高速加工技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

李丙才，張宏良

(蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050)

高速加工技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

李丙才，張宏良

(蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050)

摘要：在概括總結(jié)了高速加工技術(shù)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了高速加工各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)從高速加工技術(shù)的機(jī)床制造、刀具材料和刀具制備以及高速切削的冷卻與潤(rùn)滑等方面論述了高速加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，總結(jié)了高速加工技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的難題，最后指出了高速加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及其存在的技術(shù)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高速加工；關(guān)鍵技術(shù)；刀具

高速加工因切削力小、切屑導(dǎo)熱快和切削效率高等優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)今制造業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，其中，高速加工關(guān)鍵技術(shù)研究作為高速加工技術(shù)應(yīng)用的支撐顯得十分重要；然而，高速加工技術(shù)的發(fā)展卻受到加工機(jī)床技術(shù)、刀具技術(shù)和冷卻液技術(shù)等的發(fā)展制約。高速切削加工在現(xiàn)代機(jī)械加工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的一場(chǎng)技術(shù)革命[1]。

刀具材料技術(shù)和刀具制造技術(shù)的發(fā)展以及高速電主軸在數(shù)控機(jī)床上的成功應(yīng)用使得高速加工技術(shù)在機(jī)械制造中得到廣泛應(yīng)用，高速切削已經(jīng)從試驗(yàn)研究階段進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用越來(lái)越普及。高速切削被廣泛用于加工金屬材料和非金屬材料工件，無(wú)論是加工有特殊表面形狀的零件還是高硬度材料的零件，高速切削都體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，其在實(shí)際應(yīng)用中更強(qiáng)調(diào)高速加工的實(shí)用性和綜合性。

1高速加工技術(shù)

1.1高速加工的概念

高速加工是指采用超硬材料刀具，利用能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化和高柔性的制造設(shè)備來(lái)提高切削速度，從而達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量目的的先進(jìn)加工技術(shù)。高速加工是采用高主軸轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給率和小背吃刀量的加工技術(shù)，高速性主要體現(xiàn)在主軸的高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給率方面。

高速加工中，不同的加工材料和不同的切削方式對(duì)應(yīng)著不同的切削速度。高速切削鋁合金時(shí)，切削的速度范圍是2 000～7 500 m/min；高速切削普通鋼時(shí)，切削的速度范圍是600～800 m/min；高速切削的速度范圍是700～7 000 m/min；高速鉆削的速度范圍是200～1 100 m/min；高速磨削的速度范圍是150～360 m/min[2]。通常把切削速度超過(guò)傳統(tǒng)加工速度5～10倍的切削加工稱(chēng)為高速加工[3]。

1.2高速加工的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)切削相比較，高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)如下[4-6]：1)加工效率提高，高速切削時(shí)工件材料的切除率比傳統(tǒng)切削高3～6倍；2)切削力小，小背吃刀量高速切削時(shí)切削力降低30%；3)工件接受熱量少，高速切削時(shí)切屑帶走大量的切削熱，只有少部分傳給工件；4)加工精度高，表面質(zhì)量好；5)高速切削加工過(guò)程平穩(wěn)，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量；6)能加工各種難加工材料，例如鎳基合金和鈦合金。

2高速加工關(guān)鍵技術(shù)

2.1高速主軸單元制造技術(shù)

高速加工技術(shù)的核心是高速切削，因此高轉(zhuǎn)速的主軸是高速加工機(jī)床的關(guān)鍵部件[7-8]。高速電主軸是為了適應(yīng)高速切削而發(fā)展起來(lái)的新機(jī)床功能部件，其最高轉(zhuǎn)速為180 000 r/min，電主軸的高轉(zhuǎn)速要求其具有高的剛度及高的回轉(zhuǎn)精度，以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和振動(dòng)。電主軸的設(shè)計(jì)與制造中多采用先進(jìn)的軸承及可靠的軸承冷卻與潤(rùn)滑技術(shù)，以保證電主軸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)和電主軸系統(tǒng)的溫度平衡。

高速電主軸采用的軸承主要有陶瓷球軸承、靜壓軸承、動(dòng)靜壓軸承、氣浮軸承和磁懸浮軸承。陶瓷球軸承采用硬度高且質(zhì)量小的陶瓷滾珠，使軸承的離心力和磨損減小，提高了軸承的使用壽命；氣浮軸承和磁懸浮軸承可以滿(mǎn)足高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)要求，其高速性能好、精度高；靜壓軸承因其非接觸式的結(jié)構(gòu)而使得磨損小，回轉(zhuǎn)精度高；動(dòng)靜壓軸承較好地結(jié)合了動(dòng)壓軸承與靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速加工機(jī)床。目前，動(dòng)靜壓軸承技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外高速加工機(jī)床中被大量運(yùn)用[9]。

2.2高速加工進(jìn)給系統(tǒng)

高速進(jìn)給系統(tǒng)是高速加工機(jī)床切削運(yùn)動(dòng)快速響應(yīng)的必要條件，為了實(shí)現(xiàn)高速切削時(shí)的瞬時(shí)高速進(jìn)給和準(zhǔn)確停止，進(jìn)給系統(tǒng)的加速度要滿(mǎn)足需要。高速進(jìn)給系統(tǒng)采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)取消了變速和傳動(dòng)部件，輸入電能直接輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)精度高。高速加工機(jī)床多采用交流直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，交流直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)有永磁式和感應(yīng)式2種，其中永磁式直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，維護(hù)成本高，限制了其在高速加工中的應(yīng)用；感應(yīng)式直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)便于安裝和維護(hù)，在高速加工機(jī)床上的應(yīng)用已得到滿(mǎn)意的效果。高速加工控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度要與硬件系統(tǒng)相適應(yīng)，這樣才能更好地發(fā)揮高速機(jī)床的速度優(yōu)勢(shì)。

2.3高速加工刀具

高速切削加工技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，為了滿(mǎn)足生產(chǎn)中難加工材料的加工要求，對(duì)刀具技術(shù)的要求越來(lái)越高，刀具需滿(mǎn)足高速切削、干式切削、高進(jìn)給切削、大余量切削和高效復(fù)合切削等高速高效加工方式的要求[10]。

高速加工技術(shù)和刀具技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的，刀具技術(shù)的發(fā)展總是要滿(mǎn)足高速切削技術(shù)發(fā)展的要求，同時(shí)也制約著高速切削技術(shù)的應(yīng)用。目前與高速切削技術(shù)相適應(yīng)的刀具有：硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和金剛石刀具等[11]。為了適應(yīng)被加工材料的切削速度范圍，可以針對(duì)不同的被加工材料選用能夠滿(mǎn)足其切削速度的材料來(lái)做刀具。

難加工材料的粗加工常采用碳化鎢基硬質(zhì)合金刀具；碳化鈦基硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)度低，有沖擊和振動(dòng)的切削會(huì)破壞刀具；涂層刀具主要用于精加工；陶瓷刀具硬度高且耐高溫，可以高速切削高硬的難加工材料；金剛石刀具用來(lái)切削非金屬材料；受立方氮化硼制造技術(shù)的限制，立方氮化硼主要用于制作磨料和磨具。

高速切削加工需要考慮刀具材料和工件材料物理、化學(xué)性能的配合，同時(shí)也要考慮工藝條件的限制，既要根據(jù)工件材料選定刀具材料和切削參數(shù)，也要提高刀具裝夾的精度、可靠性及選用優(yōu)良的刀具、刀柄技術(shù)等[12]。研究和制造高速切削用刀具系統(tǒng)是高速加工技術(shù)大量生產(chǎn)與應(yīng)用的前提。

2.4高速加工機(jī)床的支承制造技術(shù)

高速切削時(shí)電主軸的高速旋轉(zhuǎn)以及工件和刀具系統(tǒng)的大加速度運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，機(jī)床床身要有足夠的剛度和阻尼來(lái)消除其影響。為保證高速切削的穩(wěn)定性，要求機(jī)床結(jié)構(gòu)具有很好的動(dòng)、靜態(tài)特性。在高速加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件制造中，采用鈦合金、鋁合金或復(fù)合材料可以減小運(yùn)動(dòng)動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

高精度的高速切削對(duì)機(jī)床溫度場(chǎng)有很高的要求，機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的熱量保持平衡，也要考慮外部熱源對(duì)機(jī)床的作用。對(duì)機(jī)床各系統(tǒng)的冷卻是高速加工機(jī)床應(yīng)考慮的問(wèn)題，對(duì)于切削刀具，需采用與切削工藝相適應(yīng)的冷卻液進(jìn)行散熱。

2.5高速加工冷卻潤(rùn)滑技術(shù)

相對(duì)傳統(tǒng)的切削速度，高速切削產(chǎn)生的熱量很大比例被切屑帶走，但是切削速度的提高使單位時(shí)間內(nèi)總體的切削熱量增加，采用合理的冷卻潤(rùn)滑方式可以提高刀具耐用度和工件的表面加工質(zhì)量。

傳統(tǒng)的外冷卻方式采用噴嘴噴射冷卻液進(jìn)行冷卻，噴嘴對(duì)刀具和工件的噴射角度及噴射距離要求嚴(yán)格。帶有噴射內(nèi)孔刀具的高速切削的冷卻更加有效，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和對(duì)機(jī)床、刀具系統(tǒng)的要求高。氣體射流冷卻在高速加工中更有利于冷卻和排屑，在高速切削中采用油氣、油霧和水蒸汽等混合液冷卻可以得到更好的冷卻、潤(rùn)滑與排屑效果。工件材料、刀具材料、切削參數(shù)、相應(yīng)冷卻液的采用以及冷卻潤(rùn)滑方式之間的合理搭配是解決高速切削冷卻潤(rùn)滑的有效途徑。

3高速加工的應(yīng)用

3.1高速加工在模具制造業(yè)中的應(yīng)用

隨著高速加工機(jī)床、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、高速切削刀具系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，高速加工技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于模具的制造加工當(dāng)中[13]。

模具制造在現(xiàn)代制造中所占比例逐步上升，模具的高速加工可以提高加工效率，模具材料多為高硬度的難加工材料，這讓高速切削得以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。可以切削高硬材料的刀具及快速響應(yīng)的數(shù)控加工技術(shù)使高速加工技術(shù)在模具加工應(yīng)用中表現(xiàn)出高速和高效。

現(xiàn)代模具的外表面中自由曲面所占比例不斷上升且模具對(duì)表面精度要求較高，自由曲面的高速切削加工對(duì)高速切削機(jī)床、CAD/CAM軟件和數(shù)控系統(tǒng)都提出了更高的要求。合理規(guī)劃刀位路徑可以減少機(jī)床的加、減速頻率，提高曲面高速切削的精度和效率。

3.2高速加工在航空制造業(yè)中的應(yīng)用

高速切削技術(shù)具有加工效率高、切削負(fù)荷低、傳入工件的切削熱少及加工變形小等顯著優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)90年代中期已成功應(yīng)用于航空制造業(yè)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[14-16]。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中有很多薄壁件，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生加工變形。飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其加工余量大。結(jié)構(gòu)件的尺寸精度和表面粗糙度要求高，高速切削加工飛機(jī)薄壁零件有助于降低切削力，減小加工變形，提高加工精度和加工效率。高速切削時(shí)切屑排出速度塊，切屑可帶走大部分切削熱，使散熱效率提高，減小了工件表面的切削熱。

4結(jié)語(yǔ)

高速加工主要用于切削速度高和工件切除率相對(duì)低的機(jī)械加工，高速加工機(jī)床是高速切削技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體。在機(jī)床設(shè)計(jì)和刀具耐用度提高的基礎(chǔ)上，配合高速加工技術(shù)的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步降低加工成本。高速切削以更高的切削速度和更小的切削力使機(jī)械加工能夠直接得到理想的表面質(zhì)量，因其切削力減小，使得薄壁類(lèi)零件的加工質(zhì)量得到保障。高速加工復(fù)雜曲面時(shí)，合理地規(guī)劃刀具路徑，保證恒定的高速切削速度，可以得到更好的加工質(zhì)量。

高速加工技術(shù)的高速特點(diǎn)對(duì)高速加工機(jī)床提出了在足夠剛度條件下盡可能減小機(jī)床質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，研發(fā)和采用新型材料能很好地達(dá)到上述目標(biāo)。支承電主軸的軸承應(yīng)與電主軸更合理地搭配，同時(shí)采用噴油可更好地潤(rùn)滑軸承。開(kāi)發(fā)高耐用度刀具的同時(shí)，運(yùn)用CAM技術(shù)合理規(guī)劃刀位路徑，改善加工工藝，也是獲得高速切削的途徑。

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責(zé)任編輯李思文

High Speed Machining Technique and Recent Progress of It’s Application

LI Bingcai, ZHANG Hongliang

(Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract:On the basis of summarizing the key technology of high-speed machining, analyzed the application and development of key technologies on high-speed machining, discussed the application and development in high-speed machining technologies which includes manufacturer of high-speed machine, the material of cutting tools and the manufacturer of cutting tools, the coolant and lubrication of cutting tool, and summarized the application status and problems of high-speed machining technologies on manufacturing sector. Finally, the technical difficulties and the development trend of high-speed machining technology were proposed.

Key words:high-speed machining, key technologies, cutting tools.

收稿日期：2014-05-21

作者簡(jiǎn)介：李丙才(1961-)，男，研究員，主要從事數(shù)控技術(shù)等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 506.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A