第三章 3.7 超高速加工技术

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1、3.7 超高速加工技术,华北电力大学机械工程系 花广如,3.7 超高速加工技术,3.7.1 概述 3.7.1.1 超高速加工技术内涵、范围及技术地位 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。 它是提高切削和磨削效果以及提高加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。,超高速加工的切削速度范围因不同的加工材料、不同切削方式而异，目前尚无确切的定义。一般认为，超高速加工各种材料的切削速度范围为：铝合金已达到20007500m/min;铸铁为9005000m/m

2、in;钢为6003000m/min。各种制造加工工序的切削速度范围为：车削为7007000m/min;铣削为3006000m/min;钻削为2001100m/min;磨削为150m/s以上。 超高速加工技术从发展趋势来看，到21世纪初可实现超高速加工的材料将覆盖大多数工程材料，可加工各种表面形状的零件，可由毛坯一次加工成成品，并实现精密甚至超精密加工。,3.7.1.2 超高速加工技术的发展现状及应用,近30年来，世界工业发达国家不断努力地把高速和超高速加工技术应用于生产，取得了巨大的经济效益和社会效益。 1.超高速切削技术的发展现状 工业发达国家对超高速切削加工的研究起步早，水平高。在此项技术

3、中，处于领先地位的主要有德国、日本、美国和意大利等国家。 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，主轴工业应用转速尚未突10000rmin，快速进给速度在30mmin以下。,1 产生背景,泰勒(Frederick Taylor)是最早研究切削理论的学者之一，早在一个世纪之前提出了著名的泰勒公式，被成为“金属切削奠基人”。 20世纪上半叶，一些研究者发现，随着切削速度的提高，刀具磨损加快，但切削速度大幅度提高后，又可以正常切削。对泰勒公式提出质疑。,19241931，德国切削物理学家萨洛蒙进行

4、了一系列高速切削试验，于1931年提出了超高速切削理论并申请了专利。 萨洛蒙指出：在常规切削速度范围内（A区），切削温度 随切削速度增大而提高，但当切削速度增大到一定值vc之后，切削速度再增加时，温度反而降低；vc与材料有关；对每种材料，存在一个“死谷”，图中B区，此范围内温度太高以致任何刀具无法承受。,但如能越过此谷，是否可进行超高速切削？,此后，美国，德国，日本的研究小组都对超高速切削进行了深入的研究，使超高速切削理论日趋成熟。 美国：Vaughan指出：随着速度提高，塑性材料的切屑形态从带状，片状向碎屑状演变；初期切削力呈上升趋势，而后急剧下降；超高速条件下刀具磨损减少95，且不受切削速

5、度的影响。,日本：Y.Tanaka研究发现在超高速切削时，绝大部分切削热被切屑带走，工件基本保持了冷态。 德国：得到了国家技术研究部的鼎力支持，发展最为广泛，研究最为成熟，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国得到广泛应用。,目前世界尚无统一标准：一般把切削速度比常规切削高出5倍到10倍的切削加工叫做超高速切削。,优越性： 1 加工时间大大缩短，提高了加工效率和设备利用率，缩短了生产周期 2 超高速切削力降低30以上，减少了工件变形，提高了精度，通时延长了刀具寿命。 3 减少了热变形和内应力，提高精度。 4 加工更平稳,2.高速和超高速磨削技术的发展现状 在高速和超高速磨削技术方面，为了提高

6、磨削效率，人们开发了高速磨削、超高速磨削、深切缓进给磨削、高效深切快进给磨削（HEDG）等许多高速高效磨削技术，这些技术在近20年来得到长足的发展及应用。 国内50ms高速磨削研究起始于1958年，近20年来其发展十分缓慢，目前工业应用的砂轮速度一般还是4560ms，未能超过80ms 。,超高速切削目前主要用于以下几个领域： (1)大批生产领域如汽车工业，如美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制HVM800卧式加工中心已实际用于福特公司的生产线。 (2)工件本身刚度不足的加工领域，如航空航天工业产品，目前采用超高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚度仅为1mm。 (3)加工复杂曲面领域，如

7、模具工具制造。 (4)难加工材料领域，如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为：加工航空航天铝合金2438mmin (5)超精密微细切削加工领域,实现超高速加工技术的核心关键技术主要有： 超高速切削、磨削机理 超高速主轴单元制造技术 超高速进给单元制造技术 超高速加工用刀具、磨具 超高速机床支承及辅助单元制造技术 超高速加工测试技术,3.7.1.3 超高速加工技术关键技术,3.7.2 超高速切削、磨削机理,超高速加工技术的理论研究可追溯到20世纪30年代，即1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙发表的著名的超高速切削理论，即人们常提及的“萨洛蒙曲线”，超高速切削概念可用下图示意。萨洛

8、蒙指出：在常规的切削速度范围内(见A区)，切削温度随切削速度的增大而提高，但是，当切削速度增大到某一数值v，之后，切削速度再增加，切削温度反而降低；v：之值与工件材料的种类有关，对每种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内(见B区)，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，这个范围被称之为“死谷” (deadvally)。,切削温度是指刀具表面与工件和切屑接触处的平均温度 。 被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑

9、与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。 切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高。,萨洛蒙的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”而在超高速区(见C区)进行工作，则有可能用现有刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成功地提高机床的生产率。 一系列超高速切削实验表明，在通过提高切削速度来降低机加工时间同时还具有一系列优点如：单位时间材料切除量大大提高；切削力可降低30左右，基于此可利用超高速切削来加工薄壁类零件：超高速切削特别适合那些对温度十分敏感的零件的加工；由

10、于机床结构改善和超高速切削激振频率提高，使激振频率远离机床固有频率，有利于加工表面质量提高；刀具耐用度提高70左右，加工成本降低。,在超高速磨削机理研究方面，“萨洛蒙曲线”也有重要的启示意义。较低磨除率下，随砂轮速度的增加，磨削力降低不多几乎成线性，但在高磨除率下，随砂轮速度的增大，在100ms前后的某区间内出现陡降，使之降低50，且随效率的提高这种趋势就愈明显 。,373 超高速主轴单元制造技术,超高速加工技术的一个最根本最核心的特点和技术就是实现超高速的切削速度或砂轮线速度，因此超高速主轴单元是超高速加工机床最关键部件。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。 超高速主

11、轴单元制造技术所涉及关键技术有；超高速主轴材料、结构、轴承的研究与开发，超高速主轴系统动态特性及热态特性研究，柔性主轴及其轴承的弹性支承技术的研究，超高速主轴系统的润滑与冷却技术研究，以及超高速主轴系统的多目标优化设计、虚拟设计技术研究等。,3.7.4 超高速加工进给单元制造技术,超高速进给单元技术范围包括进给伺服驱动技术、滚动元件技术、监测单元技术和其他周边技术如防尘、防屑、降噪声、冷却润滑及安全技术。 具体所涉及的关键技术有：高速位置环芯片的研制，高速精密交流伺服系统及电机的研究，直线伺服电机的设计与应用的研究，加减速控制技术的研究，超高速进给系统的优化设计技术、虚拟设计技术，高速精密滚珠

12、丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研制，高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究，以及新型导轨防护罩的结构与加工工艺研究等。,3.7.5超高速加工刀具、磨具,超高速加工用刀具、磨具主要指超高速铣削用刀具和超高速磨削用砂轮。 在影响金属切削发展的诸因素中，刀具材料及刀具(磨具)制造技术起着决定的作用，并推动超高速加工实用化。超硬刀具和磨具是超高速加工技术最主要的刀具材料，主要有聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)。 金刚石材料的化学成分是碳, 它与铁系有亲和力, 切削过程中, 金刚石的导热性优越, 散热快, 但是要注意切削热不宜高于700, 否则会发生石墨化现象, 工具会很快磨损。因为金刚石在高温下

13、和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt 等会发生反应, 与黑色金属( 铁碳合金) 在加工中会发生化学磨损,所以, 金刚石只能用于加工有色金属和非金属材料上, 不能用于加工黑色金属。 聚晶立方氮化硼( PCBN) 是目前硬度仅次于金刚石的刀具材料, 有很好的化学稳定性, 不会和铁系材料产生亲和现象, 即使在1000的高温下, 切削黑色金属也完全能胜任, 因此可以用于加工那些不能用金刚石刀具加工的铁系金属材料, 如钛合金、碳钢、高速钢、工具钢、模具钢、合金结构钢、铸铁、淬硬钢等。这两种材料的同时存在, 起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工, 对整个切削加

14、工领域极为有利。 另外， 对于超高速切削用刀具，其几何结构设计和刀具的装夹结构是非常重要的。,3.7.6超高速加工机床支承及辅助单元制造技术,超高速加工机床的支承及辅助单元制造技术是指超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、拖板、刀架等制造技术以及有关超高速加工的辅助单元制造技术。 其涉及的关键技术主要有；新型材料及结构的支承构件设计制造技术，快速刀具磨具自动交换和快速工件装夹自动交换技术，切削磨削液及其供液过滤系统的研究，超高速主轴和刀具磨具总成后的动平衡技术，安全防护装置设计制造技术以及超高速加工中干切削干磨削加工技术的研究等。,实践证明，超高速机床运转时，铸铁材料已不能

15、作支承基础，而要改用人造花岗岩作机床基础支承件。这种材料是用大小不等的石英岩颗粒作填料，用热固性树脂做粘结剂，在模型中浇铸后通过聚合反应成型，并采用预埋金属构件的方法，形成导轨和连接面。这种材料的阻尼特性为铸铁的7l0倍，比重只有铸铁的13。,3.7.7超高速加工测试技术,超高速加工测试技术主要指在超高速加工过程中通过传感、分析、信号处理等，对超高速机床及系统的状态进行实时在线的监测和控制。 超高速加工测试技术所涉及的关键技术主要有： 基于监控参数的在线检测技术 超高速加工的多传感信息融合检测技术 超高速加工机床中各单元系统功能部件的测 试技术 超高速加工中工件状态的测试技术以及超高 速加工中

16、自适应控制技术及智能控制技术等,关 键 技 术,3.7.8超高速切削加工技术的发展趋势展望,超高速切削加工是切削加工发展的方向，在21世纪必将成为切削加工的主流。作为先进制造技术的一项全新的共性实用技术，超高速切削加工技术将继续克服当前存在的某些技术障碍，得到更快的发展，主要有： 1)在超高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高转速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速高精度的数控系统的新型加工中心将会进一步快速发展。 2)PCD、CBN陶瓷刀具、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等作为超高速切削刀具材料仍将起主导作用，并且日益广泛应用。,3)加工范围将扩大，将从铝合金超高速加工扩大到钢材的超高速加工，解决钢件超高速加工存在的技术难题。 4)将从湿切削走向干切削，解决超高速加工使用大量冷却液造成的污染，并进一步研究开发出适合于干切削的新型刀具，研究开发干切削加工中心。,