淺析高速切削技術(shù)發(fā)展

夏建榮

摘 要：高速切削技術(shù)具有隨切削速度提高切削力降低、切削溫度的增加逐漸變緩、加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率提高、制造成本減少、產(chǎn)品開發(fā)周期縮短等突出優(yōu)勢(shì)，是先進(jìn)制造技術(shù)的最重要的共性基礎(chǔ)技術(shù)之一，已成為面向21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，已在航空航天、汽車、模具、機(jī)床等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速切削；機(jī)床；刀具

1 高速切削概述

高速切削是指比常規(guī)切削速度高出很多的速度下進(jìn)行的切削加工，有時(shí)也稱為超高速切削。高速切削是一個(gè)相對(duì)的概念，當(dāng)使用不同的加工方法和工件材料與加工刀具時(shí)，高速切削速度會(huì)有很大的不同。高速切削強(qiáng)調(diào)的是高的速度，即要有高的主軸轉(zhuǎn)速，高速切削中的高速不是一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，而應(yīng)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。高速切削時(shí)由于切削速度的大幅度提高，決定了高速切削具有以下特點(diǎn)：一是生產(chǎn)效率提高；二是切削力降低；三是工件的熱變形減小；四是工件振動(dòng)減??；五是可加工各種難加工材料；六是生產(chǎn)成本降低。

高速切削加工是面向現(xiàn)代加工社會(huì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以效率高、精度高和表面加工質(zhì)量高為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天和儀器儀表等行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，并已獲取了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。高速切削是實(shí)現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率。有些專家把高速切削技術(shù)的出現(xiàn)稱作是機(jī)械加工發(fā)展中的一個(gè)里程碑，是繼數(shù)控技術(shù)之后新技術(shù)的又一次重大變革。在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高。對(duì)于一種工件材料，存在一個(gè)速度范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，刀具無法承受，切削加工不能進(jìn)行。但當(dāng)切削速度繼續(xù)提高，超過這個(gè)范圍以后，切削溫度反而會(huì)降低，切削力也會(huì)大幅度下降。按照此假設(shè)，對(duì)于一種工件材料存在一定的高速區(qū)，在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工，會(huì)有比較低的切削溫度和比較小的切削力，不僅有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速切削，從而大幅度地減少切削時(shí)間，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率，而且還將給切削過程帶來一系列的優(yōu)良特性。

2 高速切削加工與常規(guī)加工的比較

高速切削加工與常規(guī)的數(shù)控加工方法主要區(qū)別在于進(jìn)給速度、加工速度和切削深度這三個(gè)工藝參數(shù)值不同。高速切削加工采用高進(jìn)給速度和小切削深度，而數(shù)控加工則采用低進(jìn)給速度和大切削深度。高速切削加工對(duì)機(jī)床主軸、切削刀具、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服進(jìn)給系統(tǒng)和數(shù)控編程方法的要求與常規(guī)的加工方式不同。

1、刀具壽命。高速加工工藝能夠保證刀具在不同速度下工作的負(fù)載恒定，加上刀具每刃的切削量較小，有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命。

2、高速加工可以在高速度、大進(jìn)給的方式下完成淬硬鋼的精加工，提高加工件的表面質(zhì)量。而且由于高速加工切削量少，提高了加工及其后續(xù)表面光滑度，所以省去了過去機(jī)加工和電加工的磨削和拋光工序。

3、高速切削加工及其精密度。生產(chǎn)實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)切削加工相比，用高速加工容易產(chǎn)生剪斷切削，當(dāng)切削厚度減少時(shí)，切削溫度上升，切削更為碎小。而當(dāng)應(yīng)力和切削都減少時(shí)，刀具負(fù)載變小，同時(shí)，由于產(chǎn)生的摩擦熱減少，大量的切削熱量被高速離去的切削帶走，故工件和刀具的熱變形很小，工件表面沒有變質(zhì)及微裂紋，大大改善了工件的加工質(zhì)量，具有加工循環(huán)時(shí)間短、所需的刀具數(shù)少、切削應(yīng)力小、產(chǎn)生切削量大、加工精度高等特點(diǎn)。

3 高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

目前國(guó)際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)和模具行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域，顯示了強(qiáng)大的功能，而它的發(fā)展則涉及到高速切削機(jī)床技術(shù)、高速切削工藝技術(shù)、高速切削刀具技術(shù)和高速切削加工中的測(cè)試技術(shù)這四個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1、高速切削機(jī)床技術(shù)。性能良好的機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削前提和關(guān)鍵，而具有高精度高速主軸和控制精度高高速進(jìn)給系統(tǒng)，則是高速切削機(jī)床技術(shù)關(guān)鍵。高速主軸是高速切削機(jī)床核心部件，很大程度上決定著高速切削機(jī)床所能達(dá)到切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。目前，適于高速切削加工中心其主軸最高轉(zhuǎn)速一般都大于10000r/min，有高達(dá)60000r/min～100000r/min，為普通機(jī)床10倍左右；主電動(dòng)機(jī)功率15kW～80kW，以滿足高速車削、高速銑削之要求。控制精度高的高速進(jìn)給系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)高速切削的重要技術(shù)之一。在進(jìn)行高速切削時(shí)，為了保證零件的加工精度，隨著機(jī)床轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅度提高，以便保證刀具每齒進(jìn)給量不變。

2、高速切削工藝技術(shù)。進(jìn)行高速切削時(shí)，工件材料不同，所選用切削刀具、切削工藝和切削參數(shù)也有很大不同。工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)、振動(dòng)和切削液等因素對(duì)都會(huì)對(duì)加工表面的粗糙度的產(chǎn)生影響，因此在高速切削加工時(shí)切削參數(shù)的選擇和表面質(zhì)量控制等工藝技術(shù)也是需要重視的。

3、高速切削刀具技術(shù)。刀具的使用是實(shí)現(xiàn)高速切削重要保證，如何正確選擇刀具材料和設(shè)計(jì)刀具系統(tǒng)對(duì)提高零件的加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具的使用壽命和降低加工成本都起著重要作用。高速切削要求刀具材料具有高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性；高韌度、良好耐熱沖擊性；高熱硬性、良好化學(xué)穩(wěn)定性等性能，目前使用最多的刀具材料有：涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼材料和聚晶金剛石材料等。

4、高速切削加工中的測(cè)試技術(shù)。由于高速切削加工的速度相當(dāng)高，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)4000r/min時(shí)，若有大片崩裂，碎片就會(huì)像出膛的子彈，所以高速切削加工是在密封的機(jī)床工作區(qū)間里進(jìn)行的，這樣操作人員很難直接觀察、操作和控制，因此需要對(duì)加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命，確保人員和設(shè)備的安全。高速切削加工的測(cè)試技術(shù)包括傳感技術(shù)、信號(hào)分析和處理等技術(shù)。最近幾年，在線測(cè)試技術(shù)在高速機(jī)床中使用的越來越多，如主軸發(fā)熱情況、刀具磨損狀態(tài)測(cè)試和工件加工監(jiān)測(cè)等。智能技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于測(cè)試信號(hào)的分析和處理中，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于刀具磨損狀態(tài)的識(shí)別。還有一些技術(shù)正在進(jìn)行研究，在不斷的進(jìn)行測(cè)試，這些技術(shù)分別是傳感技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等等。

4 高速切削存在的問題及發(fā)展展望

高速切削是切削加工發(fā)展的主要方向之一，它除依賴于數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術(shù)問題，如刀具磨損嚴(yán)重，高速切削用刀具切入切出時(shí)破損問題，高速切削用刀具材料價(jià)格昂貴，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要?jiǎng)悠胶?，刀具夾持要牢靠安全，主軸系統(tǒng)昂貴且壽命短，而且所有高速加工機(jī)床及其控制方法價(jià)格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問題制約著高速切削的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

高速切削加工是具有突出技術(shù)優(yōu)越和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)制造技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。高速切削過程的振動(dòng)造成的不穩(wěn)定切削是嚴(yán)重限制高速切削加工技術(shù)發(fā)展的重要問題之一，高速切削穩(wěn)定性的分析預(yù)測(cè)及其動(dòng)態(tài)優(yōu)化理論與方法的研究對(duì)于加速高速切削加工技術(shù)的發(fā)展及其推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。

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