高速切削技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

高速切削技術(shù)是目前機械加工領(lǐng)域中的最前沿技術(shù)，又是一門綜合交叉性的學科。本文主要介紹了高速加工機床、高速切削刀具和智能刀具的情況。
　　高速切削技術(shù)是目前機械加工領(lǐng)域中的最前沿技術(shù)，高速切削具有：金屬切除率高于常規(guī)切削5-10倍；切削力比傳統(tǒng)切削低約30%，切削變形��；被加工表面有較低的切削熱；易于實現(xiàn)無振動切削；精加工成本低等諸多的優(yōu)點。
　　高速切削技術(shù)的實施主要取決于機床、刀具、加工方法和冷卻技術(shù)的實施。當前高速機床和高速刀具技術(shù)發(fā)展較快，并由此產(chǎn)生出許多關(guān)鍵性技術(shù)。有高速電主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高速高效CNC控制系統(tǒng)、高速切削刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)、高速切削刀柄系統(tǒng)、高速切削加工的安全防護與實時監(jiān)控技術(shù)等，這些關(guān)鍵技術(shù)對高速切削技術(shù)的發(fā)展和應用起著決定性的作用。而先進加工方法和冷卻技術(shù)研究相對來說還比較落后，當然這取決于高速切削機理研究的相對落后。
　　

高速切削刀具
　　高速切削技術(shù)是一個工程科學問題，影響因素眾多，且各因素又是相互制約，相互關(guān)聯(lián)與耦合。包括了力學、機床動力學、熱力學、化學、材料學、摩擦學和經(jīng)濟學等，所以說高速切削技術(shù)是一門綜合交叉性學科。
　　高速切削機理研究的主要內(nèi)容
　　高速切削機理研究主要從四個方面來進行：高速切削過程和切屑成形機理；高速加工基本規(guī)律；各種材料的高速切削機理；高速切削虛擬技術(shù)。其中：
　　(1)高速切削過程和切屑成形機理的研究是針對高速切削加工中切屑成形機理、切削過程的動態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過程原理的研究來進行。
　　(2)高速加工基本規(guī)律的研究是針對高速切削加工中的切削力、切削溫度、刀具磨損、刀具耐用度和加工質(zhì)量等現(xiàn)象及加工工藝參數(shù)對這些現(xiàn)象的影響規(guī)律進行研究；提出反映其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學模型、實驗方案和試驗數(shù)據(jù)處理等間題。
　　(3)各種材料的高速切削機理研究是針對各種工程材料在高速切削下的切削機理，包括輕金屬材料、鋼和鐵、復合材料、難加工合金材料等。通過系統(tǒng)的實驗研究和分析，建立高速切削數(shù)據(jù)庫等。
　　(4)高速切削虛擬技術(shù)研究是針對在試驗研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)，虛擬高速加工過程中刀具和工件相對運動的作用過程，對切屑形成過程進行動態(tài)仿真，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度及應力分布等，預測被加工工件的加工質(zhì)量，研究切削速度、進給量、刀具和材料以及其他切削參數(shù)對加工的影響等。
　　高速機床研究的主要內(nèi)容
　　高速切削加工機床與普通機床的主要區(qū)別在于高速機床必須能夠提供高的切削速度和滿足高速切削加工下的一系列功能要求。
　　適合于高速運轉(zhuǎn)的主軸單元及其驅(qū)動系統(tǒng)
　　高速主軸單元的設計，是實現(xiàn)高速加工的最關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域之一，同時也是高速加工機床最為關(guān)鍵的部件。它不僅要能在很高的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，而且要有高的同軸度、高的傳遞力矩和傳動功率、良好的散熱或冷卻裝置，要經(jīng)過嚴格的動平衡矯正，主軸部件的設計要保證具有良好的動態(tài)和熱態(tài)特性，具有極高的角加減速度來保證在極短時間內(nèi)實現(xiàn)升、降速和在指定位置的準停。
　　有快速反應的進給系統(tǒng)單元和數(shù)控伺服驅(qū)動系統(tǒng)
　　高速機床在高速切削加工時，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，機床進給速度和其加、減速度也必須大幅度提高，以保證刀具每齒或工件每轉(zhuǎn)進給量基本不變，否則會嚴重影響工件加工的表面質(zhì)量和刀具壽命。同時機床空行程運動速度也必須大大提高�，F(xiàn)代高速加工機床進給系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的運動速度要求達到(40-120)m/min，進給加速度和減速度同樣要求達到(1-8)g。
　　機床進給驅(qū)動系統(tǒng)的設計必須突破傳統(tǒng)一般數(shù)控機床中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+普通滾珠絲杠”的進給傳動方式。在結(jié)構(gòu)形式上采取的主要措施有：大幅度減輕進給移動部件的重量，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)“零傳動”，即直接采用直線電機驅(qū)動；采用多頭螺紋行星滾柱絲杠代替常規(guī)鋼球式滾珠絲杠以及采用無間隙直線滾動導軌，實現(xiàn)進給部件的高速移動和快速準確定位；采用快速反應的伺服驅(qū)動CNC控制系統(tǒng)。
　　有一個高效、快速的冷卻系統(tǒng)
　　在高速切削加工過程中單位時間內(nèi)切削區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能使這些熱量迅速地從切削區(qū)域帶走，不但妨礙切削工作的正常進行，而且會造成機床、刀具和工具系統(tǒng)的熱變形，嚴重影響加工精度和機床的動剛性。
　　高效、快速的冷卻系統(tǒng)是利用高壓噴射裝置把壓力為7MPa、流量為60L/min左右的高壓冷卻液射向機床的切削部位，進行冷卻，消除切削產(chǎn)生的熱量。
　　也可以采用大量冷卻液以瀑布方式由機床頂部淋向機床工作臺，把大量的熱切屑立即沖走，始終保持工作臺的清潔，并形成一個恒溫的小環(huán)境。
　　高剛性的床體結(jié)構(gòu)
　　高速切削加工機床在高速切削狀態(tài)下，一方面產(chǎn)生的切削力一般作用在床體上；另一方面因速度很高，還會產(chǎn)生較大的附加慣性力作用在床體上，因而機床床身受力較大。設計時必須要求其具有足夠的強度、剛度和高的阻尼特性。此外，高剛性和阻尼特性也是高速加工中保證加工質(zhì)量和提高刀具壽命的需要。
　　安全防護裝置和實時監(jiān)控系統(tǒng)
　　在高速切削加工過程中，若刀具斷裂，其初速將如同子彈一般，易于造成危險和人身傷害。為此，機床工作時必須用足夠厚的鋼板將切削區(qū)封閉起來，同時還要考慮便于人工觀察切削區(qū)的狀況。除此之外，工件和刀具必須保證夾緊牢靠，必須采用主動在線監(jiān)控系統(tǒng)，對刀具磨損、破損和主軸運行狀況等進行在線識別和監(jiān)控，確保人身和設備安全。
　　要有方便可靠的換刀裝置
　　通過新型換刀結(jié)構(gòu)設計，要保證高速切削加工下?lián)Q刀方便、可靠、迅捷，換刀時間短。這也是高速切削加工過程中所必需的。
　　機床具有優(yōu)良的熱態(tài)特性和靜、動態(tài)特性
　　高速切削加工情況下，單位時間內(nèi)其移動部件間因摩擦產(chǎn)生的熱量較多，熱變形較大。
　　機床結(jié)構(gòu)設計必須保證其在內(nèi)部熱源和外部熱源作用下，不能產(chǎn)生較大的熱變形。為此，高速切削加工機床上一般要采取特殊的冷卻措施，來冷卻主軸電機、主軸支撐軸承、直線電機、液壓油箱、電氣柜等，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構(gòu)件。
　　因高速切削加工下的動態(tài)力(慣性力、切削力、阻尼力等)和靜態(tài)力(夾緊力等)較大，機床各支撐部件和其總體必須具有足夠的動、靜剛度，不致產(chǎn)生較大的力變形，保證零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。
　　高速刀具研究的主要內(nèi)容
　　高速刀具研究主要包括幾個方面：刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)與幾何形狀、刀具的裝夾系統(tǒng)及刀具平衡等。
　　

株鉆成為國內(nèi)刀具發(fā)展的一面旗幟刀具材料
   　高速切削刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、氧化鋁基和氮化硅基復合陶瓷、表面涂層硬質(zhì)合金、超細晶粒硬質(zhì)合金等。
　　刀具結(jié)構(gòu)與幾何形狀
　　刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具使用性能的重要因素。結(jié)構(gòu)決定刀體和刀片的空間位置和安排的穩(wěn)定性，保證刀具的剛性和容屑空間，又要使尺寸緊湊，還有使用的靈活與多變性。
　　現(xiàn)在對刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀的研究注重以“切削模型”為設計依據(jù)，便于尺寸調(diào)節(jié)和刀具幾何角度調(diào)節(jié)，可在不同工序中使用的組合刀具，即“復合刀具”和“模塊化刀具”。為的是提高加工效率，保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定和降低成本。
　　刀具的裝夾系統(tǒng)
　　刀具高速旋轉(zhuǎn)時要保持平衡，要有高接觸精度、高的剛性、高的夾緊可靠性。而一般加工中心機床主軸孔是7：24圓錐孔，使用7：24錐度的刀柄，在高速切削中暴露出剛性不足，換刀后刀具徑向與軸向尺寸不穩(wěn)定，端口處擴張造成剛度下降并影響動平衡。目前，在此領(lǐng)域的研究比較多。
　　如：以HSK為代表的短錐柄兩面接觸刀柄，這是一種7：24錐度的中空結(jié)構(gòu)式兩面接觸刀柄。拉緊是依靠空心錐柄的收縮變形達到端面的接觸，在高速旋轉(zhuǎn)時主軸錐孔擴脹，錐柄恢復彈性變形，繼續(xù)保持錐面和端面的接觸，應用這樣的刀柄刀具的金屬切除率可提高50%。
　　近年來，德國、美國、日本等國開發(fā)了不同的適合于高速切削的刀柄結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。用得最多的德國阿亨大學開發(fā)的HSK刀柄系列，已列入了國際標準，錐度用1：10。美國肯納金屬公司開發(fā)了KM刀柄系列，也是用1：10錐度。日本開發(fā)了BIG-PLUS刀柄系列，屬于7：24錐度的改進型。瑞典山特維克可樂滿公司開發(fā)了CAPTO刀柄系列，是1：20的空心短錐結(jié)構(gòu)。
　　刀具平衡
　　隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，對高速刀具提出的動平衡要求越來越高。不僅要求刀具的外觀制造要精美，而且制造精度要高，加工質(zhì)量要高，刀具壽命要長。對此刀具系統(tǒng)要做預平衡處理。此項研究有：刀具系統(tǒng)的預平衡、在線動平衡工具系統(tǒng)等。
　　智能刀具的發(fā)展
　　一項研究報告指出：在美國加工中心刀具的正確選擇只有50%左右，刀具只有58%的切削時間是在最佳切削速度下工作的，僅有38%的刀具完全用到刀具的壽命值。其他國家刀具的正確選擇則遠低于美國。因此，提高加工效率，降低成本，研究開發(fā)“智能刀具”及多功能刀具是提高切削加工效率和精度的十分有效的方法之一。
　　智能刀具通過與機床控制器的無線耦合，實現(xiàn)加工尺寸偏差的調(diào)整及對刀具耐用度的識別，并可實時采集切削過程的信息，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后使機床始終保持在最佳狀態(tài)。
　　“智能型刀具”的研究始于20世紀80年代末，它是將各種傳感器置于刀體內(nèi)，將驅(qū)動、返回、微型計算裝置、非接觸式能量和數(shù)據(jù)傳輸裝置集成在一起，實現(xiàn)刀具的微米級調(diào)整，并可由機床控制器的M指令加以控制。
　　中國對“智能刀具”的研究仍處于初期階段，對智能刀具系統(tǒng)的可調(diào)性結(jié)構(gòu)研究還較少，只停留在刀具在線檢測，刀具狀態(tài)監(jiān)測與加工過程的適應性控制等方面的研究。
　　德國Mapal公司和Heller機床公司首先將該技術(shù)用在對發(fā)動機汽缸體的缸孔進行鏜削加工上，該智能刀具具有三組Mapal六邊形CBN刀片，刀具呈軸向和徑向交錯排列，最高切削速度達10000r/min。其中：兩組刀片用于半精加工，第三組刀片能自動調(diào)節(jié)，用于完成精加工工序。當主軸轉(zhuǎn)速增加時，在離心力作用下，機構(gòu)會將刀片位置調(diào)節(jié)一個預定的數(shù)值，并帶有內(nèi)置式氣動量規(guī)測量已加工的孔徑，將測量結(jié)果傳給機床控制系統(tǒng)并自動調(diào)整刀具尺寸。
　　日本黛杰刀具公司也開發(fā)了在線可調(diào)刀具尺寸的“靈巧刀具”；美國肯納金屬公司研制了一種加工中心進行精確自動刀具補償精鏜刀具系統(tǒng)，這是一種微米級的模塊式、有級調(diào)整的精鏜刀具系統(tǒng)，其最小分辨率為1μm。
　　帶有測量功能并可自調(diào)的切削部件及可適應控制的和能自學的數(shù)控機床，裝有傳感器和執(zhí)行元件的智能化刀具，將是未來智能化的發(fā)展方向。