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1、高速切削技术 摘要：简述高速切削技术的优越性，为什么在航空制造业得到较成功的应用，并举例说明高速切削技术在航空制造业中的应用，另外解释HSK刀具系统为什么能适应高速切削要求关键词：高速切削技术，航空制造业，HSK刀具1、高速切削技术高速切削技术是指在比常规切削速度高出很多的情况下进行的切削加工，有时也称为超高速切削（Ultra-High Speed Machining）。以高切削速度、高进给速度、高加工精度和优良的加工表面质量为主要特征的高速切削加工技术具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势，已在航空航天、模具加工、汽车制造等行业得到了广泛应用，加工对象包括铝镁合金、钢、铸铁、超级合金
2、及碳纤维增强塑料等材料。机床的高速化已成为机械制造业中不可阻挡的发展潮流，如果说数控机床的产生是机床发展的一次革命，那么高速机床的应用则是现代机床工业的第二次革命。高速切削理论是二十世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。其理论简言之就是认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后，切削温度不再随切削速度的增加而增加，反而会随切削速度的增加而降低，即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。该理论经过几十年的研究与应用，已逐渐成为现代高效切削加工的趋势和发展方向。80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应
3、用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。 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。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
4、系列极其苛刻条件下的加工)，确是非常有利的。 真正意义上的高效加工应该是切削加工中加工零件的质量与生产效率的共同提高1.1高速切削优越性主要有以下几方面：1）由于高速切削速度，单位时间内的材料切除率（切削速度、进给量和背吃刀量的乘积，v*f*ap）增加，切削加工时间减少，机床生产率大幅度提高，加工成本降低。2）在高速切削速度范围内，切削力降低，减少了切削变形引起的加工误差，有利于薄壁件或刚性差零件的切削加工。这一点尤其适合于航空薄壁铝合金结构件的切削加工。3）高速切削时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热。切削速度提高愈大，带走的热量愈多（大约90%以上），传给工件的热量大幅减少，有利于减
5、少加工零件的内力和热变形，提高加工精度。4）工作平稳，振动小，零件的加工表面质量高。原因有两个方面：高速切削时，机床的激振频率高，远离了工艺系统的固有频率，避免了颤振;切削力是切削过程中的主要激励源，高速切削力降低，使得激励源减小。5）可以加工各种难加工材料（例如镍基合金和钛基合金、高强韧高硬度合金钢、超耐热不锈钢）。这类材料强度大，硬度高，耐冲击，加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。虽然高速机床的价格高于普通速度的机床，但综合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。1.2在航空制造业的应用1.2.1较成功应用的原因高速切削技术在航空制造业得到较成功的应用，主要有以下几个原因： 1）为最大限度
6、的减重和其他一些要求，许多构件，壁板采用“整体制造法”，即在大块毛坯上去除余量，形成薄壁，细筋结构的零件，需要去除大量金属材料，导致切削时间占用零件总生产时间比例大，因此提高生产率的途径之一就是采用高速切削加工。 2）飞机零件的结构复杂，精度高，零件的细筋，薄壁结构刚度差，要尽量减少加工中的径向切削力和热变形，只有采用高速切削加工才能满足这些要求。 3）难加工材料，如镍基高温合金，钛合金，高强度结构钢被现代航空产品大量采用，这些材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高。刀具磨损严重，属于难加工材料。以前一般采用很低的切削速度，或采用放电加工和磨削加工。如采用高速切削，则不但可大幅
7、度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。1.2.2应用举例 高速切削技术在航空制造业中的应用主要是整体结构件的切削加工呀钛合金等高温合金材料的加工。由于航空航天器上的零件对于重量要求比较苛刻，同时也出于提高可靠性和降低成本考虑，将原来由多于钣金件铆接或焊接而成的组件，改为整体结构件。整体结构件即由大型整块毛坯直接“掏空”加工而成，由复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等要素构成的结构件，例如飞机的大梁、隔框、壁板;火箭的整流罩、舱体和战略武器战斗壳体等。直接由毛坯“掏空”而加工成零件的方法被称为整体制造法。显然，整体制造法的切削工时占整个零件制造总工时的最大比例，切削效率直接关
8、系整个零件的制造效率。整体结构零件的基本特点是结构简洁、薄壁、尺寸大、加工余量大、相对刚度较低，加工工艺性差，易发生加工变形，不易控制加工精度。普通的切削速度.高效切削在航空发动机制造业上的应用1)航空发动机制造业的特点和现状航空发动机的零部件材料很大一部分是Ni基高温合金，属于难加工材料中很难加工的材料，且大部分零件的加工为车削加工，其相对切削性能小于0.2(正火状态45#钢的相对加工性能为1)。其难加工的主要特点为： 切削力大。高温合金的切削力为中碳钢的两倍以上。 切削温度高。切削高温合金时，由于变形抗力大，刀面与切屑和工件间的摩擦剧烈，单位切削功率大，消耗的功率多。 刀具磨损剧烈。其原因
9、仍然是切削温度高，材料硬度高，粘结磨损严重，易产生积屑瘤和棱刺。由于以上的诸多原因，目前国内加工高温合金的现状是切削速度低，普遍在35m/min左右，进给量低，为0.05-0.2mm/r，造成切削加工效率极低，且刀具磨损仍然严重。 如何提高加工效率，将高效切削引入到航空发动机行业的加工中，是很多人长时间来一直在探讨和研究的问题。 2)高温合金高效切削的研究刀具结构及材料的选择在高温合金的加工中十分重要。 刀片材料要求具有很高的抗氧化性、红硬性、耐磨性；选择纯W-Go合金，如株洲钻石切削刀具股份有限公司的YD101(YT类硬质合金抗弯强度及导热性较纯W-Go合金差，同时为了避免硬质合金材料中Ti
10、与高温合金材料中Ti相互扩散)，YBG102涂层厚度很薄，仅0.0020.004mm，抗粘结能力强，适合高温合金材料的高效率加工。 另外，由切削实验可以看到，用同一种槽型的刀片加工镍基高温合金比加工45钢的切削力要大得多。同时，我们还可以看到，加工镍基高温合金时，采用不同的刀片槽型可以获得不同的切削力。刀片槽型在整个切削过程中极为重要，涉及到断屑、导屑、排屑的顺畅，还涉及到有效克服加工硬化，尽可能减小切削阻力，以及有意识地控制各类磨损的扩大，延长刀具寿命，提高工件表面质量，和提高切削速度等。因此，要求加工高温合金的刀片槽型具有坚固而锋利的刀片刀尖、光滑的前刀面，在精加工产品中还须有合理的刃倾角
11、；还需选择合理的机体材质与涂层，还有合理的表面处理与刃口处理。 配套设施应选择功率大、刚性好的机床，使用冷却效果好的切削液，推荐选用极压切削液，不含硫。 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。尤其的高温合金的切削时，过于靠提高切削速度，来提高加工效率，显然是不现实的，它既会大大增加刀具消耗成本，同时甚至根本无法完成加工程序。此时不要忽视在中等切削速度下加大进给量的加工方案，这是由大量切削实践得出的结论。 高温合金在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。由于高速切削时切屑状态的单元化，难加工材料Ni基高温合
12、金的加工完全有可能在现有切削速度下实现高速化。难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速高精度CNC机床的出现，以及高速切削方式的引进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。 在进一步的切削实验中，我们发现在同一切削速度(v=80m/min)不同进给量下的切屑状况：可见，在同一切削速度下，随着进给量的增大，切屑形成分离的单元切屑的趋势越明显。
13、那么，在何种切削速度下，切削加工能达到最佳效率，且刀具的成本能降到最低？我们再看在不同切削速度下的刀具磨损状况： 实验材料：国产高合4133，切削性能更低于进口材料incon718。由大量的切削实验得知，在高温合金的车削加工中，当切削速度达到80-100m/min时，YBG102涂层刀片的性能完全能满足加工要求，并使刀具寿命及工件状态达到最佳。当切削速度大于120m/min时，由于刀具磨损过快，已经失去了加工的意义。 要提高生产效率，就必须提高切除率。由切削原理可知，金属切削中的切除率与切削速度进给量和切削深度有着密切的关系。 切除率 V=1000*ap*fn*v (mm3/min) 可见切除
14、率与切削速度进给量和切削深度存在着简单的线性递增关系，但简单的追求高的切除率，在实际加工应用中是不成立的，因为在目前的刀具条件下，是不能采用过高的切削速度进给量和切削深度的。因此，实际意义上的高效加工必须是高的切除率和高的切除量的最佳结合。切除量 Q=1000*ap*fn*v*T (mm3) =V*T (mm3)T加工时间，即刀具寿命。大量的切削实验表明，国产YBG102在高温合金的的车削加工时，最大切除量为40000-45000mm3/刃,由此可以根据实际加工的需要，依照以上关系，合理安排切削速度进给量和切削深度。其中进给量取值在0.1-0.4mm/r，切削速度可达80-100m/min。2
15、、高速加工工具系统机床工具系统主要是指机床主轴与刀具的连接系统，它包括主轴、刀柄、刀具和夹紧机构等，其核心是连接刀柄。高速加工工具系统除了保证刀具在准确定位之外，还要求在高速加工时保持位置不变，同时能传递高速加工中所需的运动和动力。与普通机床工具系统相比，高速加工工具系统应满足如下要求。1）定位精度。高速加工对刀柄在主轴中的定位精度比普通加工要求高。一方面，刀柄的定位精度直接影响刀具的位置精度，从而影响零件的加工质量;另一方面，刀柄的定位精度对加工系统的动平衡精度产生影响，高速加工对加工系统的动平衡精度要求很高。刀柄定位精度包括径向定位精度和轴向定位精度。2）动力传递能力。切削加工时刀具受到各
16、种力的作用，这些力包括径向力、轴向力、弯矩等。3）传递高速运动的能力。普通切削加工时离心力较小，可以忽略离心力引起的零部件的变形对其功能的影响。4）高刚度和阻尼特性。工具系统在传递和承受各种力的作用时将产生变形，将使加工过程中刀具的位置发生变化，影响零件的加工精度和表面质量，缩短刀具的使用寿命，因此高速加工工具系统应具有高刚度的特性。5）介质的传递能力。精密、高效、自动化是现代加工技术的重要特征。精密、高效的切削加工对切削液的依赖程度越来越高，而加工过程自动化离不开加工过程中各种信号的传递与控制。除应满足上述基本功能要求外，高速加工工具系统还要具有抗化学腐蚀能力、热变形补偿能力、抗污能力、过载保护能力以及便于换刀和调整等。2.1 HSK刀具系统HSK刀柄是一种新型的高速锥形刀柄，与机床主轴的接口
