高速加工技术的发展和应用

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1、高速加工技术的发展和应用( * 材料与能源学院广东广州 * ) 摘要：论述了国内外高速加工研究的发展现状，介绍了国内外学者此方面的研究工作。对高速切削加 工的优点及应用作了归纳与分析，展望高速加工技术未来的发展方向 。关键词 ：高速切削；加工技术；未来方向ThedevelopmentandapplicationofhighspeedmachiningtechnologyHong*Abstract :Thispaperpresentstheinformationondevelopmentactualityofstudyonhighspeedcutting stabilityinalloverth

2、eworld,andthefuturedevelopmentdirectionofhighspeedmachiningtechnol ogyisalsoanalyzed.Keywords:high-speedcutting ； processingtechnology ；futuredirection1 前言 高速加工因切削力小、切屑导热快和切削效率高 等优点在当今制造业具有广阔的应用前景，其 中，高速加工关键技术研究作为高速加工技术应 用的支撑显得十分重要；然而，高速加工技术的 发展却受到加工机床技术、刀具技术和冷却液技 术等的发展制约。高速切削加工在现代机械加工 中得到越来越广泛的应用，被

3、誉为 21 世纪机械 制造业的一场技术革命。刀具材料技术和刀具制造技术的发展以及 高速电主轴在数控机床上的成功应用使得高速 加工技术在机械制造中得到广泛应用，高速切削 已经从试验研究阶段进入实际应用阶段，技术越 来越成熟，应用越来越普及。高速切削被广泛用 于加工金属材料和非金属材料工件，无论是加工 有特殊表面形状的零件还是高硬度材料的零件， 高速切削都体现出了独特的优势；同时，其在实 际应用中更强调高速加工的实用性和综合性。高 速切削(HSC)是近几年发展起来的一种集高效、 优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。高速切 削是指采用超硬材料刀具和能实现高速运动的 高精度、高自动化、柔性的设备 ,

4、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 工质量的现代制造技术。高速切削必将成为 21 世纪机械制造业一场具有深远影响的技术革命。2 发展现状国外对高速切削的研究要追溯到 20 世纪 30 年代, 德国切削物理学家 CarlSolomon 根据实验 曲线提出了高速切削的概念 , 因此被后人誉为 “高速加工之父”。但随后的 20 年, 由于世界大 战的原因, 对高速切削技术研究较少。直到 1952 年 2 月, 经过试验指出 : 高速切削条件下刀具的磨 损比普通速度减少了 95%,且几乎不受切削速度 的影响, 还推出对于常用材料 ,其理论切除效率 可提高501000倍。1976

5、年美国的 Vought 公司首次推出 1 台有 级高速铣床，该铣床采用 Bryant 内装式电机主 轴系统，最高转速达 20000r/min ，功率为 15kW。 1977 年美国宇航局和飞机制造业支持了从 1977 年开始的为期 4 年的研究项目，以研究用于加工 轻型合金材料的超高速铣削技术。美国福特 (Ford) 汽车公司与 Ingersoll 公司合作研制的 HVM80d卜式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机 床已实际用于福特公司的生产线。德国 Darmstadt 工业大学生产工程与机床研 究所(PTW)从1978年开始系统地进行大量的超高 速切削各种金属和非金属材料的切削机理研究， 为此德

6、国组织了多家企业并提供了大量的资金支持PTW的教授领导的研究工作。日本对高速切削技术的研究始于 20世纪 60 年代。田中义信利用来复枪改制的高速切削装置 实现了高速切削，并指出高速切削的切屑形成完 全是剪切作用的结果。研究发现在高速切削时， 切削热大部分被切屑带走，工件基本保持冷态。自从20世纪 80年代以来，一些高速切削车 床和加工中心陆续问世，并且逐步商品化，因此 高速切削已经应用到了某些材料的全部零件生 产过程中，基本实现了高速切削技术理论到工业 化生产的转变。我国对于高速切削技术的研究起步较晚 , 一 些高校和科研院所陆续开始对高速切削机理和 实践进行应用研究，南京航空航天大学对高速

7、切 削高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料进行 了试验研究 , 发现切削变形为集中剪切滑移，且 滑移区很窄，形成锯齿状不连续切屑，其变形机 理完全不同于连续性切屑。山东大学比较系统地 研究了 AI2O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、 切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等， 建立了有关切削力、切削温度模型及刀具磨损与 破损的理论。哈尔滨工业大学等用 PCBN刀具对 干式切削不同硬度轴承钢的切削力、切削温度、 已加工表面完整性进行了切削试验研究，发现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬 度。在临界硬度附近切削时，刀具的磨损严重 , 加工表面质量最差。天津大学和大连理工大学也 都对高速硬切削机理进

8、行了研究。 也有不少企业陆续从国外引进一些高速切削机 床进行合作研究，也取得了很大进步，但总体水 平和国际技术相比存在一定的差距，因此高速切 削技术被我国列为重点研究项目之一。3 高速切削加工的优点切削效率高在当前技术条件下，国外一般认为，HSC切 削速度是普通切削速度的510倍，钻削加工， 一般认为，是普通钻削速度的25倍。当工件或 刀具直径相同时，HSCM床主轴的最高转速便同 样是普通机床的 510倍。机床沿坐标轴直线进 给的速度,与vc或n、进给量f以及刀齿Z有关, 在其它参数不变的前提下，HSC加工直线进给的 速度将随着切削速度或主轴转速同步提高。刀具 相对于曲率半径为R的工件作轨迹运

9、动，轨迹进 给速度比普通加工进给速度提高 49倍。可以 降低切除单位体积材料的能耗，使单位功率的材 料切除率提高大约 30% 40%。. 加工质量高提高切削速度，提高进给速度而缩小走刀行 距, 可以直接提高工件尺寸和形状精度、降低表 面粗糙度。HSC切削力大约可下降30%有利于 提高薄壁工件这类刚性差的工件的加工精度。由 于切削热量主要被切屑带走，HSC加工中工件温 度上升和热变形很小，同样利于提高加工精度。 高速切削加工过程极为迅速， 95%以上的切削温 度被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不 会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削 特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔 点较低

10、、易氧化的金属（如镁），高速切削加工 具有重要意义，切削速度或主轴转速高 , 使切削 过程的激振频率很高而远离工艺系统的固有频 率, 减小了发生共振和切削自激振动的可能性 , 有利于提高被加工表面质量。扩大加工范围采用HSC能够硬切削淬硬钢工件及高效地切 削多种难加工材料如钛合金、镍基合金等。由于 工件基本不发热 , 还可以加工低熔点的镁合金材 料。HSC加工精度可与磨削媲美,工件表面质量好 不会出现磨削时容易产生的烧伤、裂纹等，也没 有电火花加工时不可避免而产生的表面变质现 象，并且没有磨削泥，对环境污染小。良好的经济性HSC机床及其它工艺装备价格昂贵，投资显 着增大。为降低加工成本，需要将

11、计算机辅助设 计/ 制造技术一体化集成应用，使新产品的开发、 设计周期与制造周期大大缩短，后者包括生产准 备、零件的机械加工、后续精整加工和装配等。 通过这一途径，新产品的开发制造全周期甚至可 以缩短40% HSC加工可以突破传统切削加工的 禁区，例如切削薄壁机身可降低民航机自重与耗 油量。简化了加工工艺流程常规铣加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必 须进行人工修整或通过放电加工解决。高速铣可 以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可省去 放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬 化问题，减少或免除人工光整加工。4 高速切削的应用近年来，高速切削加工技术以其高效、优质 的性能而广泛应用于航天、

12、航空、汽车、模具、 轴承、动力机械和机床等行业中。在采煤行业中的应用采煤机中薄壁套类零件较多，如牵引部与截 割部联接处的衬套，还有传动轴中的支承套、导 向套等部件 , 如果采用传统的加工方法 , 工序较 多且精度不能保证，效率也较低，采用高速切削 技术可减少工序数目 , 且精度、效率较高。对一 些形状较复杂、精度较高的零件，例如浮动密封 内、外环、摆线轮齿形的加工，现多采用高速加 工的方法，可以保证所需的加工精度。 在汽车制造业中的应用高速切削技术在汽车行业中被应用 , 发动机 铝合金和铸铁缸体 , 采用高速切削加工技术 , 大 大提高了效率，降低了成本。我国从德国引进的 具有 20世纪 90

13、年代中期水平的一汽大众捷达奥 迪轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线 , 其中 大量应用了高速切削加工技术。此外一些汽车公 司的自动轿车生产线上高速机床占主导地位，高 速切削加工技术发挥了重大作用。 在航空工业中的应用高速切削技术最早是在飞机制造业中得到 了成功的应用。在飞机制造业中 , 把过去通过铆 接或焊接起来的组合构件，合并成一个带有大量 薄壁和细筋的复杂零件 , 对于这类零件的制造， 金属切除量相当大，传统的切削加工费工费时， 如果采用高速切削技术正好弥补这方面的问题， 提高了效率。在模具行业中的应用近几年高速切削技术逐渐应用到了模具加 工行业中，其优越性主要体现在加工效率高及加 工质量

14、高两个方面。这对模具加工传统工艺产生 了很大的影响，改变了模具加工工艺流程。由于 模具型面一般都是十分复杂的自由曲面，并且硬 度很高，采用常规的切削加工方法难以满足精度 和形状要求。5 高速切削技术的发展趋势 高速切削技术是未来切削加工的方向之一。它依 赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件 等基础技术的出现。它自身亦存在着亟待攻克的 一系列技术问题，如刀具磨损严重，高速切削用 刀具寿命较短、刀具材料价格贵重，铣、镗等回 转刀具及主轴需要动平衡，刀具需牢靠夹持等。 高速切削技术的发展方向归纳起来主要有如下 几方面。新一代高速大功率机床的开发与研制 目前，大多数高速切削机床的结构是串联开链结

15、 构，组成环节多、结构复杂，并且由于存在悬臂 部件和环节间的间隙，不容易获得高的总体刚 度，难以适应高速切削加工进一步发展的要求。 为解决上述问题，需开发适于高速切削加工的新 一代数控加工中心，在基础理论和关键技术方面 进行系统的研究；发展小质量、大功率、高转速 的电主轴；研制适合于高速加工中心的高速高精 度数控系统；开发快速进给系统等技术。高速切削动态特性及稳定性的研究 高速切削机床的动态特性对加工稳定性影响巨 大，应尽快开展机床结构、控制方法、切削加工 参数、刀具切入切出等对机床动态特性影响及动 态特性对刀具寿命和工件加工质量影响的研究， 为合理选择切削参数，减少振动提供理论依据。 高速切

16、削机理的深入研究 目前对高速切削机理的研究不够深入，难以为合 理工艺规范制订及刀具设计制造提供充分的理 论依据通过高速切削实验，研究高速切削切屑 变形机理以及切削力、切削温度、刀具磨损和破 损等的变化规律，研究切削加工参数对加工效 率、工件加工表面完整性、加工精度等的影响规 律。新一代刀具材料的研制及结构的研究 虽然刀具材料（如陶瓷刀具和立方氮化硼刀具） 可以抗高速切削时的高温，但常因抵抗不了高速 切削加工时的热震而损坏。因此，研究开发新一 代既耐高速切削时的临界温度值又耐高热震冲 击的刀具材料是非常迫切且关键的问题。为推广 高速切削加工技术，应开展刀具动平衡试验研 究，进行刀具结构CADS计、优化设计和安全可 靠性设计，实现高速切削刀具的系列化、 标准化。 开发高速切削加工状态的监控技术开发适于对高速切削加工切削力、切削熟、 刀具状态及工件加工质