高效率加工技术的研究开发现状

JANUARY2Z

高效率加工的新概念
在金属切削过程中，选择很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法。不要忽视在中等切削速度下的大进给量加工方案，这是由大量切削实践得出的结论。基于这一新的认识，为适应汽车制造业和航空制造业的迅速发展形势和不断开发出新产品的市场需要，最近发展为一门崭新的技术——即高效率加工技术。他们认为，通常所谓的高速切削，是选用很高的切削速度与很低的进给量和很小的切削深度进行切削的。这种切削方案实际存在着许多问题，其中最大的问题是：主要目的是用于提高生产效率的高速切削，实际上并没有提高生产效率。它要求机床在高主轴转速下切削，但为提高机床主轴转速来提高切削速度，往往是以降低进给量﹑减小切削深度为代价的。所以切除率很低，生产效率不高。当然，这时机床的主轴功率可以很小。这一点对于那些尺寸精度、表面粗糙度及表面完整性要求很高的零件的精加工（要求零件不变形，因而切削中产生的切削力要小等一系列极其苛刻条件下的加工），确是非常有利的。
5 ~* x: P- x  W" H2 m; ]由Philipp Andrae教授开发研究的高效率加工技术，从开始就强调切削加工中加工零件的质量与生产效率的共同更大幅度的提高。该研究继承了高速切削可以降低切削力﹑提高加工零件精度和表面质量等特点。着重从极大地提高生产效率的目的出发（提高粗加工中的切除率），进行了大量的切削试验研究。从理论和实践的结合上解决了许多技术难题。使高效率切削技术开发研究取得了长足的进展。
+ I% V: ~( p3 S4 u* C高效率加工技术的关键在于：采取了选用或新设计出具有足够的机床主轴转速与较大地传递力矩的能力的高功率﹑高刚性机床，进行大功率切削；选用目前最好的先进刀具材料；选用适合高速﹑大功率切削的先进的刀具夹头；采用独具风格的特殊加工方法以及选择合理的切削参数等技术措施。
& e* q( D- u1 }6 E+ m0 b9 ~/ ]  x- Y不仅如此，在大量切削试验的基础上，对切削理论研究上的新突破，也是使这项科研成果获得成功的决定性因素。
切削理论研究上的新突破
他们从大量的切削试验研究中惊奇地发现：在大功率的高效率切削中的动力学条件，极其有利地影响着刀具的切削性能和磨损形式。其中：动力学条件主要是指工件和刀具间极短的接触时间、极其频繁的接触频率、极其悬殊的切削温度变化，以及在大功率的切削中,较大地影响刀具和工件接触长度的（切削前后的）很小的切屑厚度比等。这些发生在高效率加工中的动力学条件，都使切削区产生很高的切削温度，使切削区的工件材料软化，使零件加工后的表面粗糙度变坏。但却降低了切削力，减轻了刀具的磨损（此时使刀具磨损的矛盾降为很次要的位置）。尤其是在有色金属材料例如铝合金零件的高效铣削中，这些现象体现得更为明显。它可使切削区的切削温度变高、使工件软化，所以切削轻快。当然，这不包括必须采用动力学条件很差、技术上困难很大的小进给量的平面与圆弧面的铣削加工。这样的加工会引起由于工件软化变形造成的加工尺寸精度不高等一系列问题。但是，这一系列的技术难题，可在高效率加工中的精加工阶段给以解决。以上结论与高速切削研究得出的结论基本吻合。但这是在大进给量﹑大切削深度和中等切削速度条件下得到验证的，无疑是在切削理论方面的新的突破。有这一理论作基础，才使高效率加工技术研究获得成功。
  x; H/ E$ X4 H7 {$ G8 {" q6 d选用或新设计出能进行大功率切削的机床
要提高生产效率，就必须提高切除率。由切削原理可知，金属切削中的切除量与切削速度﹑进给量和切削深度有着密切的关系。受切削动力学的限制，在一般切削中，切削深度不能选择太大，高效率切削也不例外。但高效率加工可以选择大进给量（除在短距离的切削中，由于受加速度的限制，只有选择小进给量加工外）与适当大的切削深度进行加工。再通过选择尽量高而不是选择很高的切削速度加以配合，也能达到高切除率。但必须选用或新设计出具有足够的机床主轴转速与较大地传递力矩的能力的高功率﹑高刚性机床，才能进行大功率切削。目前新设计的用于大功率切削的机床已能在24000r/min的（为机床设计的）中等切削速度条件下，对铝合金零件进行大功率的粗铣加工。
+ v' x, ~7 D! ]2 I7 Z6 ]在一般高速切削中，机床提供的大功率通常是通过限制主轴转速实现的。当机床输出功率不变，主轴转速增加、切除率下降时，其原因是：由于主轴转速的增加，提高了主轴空转所消耗的功率。而减少进给量（增加了刀具与工件间的接触时间），反而增加了刀具与工件间的摩擦力。所以在高效率切削的粗加工中，选择很高的机床主轴转速，实际上是无用的。还要根椐欲加工零件材料﹑刀具材料及尺寸大小等切削条件，对切削速度、进给速度和切削深度等切削参数进行认真的选择。例如：选用小直径刀具加工铝合金零件时，可以选择高至100000r/min以上的主轴转速和低进给速度加工。而加工大直径的其它材料，相对选取稍低的主轴转速。
0 w0 L$ D1 ?5 {/ Y( Y在高效率加工中，只需选择18000r/min 的切削速度与很大的进给速度，就可以使切除率达到5000cm3/mm。由此可见，在高效率加工中，根椐欲加工零件材料等切削条件，合理地选取择切削参数，也是高效率加工顺利进行的保证之一。
选用先进刀具材料
从高效率切削原理方面来分析,在高效率切削过程中，作用在切削刀具上的切削力的大小，取决于切削区内的切削温度的高低。同时，切削中切削刀具受离心力的作用的影响也相当严重，因为很小的离心力都会使切削系统产生强烈的振动。所以，必须选择高硬度﹑高韧性的刀具材料和利于降低切削力同时又能保证刀头强度的刀具的几何形状。例如，选择硬质合金（涂覆与非涂覆）、金属陶瓷、陶瓷材料、聚晶金刚石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）等最好的刀具材料；刀具几何形状方面，均采用经计算机优化了的切削刀具的几何形状，且与适应于高速高效率切削的刀具夹头相配合，同时，必须在使用前进行高精度平衡。
选用先进的刀具夹头
在高效率加工中，最经常使用的刀具夹头是液压可涨式夹头和热涨冷缩式夹头。后者具有刚性好和能传递极大力矩的能力。但存在替换速度慢和适应性（柔性）差的缺点。而液压可涨式夹头则相反，装卸方便快速，但传递力矩小，只能用于所需夹紧力不大的有色金属，例如小型铝合金零件的高效率精加工。
; F; S9 ?7 Z# Z" L: k( \4 C采用特殊的加工方法
0 M$ M8 y: Y6 n+ S+ W% t- k& m为充分发挥高效率加工的高效率优势，采取一些特殊加工方法，也是使切除率提高的重要环节。例如，该大学在试验研究中，选择在高功率的卧式加工中心上（因为它相对立式加工中心具有天然的自动排屑能力），用多刃的聚晶金刚石（PCD）或涂覆金刚石制成的（钻头与铰刀）复合式孔加工刀具加工高精度内孔；为提高生产效率，降低生产成本，使用机夹式多刃聚晶立方氮化硼（PCBN）立铣刀进行高精度的内孔加工（通过程序控制实行粗﹑精加工，进行内孔尺寸加工的调整）。 例如，在铝合金箱体零件上加工6个不同直径、范围为12mm～32mm的孔,通常的加工方法是至少使用6把钻头、6把铰刀对孔进行粗精加工。而现在，只需选用1把粗铣刀和1把精铣刀进行高效率加工，就可保证加工高精度的质量要求，并节约切削时间25%；另外，选用多刃涂覆硬质合金粗铣刀，进行大平面去除余量的大功率铣削等独具风格的特殊加工方案，都取得了良好的加工效果。
目前，这项研究还处于开始阶段，且由于是一种技术复杂涉及面广泛的系统工程，还需多方面的协作与合作，进行大量的研究工作。目前多数还只能用于需要大批量高效率加工的航空和汽车用铝合金等有色金属零件。但由于它能极好地提高制造企业的市场竞争能力，具有很好的市场前景，因而必然会得到快速发展。许多有战略眼光的企业家，都投身于高效率加工技术的开发研究。据最新资料介绍，Fadal公司为了更好地帮助用户实现高效率加工，进行了大量的试验研究工作，在他们设计生产的多种立式加工中心上都增加了旋转工作台、自动冷却系统、双臂自动换刀系统和切屑自动传输系统等，用以更好地提高生产效率，大大提高了市场竞争能力。
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