高速切削加工的介绍

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　　高速切削加工技术是一种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新技术，高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等，还可以用于切削加工各种难加工材料.现在，高速切削技术已渐趋成熟，并开始在制造领域中大显身手。高速机床的单元技术和整机水平正在逐步提高。技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高精度的机床产品，并且在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造了惊人的效益。高速切削技术和高速加工机床越来越多地受到工业部门的青睐。
/ W8 f. X; {/ k: [# n　　高速切削加工的概念和特点： 1.高速切削历史与现状高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl压lomon)博士于1929年进行了超高速切削模拟试验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。萨洛蒙指出：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每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，当切由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，切削速度进一步提高，超过这个速度范围后(切削温度反而降低。同时，切削力也会大幅度下降。按照他的假设，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，有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度减少切削时间，成倍地提高机床的生产率。
6 l! c) w" Z, d+ b, I* L( ~　　美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件；或将工件当作子弹射向固定的刀具。1977年美国在一台带有高频电主轴的加工中心上进行了高速切削试验，其主轴转速可以在180～18000r / min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为7 . 6m / min。
8 F) O# d' v" n　　1979年美国防卫技术研究总署(DARPA)发起了一项“先进加工研究计划”，研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。
  B; i' [" C" R0 A　　在德国，1984年国家研究技术部组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所PTW)为首，包括41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机瓜刀具、控制系统以及相关的工艺技术，分别对各种工件材料(钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镶铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等)的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了切削热的绝大部分被切屑带走国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了好的经济效益。日本于20世纪60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现在超高速切削时，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界35善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。进人20世纪90年代以来，以松浦(Matsuora)、牧野( Makino)、马扎克(Mazak)和新泻铁(Niigata)等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床，日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者.
" ]: T7 A, g( k9 w" V& g5 c, r8 F& l" k　　我国早在20世纪50年代就开始研究高速切削，但由于各种条件限制，进展缓慢。近10年来成果显著，至今仍有多所大学、研究所开展了高速加工技术及设备的研究。
( s  Q8 j" w, Z　　2切削速度范围的划分根据高速切削机理的研究结果，当切削速度达到相当高的区域时，切削力下降，工件的温升低，热变形小，刀具的耐用度提高等。高速切削不仅可以大幅度提高单位时间材料切除率.而且还会带来一系列的其他优良特性。高速切削的速度范围定义在这样一个给切削加工带来一系列优点的区域。这个切削速度区比传统的切削速度高得多，因此也称超高速切削.
　　通常，考虑到刀具直径和转速等因素，人们习惯于用切削加工最大线速度来描述切削速度，单位是m / min(米／分钟).另一方面，由于机床主轴是提供高转速的关键部件，为了更直观和形象地表示建度，特别是描述机床的速度，也有用不同情况下的主轴转速来划定高速切削范围。
: e& |: C( g% P6 r- j$ \# H　　各国对超高速切削的速度范围迄今尚未作出明确统一的规定，但是通常把切削速度比常规高出5 - 10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。
　　① 按不同加工工艺规定的高速切削范围。车削700一7000m / min；铣削300一6000m / mln：钻削200 -1100m / mm.磨削150 - 360m / s.这种划分比常规切速几乎提高了一个数量级，而且还有继续提高的趋势.
5 g( v: ~1 W  O# ]　　② 按加工不同材料划定高速切削范围。德国Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所(PTw)在20世纪80年代对钢、铸铁、镍基合金、钛合金、铝合金、铜合金和纤维增强塑料等材料分别进行高速切削试验，得到上述七种材料适合于高速切削的速度范围(如图2-24所其研究结果得到了国际上的公认，至今仍是大家认可的高速切削速度。
' u& \0 @; J0 k　　3.高速切削的优势：高速切削加工技术和常规切削相比，具有以下方面的优势：
, R; J  C/ o! H3 |" f1 u　　① 随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5 - 10倍。这样，单位时间内的材料切除率可大大增加.同时机床快速空程速度大幅度提高也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率
$ W! a0 ^. D, A8 R: I+ G# ?　　② 切削速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加工
) @5 G/ f3 H# G- k　　③ 在高速切削时，95 % - 98%以上的切削热来不及传给工件.被切屑飞速带走，工件上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件
　　④高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床一刀具一工件”工艺系统的频率范围，工作平稳振动小，因而可加工出非常梢密、非常光沽的零件，零件经高速车、铣的表面质量常可达到磨削的水平日残余应力很小，故可省去铣削后的精加工工序。
  i& p8 J' h' d　　⑤高速切削可以加工难加工材料。例如，航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金，材料强度大、硬度高、耐冲击，加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。在普通加工一般采用很低的切削速度。如采用高速切削，则其切削速度可提高到100 - 1 000m / min ,规切速的10倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可以提高工件加工表面质量。
　　⑥高速切削可降低加工成本主要原因包括：零件的单件加工时间缩短奋可以在同一台机床上，一次装夹中完成零件的粗加工、半精加工和精加工。床，但综合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。虽然高速机床的价格高于普通的机。高速切削加工的关健技术
; `. T# i4 @: n6 I; V1 `/ G　　德国Darmstadt工业大学生产工程和机床研究所的舒尔兹教授(H。Schul)对高速切削技术进行了多年的深入研究，他从六个方面归纳了对高速切削技术所涉及的关键问题。
" ~1 ]% a  }. y0 c1 Y- @+ r　　1高速切削机理的研究
　　高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的提供理论指导。高速切削机理的研究主要有以下几个方面：( l)高速切削过程和切屑形成机理对高速切削加工中切屑形成机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程理的研究.有试验和计算机仿真两种方法。试验表明，一般低硬度和高热物理性能KPC(导热系数K，密度P，比热容C的乘积)的工材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等在很大速度范围内容易形成连续带状切屑，硬度较高和低热物理性能KPC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钦合金等，在很宽切削速度范围内均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增加，直至形成分离的单元切屑。切削速度对锯齿状切屑的作用，一方面是切削速度提高，应变速度加大，导致脆性增加；另一方面切削速度提高，又会引起切屑温度增加，导致脆性减小因此，提高切削速度对形成锯齿状切屑倾向具有综合的作用。
　　( 2)高速加工基本规律的研究
　　切削力学理论分析表明，切削时切削力与工件的剪切强度、切削面积、刀具前角、后刀面与工件的摩擦系数以及剪切角有关，而剪切强度和摩擦系数直接受切削温度，也即受切削速度的影响，剪切角则与切削速度相关。因此，切削速度直接影响切削力的大小。在高速切削范围内随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力降低。切削时产生的热量主要流人刀具、工件和被切屑带走。随切削速度的提高，切屑带走的热量增加。因此，高速切削范围内，随切削速度提高，切削温度开始升高很快，但当切削速度达到一定后，因切屑带走的热量随切屑深度提高而增加，切削温度上升缓慢，直至很少有变化。
　　高速切削时，刀具的损坏形式主要是磨损和破损，磨损的机理主要是薪结磨损和化学磨损(氧化、扩散、溶解)。金刚石、立方氮化硼和陶瓷刀具高速断续切削高硬材料时，常发生崩刃、剥落和碎断形式的破损。高速切削时，对以磨损为主损坏的刀具可以按磨钝标准，根据刀具磨损寿命与切削用量和切削条件之间的关系确定刀具磨损寿命。对于以破损为主损坏的刀具，则按刀具破损寿命分布规律，确定刀具破损寿命与切削用量和切削条件之间的关系.( 3)各种材料的高速切削加工性研究铝合金具有极好的切削加工性，可采用很高的切削速度(1 000 - 4000m / min，有时高达5000-7500 m / min). 钛及钛合金的切削加工目前选用的刀具材料以YG ( K)类硬质合金为主，精细TIN涂层硬质合金刀具、PCD刀具高速切削加工钛及钛合金的加工效果远好于普通硬质合金；天然金刚石刀具的加工效果更好，但其应用受加工成本制约。加工钛合金，还广泛应用车铣复合加工。车铣复合加工改善了刀具散热条件，降低了切削温度并减少了刀具磨损，从而可在较高的速度下切削加工钛及钛合金。
5 _  |/ @. u: q  B/ k　　( 4)高速切削仿真技术的研究在试验研究的基础上，利用虚拟现实技术和仿真技术，虚拟高速切削过程中刀具和工件相对运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真，显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等，预测被加工工件的加工质量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响等。
　　2高速切削刀具
　　刀具是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高的关键因素是刀具能否承受越来越高的切削温度在萨洛蒙高速切削假设中并没有把刀具作为一个重要因素。但是随着现代高速切削机理研究和高速切削试验的不断深人，证明高速切削的最关键技术之一就是所用的刀具。舒尔兹教授在第一届德国―法国高速切削年会(1997年)上做的报告中指出：目前，在高速加工技术中有两个基本的研究发展目标，一个是高速引起的刀具寿命问题，另一个是具有高精度的高速机床.
, T" a9 c0 X% W& H% H, j$ A, J　　近30年来世界各工业发达国家都在大力发展能适应高速切削加工条件的先进切削刀具，开发出了许多高性能的刀具材料.目前国内外用于高速切削加工的刀具材料主要有：超硬刀具材料(P CD和PCBN)、陶瓷刀具、TiC ( N)基硬质合金和涂层刀具等.它们各有优势又彼此竟争，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。涂层刀具在高速切削领域具有巨大的潜力.从资源、价格和性能等方面看陶瓷刀具在高速切削领域具有很大的优势，尤其在资源方面，陶瓷刀具材料在自然界用之不竭；超硬刀具材料将继续在高速切削加工中占用重要地位；超细晶粒硬质合金和粉末高速钢在小尺寸整体复杂高速切削加工领域还将占主要地位；超强、超硬纳米刀具材料是很有前景的高速切削加工刀具材料.
: A, @# [: h: [$ V3 N　　除刀具材料外，刀具结构也是刀具技术的一项研究重点。在高速切削中，常规的7 - 24银度刀柄系统(BT , ISO等)已经不适用。各国针对高速切削特点，在刀具刃型、材料、结构、夹紧方式和动平衡等方面进行了大量的研究工作，但还不够完善。在高速切削加工中，刀具结构的安全性和高精度的动平衡是至关重要的。高速切削刀具系统必须满足：①很高的几何精度和装夹重复精度.②很高的装夹刚度；③高速运转时安全可靠.
　　为了满足高速切削加工的要求德国开发了HSK系列刀柄系统，美国开发了KM系列刀柄系统.
　　HSK、KM刀柄与普通7 , 24刀柄相比有如下有点：重量约减少50 %；重复使用时装夹和定位精度高；刚度高，并可传递大的力矩；装夹力随转速升高而增大.HSK、KM和BT刀柄的比较见表2 . 3 .
　　3.高速切削机床
( d/ F" @$ T6 N7 E　　高速机床技术主要包括高速单元技术(或称功能部件)和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等；机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施和加工环境等。
　　( 1)高速主轴单元高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速切削加工机床的核心部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高转速和高刚度的矛盾、高速度和大转矩的矛盾等等。因此提高主轴转速和精度是一项很困难的工作，设计和制造高速主轴必须综合考虑满足多方面的技术要求。
　　( 2)高速进给系统进给系统的高速性也是评价高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持高速切削刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要驱动方式.高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构等。与高速进给系统相关联的还有工作台(拖板)和导轨的设计制造技术等。
/ B6 a: Z1 y, G/ N9 d　　〔3)高速CNC控制系统相对而言，现有的控制系统对超高速机床所需的进给速度来说显得太慢了，超高速机床要求其CNC系统的数据处理时间要快得多，高的进给速度要求CNC系统不便要有很高的内部数据处理速度，而且还应有较大的程序存储量。CNC控制系统的关键技术主要包括决速处理刀具轨迹、预先前馈控制、决速反应的伺服系统等。
　　〔4)床身、立柱和工作台高速机床设计的另一个关键点，是如何在降低运动部件质量的同时，保持基础支承部件的高静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助设计，特别是应用有限元及优化设计埋论能获得轻质量、高刚度的床身、立柱和工作台结构为获得较好的动态性能，有些高速机床床身由聚合物混凝土材料制成，同济大学在高速机床混凝土床身的制造方面取得了很好的成果.
　　( 5)切屑处理和冷却系统高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清陈装置·高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染·切削液的使用井不是对高速切削的任何场合都适用，例如，对抗热冲击性能差的刀具，在有些情况下，切削液反而会降低刀具的使用寿命·这时可采用千切削，并用吹气或吸气的方法清理切屑.
' S& U, x8 k9 l3 t4 b　　( 6)安全装置高速运动的机床部件、大量高速流出的切屑及高压喷射的切削液等都要求高速机床有一个足够大的密封工作室，工作室的仓壁一定要能吸收喷射部分的能量。刀具破损时的安全防护尤为重要；此外，防护装置还必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直接接触切削区情况下的操作安全.
8 ]4 n1 J/ N, c/ h% Q* L3 \　　4.高速切削加工中的测试技术
　　高速切削加工是在密封的机床工作区间里进行的，在加工过程中，操作人员很难直接进行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控、实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全. 高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术.近年来.在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。现在已经在机床使用的有主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发射传感器、工件加工可视监视器等。
　　智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。例如，神经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别。【MechNet】
文章关键词： 切削