高速切削加工技術(shù)及其應(yīng)用探討

摘要：近年來，隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，高速切削技術(shù)已經(jīng)成為切削加工的主流和先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。高速切削與常規(guī)切削相比，是一種新近產(chǎn)生的、具有創(chuàng)新成分的加工工藝，在加工理念上是一個(gè)巨大突破。文章主要分析了高度切削加工技術(shù)，指出其在具體生活實(shí)踐中的應(yīng)用，以期對相關(guān)工作人員有所啟發(fā)和幫助。

關(guān)鍵詞：高速切削；加工技術(shù)； 機(jī)械加工技術(shù)；應(yīng)用探討 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG506 文章編號：1009-2374（2015）24-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.023

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)械技工技術(shù)也在不斷成熟，機(jī)械加工技術(shù)不僅效率高、精度高，并且柔性高，在綠色制造中的應(yīng)用越來越廣。切削加工技術(shù)是機(jī)械加工中的重要技術(shù)之一，應(yīng)用范圍最廣，近年來，高速切削技術(shù)迎來新的發(fā)展機(jī)遇期，在關(guān)鍵技術(shù)上有所突破。目前，高速切削技術(shù)在航空航天以及模具生產(chǎn)領(lǐng)域、汽車制造等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，并且取得了經(jīng)濟(jì)效益。

1 高速切削加工技術(shù)概述

1.1 高速切削的內(nèi)涵

我國學(xué)術(shù)界對高速切削至今還沒有一致的概念界定，高速切削的說法是相對于常規(guī)切削而言的，它通常比常規(guī)切削在速度和進(jìn)給速度上高大約5～10倍，人們通常將這種切削技術(shù)稱為高速切削技術(shù)。當(dāng)然還有其他定義，例如，有人認(rèn)為當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘一萬至六萬轉(zhuǎn)，進(jìn)給速度達(dá)到每分鐘40米時(shí)即為高速切削。面對不同的切削加工材料，材料不同所對應(yīng)的切削加工速度也不相同，通常情況下，高速切削加工線速度的單位為米/每分鐘，例如，對鋼材來說，切削速度在380以上才稱為高速切削；對鑄鐵來說，切削速度達(dá)到700稱為高速切削；對塑料來說，切削速度達(dá)到1150稱為高度切削。依據(jù)切削材料不同，其所對應(yīng)和規(guī)定的切削速度也不相同。還有按照加工的工藝進(jìn)行劃分定義高速切削。

高速切削概念最早起源于德國的一個(gè)物理學(xué)家薩洛蒙，薩洛蒙在1931年提出了著名的“薩洛蒙曲線”。他認(rèn)為，在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度會隨著切削速度的增加而提高，但是當(dāng)切削的速度不斷增加達(dá)到一定值時(shí)，切削的溫度將會隨著切削速度的增加而下降。切削達(dá)到最高溫度的臨界值與切削的具體材料有關(guān)，不同切削材料有自身的最大臨界值。如圖1所示，當(dāng)切削速度在V1～V2之間時(shí)，由于切削的溫度過高，這個(gè)最高溫度已經(jīng)超出刀具材料承受的最高溫度V0，因此，此時(shí)任何刀具都不能用來切削，切削工作無法完成，既是圖中的B區(qū)域，薩洛蒙將此區(qū)域稱為“死谷”。

圖1 切削速度變化和切削溫度的關(guān)系（薩洛蒙曲線）

但是當(dāng)切削的速度足夠高，超出“死谷”范圍，則隨著切削速度的提升，溫度在逐漸下降，便可以用原有的刀具進(jìn)行切削，此時(shí)的切削溫度與常規(guī)切削的溫度大體一致，這樣不僅節(jié)約了切削的所用工時(shí)，并且能夠有效提升機(jī)床的生產(chǎn)效率。

1.2 高速切削的特征

高速切削與常規(guī)切削相比，其速度高出一個(gè)數(shù)量級，因此，切削過程中的變形減小。由于速度過高，因此，切削中產(chǎn)生的阻力變小，更不易變形，切削力也較小，比較適合加工薄壁類的工件或是剛性較差的工件，飛機(jī)的機(jī)翼壁板便可使用高速切削加工技術(shù)。其次，由于高速切削，其切削的大部分熱量還來不及傳遞給工件就會被切屑帶走，因此，工件自身的熱量就比較低，據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)測算，高速切削過程中，工件的溫度上升不過3℃，始終處于冷的狀態(tài)，避免了高溫變形，較為適合加工體積纖細(xì)較長并且容易發(fā)熱的工件。再次，由于進(jìn)給速度快，切削速度高，因此單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率比常規(guī)切除高出3～6倍，材料的切除率很高。此技術(shù)在航空航天、汽車模具中已經(jīng)成為廣為應(yīng)用的技術(shù)。然后，在高速切削過程中，由于機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)高于常規(guī)切削，因此，切削加工過程中較為平穩(wěn)，工藝系統(tǒng)的震動較小，能夠保證切削的高精度，并且在保證高精度的同時(shí)保證低粗糙度。高速切削也較為適合光學(xué)領(lǐng)域的加工。最后，對于加工難度大的復(fù)合材料，高速切削具有較為明顯的加工優(yōu)勢，不但能提高生產(chǎn)加工效率，還能有效減少刀具的磨損，提高加工質(zhì)量。

2 高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用

高速切削加工技術(shù)由于具備上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有其他常規(guī)切削技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，因此，該技術(shù)在當(dāng)前的多個(gè)行業(yè)中應(yīng)用廣泛，具體應(yīng)用實(shí)例見表1。本文主要分析該技術(shù)在航空航天工業(yè)中應(yīng)用、在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用以及在模具制造中的應(yīng)用。

2.1 在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用

眾所周知，航空航天工業(yè)中有諸多零部件均是采用薄壁細(xì)筋結(jié)構(gòu)，在鋼度方面較差，脆性強(qiáng)，對切削技術(shù)的要求較高，不能采用較大的刀具進(jìn)行低速切削，因此，高速切削加工技術(shù)正好符合航空航天工業(yè)的加工要求，具有其他切削技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。航空航天工業(yè)中的部分零件只能采用高速切削的加工工藝，目前還沒有找到其他的加工方法。飛機(jī)上有眾多零部件，這些零部件在加工中既要保證質(zhì)量，同時(shí)還要壓縮成本，為此，普遍采用整體實(shí)心材料進(jìn)行制造已經(jīng)成為主流，這取代了以往的鉚接和焊接工藝，此種方法就是整體制造法。在整體制造法中，由于有些構(gòu)件的特殊性，需要在加工中去除大部分的原材料，為保證構(gòu)件質(zhì)量，有些材料的去除率接近90%。此種工藝若采用高速切削技術(shù)則可以大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約加工時(shí)間，并且有效保證切削加工質(zhì)量，大大降低生產(chǎn)成本。因此，高速切削加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛，波音公司著名的戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)就是采用整體制造法完成的，采用此種方法后，其零件減少了42%，有效提升了轉(zhuǎn)配效率。

2.2 在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

我國和國外的汽車制造廠家大多采用敏捷柔性自動生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線是以高速切削加工技術(shù)為基礎(chǔ)的。國內(nèi)知名汽車生產(chǎn)公司一汽大眾的捷達(dá)轎車自動生產(chǎn)線，主要由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機(jī)及傳動器等高速生產(chǎn)線組成，該條生產(chǎn)線上每年的汽車產(chǎn)量約為15萬輛，大約每分鐘便可生產(chǎn)1.5輛轎車，生產(chǎn)效率驚人。國內(nèi)的大眾桑塔納汽車生產(chǎn)線也是如此。就國外來說，美國GM發(fā)動機(jī)總成工廠的高速柔性自動生產(chǎn)線、福特汽公司以及INGERSOLL機(jī)床功底合作研制的以HVM800臥式加工中心為主的汽車生產(chǎn)線也是采用此種工藝，取得了巨大成功。

2.3 在模具制造中的應(yīng)用

高速切削技術(shù)在磨具制造中的應(yīng)用極其廣泛，歷史也較為悠久，這給傳統(tǒng)模具加工帶來了巨大沖擊，尤其是在生產(chǎn)流程方面。自由曲面在模具中較為常見，該種曲面的制作較為復(fù)雜，并且具有很高的硬度。若使用普通的切削工藝則很難在精度上和形狀上予以保證，根據(jù)普通的切削加工方法，通常是在退火之后進(jìn)行銑削加工，在這一流程結(jié)束后進(jìn)行熱處理加工、磨削加工以及電火花加工，在工序的最后還要進(jìn)行打磨，同時(shí)進(jìn)行拋光。由此看來，普通工藝方法不僅耗時(shí)較長，加工復(fù)雜難以控制，同時(shí)還要考慮手工制作中的誤差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但當(dāng)引入高速切削加工技術(shù)，利用該技術(shù)精準(zhǔn)的切削精度，可以替代原有的手工加工，大大縮短了工時(shí)，提高了效率。同時(shí)，隨著各種新型刀具的出現(xiàn)，該技術(shù)將會逐漸取代磨削加工技術(shù)和電火花技術(shù)。

3 結(jié)語

高速切削加工技術(shù)在新時(shí)期已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，是切削加工的主流工藝，該技術(shù)對機(jī)械制造行業(yè)來說是一次巨大而深刻的變革，將會對今后機(jī)械行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動作用。但是也應(yīng)該認(rèn)識到我國的高速切削技術(shù)仍處于低水平階段，機(jī)床加工中使用的切削速度與發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距，學(xué)術(shù)界對高速切削加工技術(shù)的理論研究還處于不成熟階段，在許多技術(shù)領(lǐng)域仍沒有重大突破，因此，我國要致力于研發(fā)高速切削加工技術(shù)，爭取盡量縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。

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作者簡介：李東光，男，山東昌邑人，中國海洋大學(xué)學(xué)生，南車四方車輛有限公司工程師，研究方向：金屬加工和材料成型。

（責(zé)任編輯：陳 倩）