形成機理，機床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性及切削顫振的避免，多種刀具材料加工不同工件材料時的刀具前刀面、后刀面和加工表面的溫度以及超高速切削時切屑、刀具和工件切削

6、熱量的分配，進一步證實大部分切削熱被切屑所帶走。12超高速切削的特點(1)隨著切削速度提高，單位時間內(nèi)材料切除率(切削速度、進給量和切削深度的乘積，（vfap)增加，切削加工時間減少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。(2)在超高速切削加工范圍內(nèi)，隨著切削速度提高，切削力隨之減少，根據(jù)切削速度提高的幅度，切削力平均可減少30以上有利于對剛性較差和薄壁零件的切削加工。(3)超高速切削加工時，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多，大致在90以上，傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減少加工零件的內(nèi)應力和熱變形，提高加工精度。(4)從動力學的角度，超高速切削加工過程中

7、，切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削過程中產(chǎn)生振動的主要激勵源；轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對低階固有頻率最敏感，因此超高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。(5)超高速切削加工可加工硬度hrc(4565)的淬硬鋼鐵件，如超高速切削加工淬硬后的模具可減少甚至取代放電加工和磨削加工，滿足加工質(zhì)量的要求。2超高速切削加工技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展和應用領(lǐng)域21超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展211超高速切削技術(shù)在國外的發(fā)展工業(yè)發(fā)達國家對超高速切削加工的研究起步早，水平高。在此項技術(shù)中，處于領(lǐng)先地位的主要有德國、日本、美國和意大利等國家。1976年美國lo

8、ckheed飛機公司首先研究了鋁合金的超高速銑削試驗。在高速立式銑床上用直徑25.4mm立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速從4000rmin提高到20000rmin，切深及每齒進給量保持不變時，切削力下降30，然而材料切除率卻增加3倍。1979年美國國防高技術(shù)研究部署發(fā)起了一項“先進加工研究計劃”研究超高速切削的科學依據(jù)，經(jīng)過四年努力，其研究結(jié)果指出：隨著切削速度提高，切削力下降，加工表面質(zhì)量提高；刀具磨損主要取決于刀具材料的導熱性。德國在超高速切削試驗研究方面得到了國家研究技術(shù)部的支持。1984年撥款1160萬馬克，組織以由darmstadt工業(yè)大學生產(chǎn)工程與機床研究所(ptw)為首的41家公司參加的兩項聯(lián)合

9、研究計劃。ptw所長舒爾茨教授為首的研究人員全面系統(tǒng)地研究了超高速切削機床、刀具、控制系統(tǒng)等相關(guān)工藝技術(shù)，對各種工件材料(鋼、鑄鐵、鋁合金、碳纖維增強塑料等)的超高速切削性能進行了深入的研究與試驗，其研究成果已在德國工廠廣泛應用，取得了良好的經(jīng)濟效益。自20世紀80年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)，超高速機床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的超高速機床。日本日立精機的hg4001ll型加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速達3600040000rmin，工作臺快速移動速度為3640mmin。采用直線電機的美國ingersoll公

10、司的hvm800型高速加工中心，進給移動速度為60mmin。212超高速切削技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展我國超高速切削加工技術(shù)研究起步較晚，與國外有較大的差距。20世紀80年代初期，山東大學切削加工研究組結(jié)合陶瓷刀具材料的研究，比較系統(tǒng)地研究了，基陶瓷刀具超高速硬切削的切削力、切削溫度、刀具磨損和破損、加工表面質(zhì)量以及刀具幾何形狀等，建立了有關(guān)切削力、切削溫度模型、刀具磨損和破損理論、加工表面質(zhì)量變化規(guī)律等4。之后，北京理工大學研究了超高速切削的刀具壽命與切削力，沈陽工業(yè)大學和重慶大學研究了超高速切削機理，天津大學和大連理工大學研究了超高速硬切削機理，上海交通大學與有關(guān)工廠研究了鈦合金超高速銑削工藝、薄壁

11、件超高速銑削精度控制、鋁合金超高速銑削表面的溫度動態(tài)變化規(guī)律、硅鋁合金超高速鉆削和銑削數(shù)據(jù)庫等。廣東工業(yè)大學研究了超高速主軸系統(tǒng)和快速進給系統(tǒng)，成都工具研究所研究了超高速切削刀具的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。在超高速機床方面，目前我國與國外的主要差距在于機床的關(guān)鍵功能部件的研究開發(fā)落后于市場需求，如轉(zhuǎn)速20000r/min以上的大功率剛性主軸、無刷環(huán)形扭矩電機、大行程直線電機、快速響應數(shù)控系統(tǒng)等技術(shù)尚未掌握。各工業(yè)部門所需的超高速加工中心基本上還是依賴進口，并已從國外引進了相當數(shù)量的超高速加工中心。在超高速切削刀具材料方面我國已取得了很大的發(fā)展，特別是陶瓷刀具，而且初步具備了開發(fā)超高速切削刀具的能力，但金剛

12、石、立方氮化硼、ticn基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)、涂層刀具和超細晶粒硬質(zhì)合金刀具的性能、品種與國外差距很大，超高速切削刀具制造技術(shù)也相對落后，還沒有形成自己特色的超高速切削刀具制造體系。與國外相比。目前主要差距是我國的超高速切削加工用的高性能刀具材料(涂層材料、涂層技術(shù))、刀具制造工藝技術(shù)、刀具安全技術(shù)等還處于初步階段22超高速切削加工技術(shù)的應用領(lǐng)域221超高速切削技術(shù)在國外的應用現(xiàn)在在工業(yè)發(fā)達國家，超高速切削加工技術(shù)已成為切削加工的主流，日益廣泛地應用于模具、航空、航天、高速機車和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，并已取得了巨大的經(jīng)濟效益。模具制造工業(yè)中，德國、日本、美國等大約有3050的模具公司，用超高速切削

13、加工技術(shù)，加工放電加工(edm)電極、淬硬模具型腔、塑料和鋁合金模型等，加工效率高，質(zhì)量好，減少了后續(xù)的手工打磨和拋光工序。在航空與高速機車行業(yè)，飛機的骨架與機翼、高速機車的車廂骨架均為鋁合金整體薄壁構(gòu)件，都需要切除大量的金屬，從毛坯開始的切除量甚至達到90，采用超高速切削加工技術(shù)，加工時間縮短到原來的幾分之一。汽車工業(yè)的發(fā)動機鋁合金和鑄鐵缸體，廣泛采用超高速切削加工技術(shù)，大大地提高效率，降低成本。此外，超高速切削加工技術(shù)還應用于快速成形、光學精密零件和儀器儀表等加工領(lǐng)域。22.2超高速切削技術(shù)在國內(nèi)的應用我國超高速切削加工技術(shù)最早應用于轎車工業(yè)，20世紀80年代后期，相繼從德國、美國、法國、

14、日本等國引進多條具有先進水平的轎車數(shù)控自動化生產(chǎn)線，如從德國引進的具有90年代中期水平的一汽一大眾捷達轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產(chǎn)線，其中大量應用了超高速切削加工技術(shù)。近年來，我國航天、航空、汽輪機模具等制造行業(yè)引進了大量加工中心和數(shù)控鏜銑床，都不同程度地開始推廣應用超高速切削加工技術(shù)，其中模具行業(yè)應用較多。3超高速切削加工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)31超高速主軸系統(tǒng)超高速主軸系統(tǒng)是超高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主軸轉(zhuǎn)速在(1500030000)rrain的加工中心越來越普及，已經(jīng)有轉(zhuǎn)速高達(100000150000)rmin的加工中心。更高的超高速主軸系統(tǒng)也正在研制開發(fā)中。超高速主軸由于轉(zhuǎn)

15、速極高，主軸零件在離心力的作用下產(chǎn)生振動和變形，超高速運轉(zhuǎn)摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機產(chǎn)生的熱會引起熱變形和高溫，所以必須嚴格控制，為此對超高速主軸提出以下性能要求：(1)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、可避免振動和噪聲，具有良好的起、停性能；(2)足夠的剛性和高的回轉(zhuǎn)精度；(3)良好的熱穩(wěn)定性；(4)大功率；(5)先進的潤滑和冷卻系統(tǒng)；(6)可靠的主軸監(jiān)測系統(tǒng)。為了滿足上述性能要求，超高速主軸多以高頻變頻調(diào)速電機直接驅(qū)動，將主軸電機和主軸合二為一，制成電主軸，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，即所謂“零傳動”。軸承是決定主軸壽命和負荷大小的關(guān)鍵部件。為了適應超高速切削加工，超高速切削機床的主軸設(shè)計采用了先進的主

16、軸軸承、潤滑和散熱等新技術(shù)。目前超高速主軸主要采用陶瓷軸承、磁懸浮軸承、空氣軸承和液體動、靜壓軸承等5。主軸軸承的潤滑對主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用，超高速主軸一般采用油、空氣潤滑或噴油潤滑。32快速進給系統(tǒng)超高速切削時，為了保持刀具每齒進給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進給速度也必須大幅度提高。為了適應進給高速化的要求，在超高速加工機床上主要采取了以下措施；1)采用新型直線滾動導軌；2)采用更先進、更高速的直線電機。3)高速進給機構(gòu)采用小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠，或粗螺距多頭滾珠絲杠。其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進給速度和進給加減速度。4)高速進給伺服系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、軟件化，使

17、伺服系統(tǒng)與cnc系統(tǒng)在ad與da轉(zhuǎn)換中不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或信號延遲現(xiàn)象。5)高速進給機構(gòu)采用碳纖維增強復合材料，使工作臺重量減輕但不降低其剛度。33高速cnc控制系統(tǒng)數(shù)控超高速切削加工要求cnc控制系統(tǒng)具有快速處理數(shù)據(jù)能力和高的功能化要求特性，以保證在超高速切削時，特別是在5軸坐標聯(lián)動加工復雜曲面時仍具有良好的加工性能。超高速cnc數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力有兩個重要指標6：一是單個程序段處理時間。為適應超高速，要求單個程序段處理時間短。為此需要采用強大功能的硬件配置。二是插補精度。為了確保超高速下的插補精度，要有前饋和大數(shù)目超前程序段預處理功能，此外還可以采用nurbs插補、回沖加速、平滑插補、鐘形

18、加減速等輪廓控制技術(shù)。34超高速切削刀具技術(shù)341超高速切削刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)超高速切削常用的刀具材料有涂層wc和ticn基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。超高速切削刀具結(jié)構(gòu)主要有整體和鑲牙兩類。鑲牙刀具主要采取機夾結(jié)構(gòu)。高速回轉(zhuǎn)刀具由于高速引起離心力作用，會造成刀體和刀片夾緊結(jié)構(gòu)破壞以及刀片破裂或甩掉，所以刀體和夾緊結(jié)構(gòu)必須有高的強度與斷裂韌性和剛性，保證安全可靠。刀體重量盡量輕以減少離心力，如鋁合金刀體的金剛石面銑刀。在高速切削的情況下，刀具與夾具平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響到加工精度和刀具壽命，而且也會影響到機床的使用壽命，因此高速回轉(zhuǎn)刀具必須進行運動平衡試驗，以滿足平衡品

19、質(zhì)的要求。342超高速切削刀柄系統(tǒng)超高速切削加工時，采用常用的7:24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng)出現(xiàn)了許多問題，主要表現(xiàn)為：剛性不足：atc(自動換刀)的重復精度不穩(wěn)定：受離心力作用的影響較大；刀柄錐度大，不利于快速換刀及機床的小型化。針對這些問題，為提高刀具與機床主軸的連接剛性和裝夾精度，適應超高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了刀柄與主軸內(nèi)孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩類：一類是對現(xiàn)有的7:24錐度刀柄進行的改進性設(shè)計，如bigplus、wcu、absc等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設(shè)計的l:10中空短錐刀柄系統(tǒng)，有德國開發(fā)的hsk、美國開發(fā)的km及日本開發(fā)的nc5等

20、幾種形式。35超高速切削加工的安全防護與實時監(jiān)控系統(tǒng)從總體上講，超高速切削加工的安全保障包括以下幾方面：1）機床操作者及機床周圍現(xiàn)場人員的安全保障；2)避免機床、刀具、工件有關(guān)設(shè)施的損傷；3)識別和避免可能引起重大事故的工況。在機床結(jié)構(gòu)方面，機床設(shè)有保護墻和門窗。刀片，特別是由抗彎強度低的材料制成的機夾刀片，除結(jié)構(gòu)上防止由離心力作用下產(chǎn)生飛離傾向的保證外，還要做極限轉(zhuǎn)速的測定。刀具夾緊、工件夾緊必須絕對安全可靠，故工況監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性就變得非常重要。機床及切削過程的監(jiān)測包括：切削力監(jiān)測以控制刀具磨損，機床功率監(jiān)測可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測以判別切削參數(shù)與進給系統(tǒng)間關(guān)系：刀具破損監(jiān)測；

21、主軸軸承狀況監(jiān)測；電器控制系統(tǒng)過程穩(wěn)定性監(jiān)測等。 4超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢展望超高速切削加工是切削加工發(fā)展的方向，在2l世紀必將成為切削加工的主流。作為先進制造技術(shù)的一項全新的共性實用技術(shù)，超高速切削加工技術(shù)將繼續(xù)克服當前存在的某些技術(shù)障礙，得到更快的發(fā)展，主要有：1)在超高速加工機床領(lǐng)域，具有小質(zhì)量、大功率的高轉(zhuǎn)速電主軸、高加速度的快速直線電機和高速高精度的數(shù)控系統(tǒng)的新型加工中心將會進一步快速發(fā)展。與其配套的高速軸承技術(shù)、高速電機技術(shù)、高速主軸的潤滑基數(shù)、高頻變頻裝置以及超高速加工中心的刀庫技術(shù)和自動換刀裝置以及監(jiān)控技術(shù)等將隨之快速發(fā)展。2)pcd、cbn陶瓷刀具、涂層刀具和超細晶粒硬質(zhì)合金刀具等作為超高速切削刀具材料仍將起主導作用，并且日益廣泛應用。但這些刀具材料將隨著超高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要，得到新的發(fā)展。3)加工范圍將擴大，將從鋁合金超高速加工擴大到鋼材的超高速加工，解決鋼件超高速加工存在的技術(shù)難題。4)將從濕切削走向干切削，解決超高速加工使用大量冷卻液造成的污染，并進一步研究開發(fā)出適合于干切削的新型刀具，研究開發(fā)干切削加工中心。5)超高速切削機理的理論研究、仿真研究、和虛擬研究等工作將得到進一步深入開展，超高速切削過程的物理本質(zhì)與變化規(guī)律將被進一步弄清。5結(jié)束語超高速加工是繼數(shù)控技術(shù)之后,給