高速切削技術(shù)的發(fā)展與展望
發(fā)布日期：2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽：2498
分享到：
切削加工是機(jī)械加工應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，而高速是它的重要發(fā)展方向，其中包括高速軟切削、高速硬切削、高速干切削、大進(jìn)給切削等。高速切削能夠大幅度提高生產(chǎn)效率和單位時(shí)間內(nèi)材料切除率，改善加工表面質(zhì)量降低加工費(fèi)用。
高速切削的概念與高速切削技術(shù)
高速切削是一個(gè)相對(duì)概念，如何定義，目前尚無(wú)共識(shí)。而且由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范圍，因而也很難就高速切削的速度范圍給出一個(gè)確切的定義。 高速切削技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測(cè)量測(cè)試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件與軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展的基礎(chǔ)之上綜合而成的。因此，高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及機(jī)床、刀具、工件、加工工藝過(guò)程參數(shù)及切削機(jī)理等諸多方面。
2 高速切削技術(shù)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
從德國(guó) Carl. J. Salomon博士提出高速切削概念，并于同年申請(qǐng)了專利以來(lái)，高速切削技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了高速切削的理論探索階段、高速切削應(yīng)用探索階段、高速切削的初步應(yīng)用階段、高速切削的較成熟階段等四個(gè)階段，現(xiàn)已在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。特別是20世紀(jì)80年代以來(lái)各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入大量人力、財(cái)力，研究開發(fā)高速切削技術(shù)及相關(guān)技術(shù)，發(fā)展迅速。 國(guó)外近幾年來(lái)高速加工機(jī)床發(fā)展迅速，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士、英國(guó)、加拿大、意大利等國(guó)家相繼開發(fā)了各自的高速切削機(jī)床。高速主軸是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)，通常采用主軸、電動(dòng)機(jī)一體化的電主軸部件，實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，主軸支承一般使用陶瓷軸承、靜壓軸承、動(dòng)壓軸承、空氣軸承以及油0氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等技術(shù)，也有使用磁力軸承的。進(jìn)給系統(tǒng)則開始采用直線電動(dòng)機(jī)或小導(dǎo)程大尺寸高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠，以提供更高的進(jìn)給速度和更好的加、減速特性，最大加速度可達(dá)2～10g。CNC控制系統(tǒng)則使用多片32位或64位CPU，以滿足高速切削加工對(duì)系統(tǒng)快速數(shù)據(jù)處理能力的要求，并采用前饋和大量超前程序段處理功能，以保證高速加工時(shí)的插補(bǔ)精度。采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)以解決極熱切屑問(wèn)題。采用溫控循環(huán)水(或其它介質(zhì))來(lái)冷卻主軸電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、直線電動(dòng)機(jī)、液壓油箱、電氣柜，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構(gòu)件。采取更完備的安全保障措施保證機(jī)床操作者及機(jī)床周圍現(xiàn)場(chǎng)人員的安全，避免機(jī)床、刀具、工件及有關(guān)設(shè)施的損傷；識(shí)別和避免可能引起重大事故的工況；保證產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。 研究工件的材料特性對(duì)加工方法的影響，一些難加工材料如鎳基合金、鈦合金和纖維增強(qiáng)塑料等，在高速條件下變得易于切削。另外，不同材料最佳切削速度也不同，工件材料還是選擇刀具及加工參數(shù)的重要依據(jù)，一般在高速加工中，宜采用高轉(zhuǎn)速、中小切深、快進(jìn)給、多行程，但是在高速加工的工藝參數(shù)選擇方面，目前國(guó)際上沒(méi)有面向生產(chǎn)實(shí)用的數(shù)據(jù)庫(kù)可以參考。 高速切削機(jī)理的研究主要包括高速切削過(guò)程中的切屑成形機(jī)理、切削力、切削熱變化規(guī)律及刀具磨損機(jī)理對(duì)加工效率、加工精度和加工表面完整性的影響規(guī)律。目前對(duì)鋁合金的高速切削機(jī)理研究，已取得了較為成熟的結(jié)論，并已用于指導(dǎo)鋁合金的高速切削生產(chǎn)實(shí)踐。但對(duì)黑色金屬及難加工材料的高速切削加工機(jī)理研究尚在探索階段，其高速切削工藝規(guī)范還很不完善，是目前高速切削生產(chǎn)中的難點(diǎn)，也是切削加工領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。另外，高速切削已進(jìn)入鉸孔、攻絲等的應(yīng)用中，其機(jī)理也都在不斷研究之中。就目前而言，對(duì)高速切削時(shí)的切削力、切削溫度、刀具磨損與刀具壽命、加工表面質(zhì)量與加工精度的變化規(guī)律還需要做更加深入的研究和探討。
3 高速切削技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
高速切削在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用起步較晚，但進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)已普遍引起關(guān)注。目前全國(guó)大約有300多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床，大部分還是通用機(jī)床，數(shù)控機(jī)床包括經(jīng)濟(jì)型在內(nèi)大致占10%左右，在航空、航天、汽車、模具、機(jī)床和工程機(jī)械等行業(yè)進(jìn)口數(shù)控機(jī)床和加工中心占了較大比例�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)10000～15000r/min的立式加工中心和18000r/min的臥式加工中心已開發(fā)成功并生產(chǎn)問(wèn)世，生產(chǎn)的高速數(shù)字化仿形銑床最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了40000r/min， 3500～4000r/min的數(shù)控車床和車削中心已成批生產(chǎn)，8000r/min的數(shù)控車床也已問(wèn)世。高速機(jī)床的高檔數(shù)控系統(tǒng)和開放式數(shù)控系統(tǒng)正在深入研究中，但目前主要還是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)正逐步開始推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)，主要是應(yīng)用在航空航天、模具和汽車工業(yè)，加工鋁合金和鑄鐵較多，但采用的刀具以進(jìn)口為主。 國(guó)內(nèi)刀具材料目前仍以高速鋼、硬質(zhì)合金刀具為主，先進(jìn)刀具材料(如涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)雖有一定基礎(chǔ)，但應(yīng)用范圍不夠廣泛。總的來(lái)說(shuō)，切削速度普遍偏低，切削水平和加工效率較低。高速切削基礎(chǔ)理論研究起步較晚，80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷刀具高速硬切削時(shí)的切屑形成、切削溫度、切削力、刀具磨損與破損、刀具壽命和加工表面質(zhì)量等規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并已在生產(chǎn)中得到較多應(yīng)用。自90年代以來(lái)，對(duì)高速切削鋁合金、鋼、鑄鐵、高溫合金、鈦合金等的切削力、切削溫度、刀具磨損與破損和刀具壽命進(jìn)行了一定研究和探討，但還沒(méi)有進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。對(duì)切削加工過(guò)程的監(jiān)控技術(shù)研究較多，但投入生產(chǎn)使用的較少。
附表 各種加工方法的高速切削速度范圍
加工方式 |
切削速度(m/min) |
|---|
車削 |
700～7000 |
銑削 |
300～6000 |
鉆削 |
200～1100 |
拉削 |
30～75 |
鉸削 |
20～500 |
磨削 |
5000～10000 |
|
4 高速切削的應(yīng)用
由于高速切削機(jī)床和刀具技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的迅速進(jìn)步，高速切削技術(shù)已應(yīng)用于航空、航天、汽車、模具、機(jī)床等行業(yè)中，車、銑、鏜、鉆、拉、鉸、攻絲、磨削鋁合金、鋼、鑄鐵、鈦合金、鎳基合金、鉛、銅及銅合金、纖維增強(qiáng)的合成樹脂等幾乎所有傳統(tǒng)切削能加工的材料，以及傳統(tǒng)切削很難加工的材料。刀具材料主要使用碳素工具鋼、超高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、天然金剛石、人工金剛石、聚晶金剛石等。 目前國(guó)際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、工件本身或刀具系統(tǒng)剛性不足的加工領(lǐng)域及加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域。不同加工方式、不同工件材料有不同的高速切削范圍。不同加工方式高速切削線速度的范圍見(jiàn)附表，附圖所示為幾種常見(jiàn)工件材料高速銑削時(shí)的速度范圍。 高速切削還在進(jìn)一步發(fā)展中，預(yù)計(jì)銑削加工鋁的切削速度可達(dá)到10000m/min，加工鑄鐵可達(dá)到5000m/min，加工普通鋼也將達(dá)到 2500m/min；鉆削加工鋁切削轉(zhuǎn)速可達(dá)到30000r/min，加工鑄鐵達(dá)到20000r/min，加工普通鋼達(dá)到10000r/min。
5 高速切削存在的問(wèn)題及發(fā)展展望
高速切削是切削加工發(fā)展的主要方向之一，它除依賴于數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新穎構(gòu)件等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術(shù)問(wèn)題，如刀具磨損嚴(yán)重，高速切削刀具切入切出時(shí)破損問(wèn)題，高速切削用刀具材料價(jià)格昂貴，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要?jiǎng)悠胶猓毒邐A持要牢靠安全，主軸系統(tǒng)昂貴且壽命短，而且所用高速加工機(jī)床及其控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問(wèn)題制約著高速切削的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。高速切削發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)研究方向歸納起來(lái)主要有：(1)新一代高速大功率機(jī)床的開發(fā)與研制；(2)高速切削動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性的研究；(3)高速切削機(jī)理的深入研究；(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長(zhǎng)的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結(jié)構(gòu)的研究；(5)進(jìn)一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍；(6)開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)；(7)建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)以進(jìn)一步推廣高速切削加工技術(shù)；(8)基于高速切削工藝，開發(fā)推廣干式(準(zhǔn)干式)切削綠色制造技術(shù)；(9)基于高速切削，開發(fā)推廣高能加工技術(shù)。
6 結(jié)語(yǔ)
發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，振興我國(guó)制造業(yè)，迎接新世紀(jì)的挑戰(zhàn)乃是建立強(qiáng)大工業(yè)國(guó)家的根本。高速切削技術(shù)是先進(jìn)的制造技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)不但可以大幅度提高機(jī)械加工的效率、質(zhì)量，降低成本，而且可以帶動(dòng)一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。加強(qiáng)高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)研究，建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)、高速切削安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高機(jī)床和工具行業(yè)的開發(fā)創(chuàng)新能力，加快高速切削刀具系統(tǒng)、高速切削機(jī)床系統(tǒng)的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，已是當(dāng)務(wù)之急。
