高速加工發(fā)展概況

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2264

1 引言


高速加工技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的制造工藝，并具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，就像其它許多技術(shù)革新一樣，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，高速加工基礎(chǔ)理論才用于生產(chǎn)。這一過(guò)程長(zhǎng)達(dá)60年，一方面是因?yàn)楣に嚱鐚?duì)這一技術(shù)采取了謹(jǐn)慎的態(tài)度，另一方面是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的生產(chǎn)設(shè)備不適合用來(lái)進(jìn)行高速加工。

2 基本理論


1931年4月27日，F(xiàn)rienrich Krupp AG就金屬加工方法和刀具加工材料的材料變化的相似性向德國(guó)專利局申請(qǐng)了專利，專利號(hào)為523594 。發(fā)明家C. Salomon對(duì)不同材料進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)切削速度如下：切削鋼鐵、非鐵材料及輕金屬材料，切削速度為44Om /min(1444ft/min) ；切削青銅，切削速度為1600m/min(5250ft/min)；切削紫銅，切削速度為2840m/min(9318ft/min)；切削鋁，切削速度高達(dá)16500m/min(54133ft/min)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)切削速度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，切削速度再增大，切削溫度反而會(huì)降低(圖1)。Salomon是用圓鋸片來(lái)做實(shí)驗(yàn)研究的，這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，因而只能通過(guò)加大圓鋸片的直徑來(lái)得到較高的切削速度(Vc=pdn/1000, m/min)。










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圖1 Salomon博士的銑削速度與銑削溫度理論


但是，對(duì)于加工大多數(shù)工件來(lái)說(shuō)，卻很少使用大直徑的刀具。這意味著在實(shí)際應(yīng)用中，高速切削主要是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到的。然而，這在當(dāng)時(shí)是不可能做到的。
Salomon的基礎(chǔ)研究表明，在一定的速度范圍內(nèi)，由于過(guò)高的溫度導(dǎo)制加工無(wú)法進(jìn)行(這在美國(guó)被稱為“死區(qū)”)。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，高速加工也可被定義為切削速度超過(guò)那個(gè)速度范圍。按照現(xiàn)有的知識(shí)，PTW研究所定義的高速加工為切削速度超過(guò)傳統(tǒng)加工速度的5～10倍。

3 彈射實(shí)驗(yàn)


大約20年后，也就是1950年初，更加集中的高速切削研究在世界范圍內(nèi)展開了。從那時(shí)起仍然不可能達(dá)到高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速加工，于是就采用了彈射實(shí)驗(yàn)方法。這些實(shí)驗(yàn)，一部分是通過(guò)快速滑動(dòng)使刀具通過(guò)工件加工表面，另一部分則是通過(guò)彈射工件使它通過(guò)靜止的切削刃。從這些實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高速切削下切屑形狀與常規(guī)切削條件下不同。同時(shí)，還建立了有關(guān)特殊切削壓力和動(dòng)態(tài)切削力的公式，并有史以來(lái)第一次科學(xué)的證實(shí)了在低速切削區(qū)，切削力隨切削速度的提高而增大，但當(dāng)切削速度大到一定程度后，切削力會(huì)急劇下降。此外，研究表明，隨著切削速度的提高，切屑漸漸變得不連續(xù)。在用槍將工件沿固定的切削刃彈射出的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)材料超出了塑性特性區(qū)，切屑由于脆性斷裂而成形。
20世紀(jì)60年代早期，美國(guó)大量的研究表明，只要解決切削過(guò)程中嚴(yán)重的刀具磨損和機(jī)床振動(dòng)，生產(chǎn)效率會(huì)大大提高，生產(chǎn)成本也會(huì)顯著降低。在一項(xiàng)研究中還發(fā)現(xiàn)，切削鋁時(shí)切削速度超過(guò)6500m/min 很有研究?jī)r(jià)值。在日本，大部分研究集中在切屑變形理論和變形機(jī)理。到80年代早期，高速主軸用于加工中心之后，高速加工的理論不僅得到進(jìn)一步發(fā)展，而且也能用于實(shí)際生產(chǎn)中。

4 高速主軸的應(yīng)用


1977年，美國(guó)第一次通過(guò)銑削速度高達(dá)1980m/min的銑床證實(shí)了射擊試驗(yàn)的結(jié)果與理論分析結(jié)論，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表明，切削表面質(zhì)量明顯提高。
這些試驗(yàn)中的另一重大發(fā)現(xiàn)是高速切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱大部分被切屑帶走了。1979年，美國(guó)空軍和通用電氣公司(GE)合作研究高速切削各因素之間的關(guān)系以及如何將高速切削用于生產(chǎn)。研究表明，切削鋁合金的最佳切削速度范圍是1500～4500m/min。另外還建立了高速切削加工刀具的目錄。
美國(guó)所開展的這些研究主要集中在對(duì)輕金屬的高速加工，僅有少數(shù)幾項(xiàng)試驗(yàn)用來(lái)研究鋼及鑄鐵的高速加工。對(duì)其它一些材料如：加工性較差的鋼、纖維增強(qiáng)型塑料等等的高速試驗(yàn)卻很少。20世紀(jì)70年代末以前，缺乏從整體上對(duì)高速切削基礎(chǔ)全面系統(tǒng)的研究，也沒(méi)有對(duì)原因與效果之間的工藝關(guān)系的探索，對(duì)這項(xiàng)金屬切削新技術(shù)對(duì)金屬切削有關(guān)零件所造成的影響，也缺乏深人的研究。

5 歐洲的研究情況


Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所(PTW)是歐洲第一個(gè)開展高速加工技術(shù)研究的研究中心。1979年該中心開展一合作研究項(xiàng)目——高速銑削過(guò)程特點(diǎn)研究，研究重點(diǎn)是磁懸浮軸承對(duì)高速轉(zhuǎn)軸發(fā)展的技術(shù)支持，并在機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。
通過(guò)使用這一由磁懸浮軸承支承的轉(zhuǎn)軸，1980年終于實(shí)現(xiàn)了可用切削速度的重大突破。這一突破使得早期由射擊試驗(yàn)得出的理論得到證實(shí)，并增加一些關(guān)于刀具及機(jī)床組件發(fā)展的內(nèi)容。
經(jīng)過(guò)不斷的研究，現(xiàn)在在高速切削技術(shù)的理論和應(yīng)用技術(shù)方面，PTW的研究水平超過(guò)了其它任何一個(gè)研究機(jī)構(gòu)。1981年，所謂的“專家們”聲稱這一新切削技術(shù)根本沒(méi)有應(yīng)用前途，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為增加單位時(shí)間內(nèi)金屬去除率，刀具磨損會(huì)加大，這樣加工過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性不一定很好�，F(xiàn)在我們看到當(dāng)時(shí)對(duì)高速加工技術(shù)持否定觀點(diǎn)的“專家們”都接受了這一技術(shù)，并積極支持這一技術(shù)的發(fā)展。
然而，大型合作項(xiàng)目——金屬和非金屬材料的高速銑削對(duì)宣傳高速加工技術(shù)作用巨大。這一項(xiàng)目從1984 年開始，得到了國(guó)家研究技術(shù)部的鼎力支持，這一項(xiàng)目以PTW為首，共有41家公司緊密合作參與實(shí)際研究。
經(jīng)過(guò)4年的努力，該研究取得了一定的成果，為現(xiàn)在高速加工技術(shù)的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ).

6 加工機(jī)床的整體發(fā)展


從一開始，PTW研究重點(diǎn)就放在保持技術(shù)工藝與機(jī)床及其部件之間同時(shí)發(fā)展。因此，在工藝與加工中心發(fā)展的相互影響及相互作用下，PTW生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)適合高速切削的機(jī)床。工藝的發(fā)展也包括工件材料、刀具材料以及新的加工策略的發(fā)展，相互影響CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展(圖3)。這意味著從一開始，研究就有的放矢，研究所取得的豐碩成果最終不僅加深了對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)的理解，同時(shí)也為高速加工技術(shù)的發(fā)展提供了相應(yīng)的機(jī)床和刀具。正是這一整體考慮使人們意識(shí)到高速加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而為高速加工技術(shù)的應(yīng)用打開了廣闊的市場(chǎng)。高速加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：隨著切削速度的提高，切削力下降；切削產(chǎn)生的切削熱絕大部分被切屑帶走；加工表面質(zhì)量提高了；在高速加工范圍內(nèi)機(jī)床的激振頻率范圍遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍。
但是，隨著切削速度的提高，刀具壽命會(huì)下降(圖4)。所以現(xiàn)在仍需進(jìn)一步研究來(lái)克服這一缺點(diǎn)。
高速加工技術(shù)得以應(yīng)用的主要原因是這一技術(shù)自身具有很多優(yōu)點(diǎn)，高速加工的應(yīng)用場(chǎng)合主要包括：模具業(yè)制造，飛機(jī)制造工業(yè)，光學(xué)和精密儀器加工，汽車制造工業(yè)以及家用設(shè)施生產(chǎn)(見附表)。盡管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采用高速切削技術(shù)，表面加工質(zhì)量可達(dá)Ra=0.2µm和Rz=3µm。

7 安全處理


很遺憾，即使現(xiàn)在我們?nèi)赃^(guò)低估計(jì)高速加工過(guò)程中的潛在危險(xiǎn)。這些危險(xiǎn)包括：飛濺的切屑和崩刃以及變松的刀具夾緊系統(tǒng)都具有很高的動(dòng)能，另外加工過(guò)程中還存在軸向動(dòng)態(tài)力。這意味著高標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)和被動(dòng)的防護(hù)措施是必需的。比如不可缺少的部分除了電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外，還應(yīng)當(dāng)有適合吸收能量的空腔。
此外，高速加工刀具的標(biāo)定、測(cè)試指導(dǎo)和設(shè)計(jì)建議必須盡可能快的加到安全標(biāo)準(zhǔn)中，在PTW領(lǐng)導(dǎo)下，現(xiàn)在已開展了這方面的工作(圖5)。
對(duì)生產(chǎn)過(guò)程加工鏈全面考慮表明，由于高速加工后工件表面質(zhì)量很好，通常情況下可以不需要精加工或只在部分場(chǎng)合下需要精加工值得一提的是渦輪的制造，現(xiàn)在渦輪的葉片通過(guò)高速銑削加工就可以了，不需要進(jìn)一步進(jìn)行磨削加工：另一個(gè)典型的例子是模具的制造，高速加工后模具表面質(zhì)量、尺寸和形位公差可以達(dá)到常規(guī)情加工的加工精度。這也大大地降低了手工工作時(shí)間。在手工勞動(dòng)上節(jié)約時(shí)間可達(dá)到80% ，成本降低到原來(lái)的30%。
如果一個(gè)加工表面仍需進(jìn)一步進(jìn)行磨削加工，提高待加工表面質(zhì)量會(huì)大大降低磨削時(shí)間。以前在高速加工領(lǐng)域的研究都集中在銑削，通過(guò)不斷擴(kuò)展PTW的研究領(lǐng)域，在高速鉆削、擴(kuò)、車削及車銑削方面也可獲得重要的知識(shí)。

8 機(jī)床及其部件


雖然，在80年代中期與加工技術(shù)、刀具、機(jī)床組件相關(guān)的結(jié)果也會(huì)公布于眾，但這一技術(shù)在實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用花了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。90 年代的經(jīng)濟(jì)萎縮迫使公司采取改革，這大大促進(jìn)了機(jī)床工業(yè)的發(fā)展。
現(xiàn)在，各類高速切削機(jī)床在商業(yè)上已趨于成熟，因?yàn)楦咚俚目傮w趨勢(shì)還在繼續(xù)，緊隨高速機(jī)床之后，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床的切削速度也越來(lái)越快。主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到12000r/min ，進(jìn)給量已達(dá)到25m/min ，特別在切削加工鋼和鑄鐵時(shí)，高速切削速度范圍還可進(jìn)一步提高。關(guān)于對(duì)高速銑削機(jī)床的需求從側(cè)面反映了待加工工件及高速銑削技術(shù)的需求(圖6)。
這就是為什么會(huì)有二個(gè)有區(qū)別的市場(chǎng)范圍：高速切削范圍下限的高速機(jī)床以大的金屬去除率為主；另一市場(chǎng)是真正的高速加工，具有中等的金屬去除率，但切削速度很高。因此，高速加工機(jī)床適用于輕金屬、銅、鉛以及塑料的初、精加工；但在加工鋼及鑄鐵中，常適用于精加工和半精加工現(xiàn)在直線電機(jī)的研究取得飛躍的發(fā)展，使得高速加工機(jī)床進(jìn)給速度可達(dá)100m/min，進(jìn)給加速度可達(dá)30m/s2，直線電機(jī)特別適合用在加工輕金屬的加工中心上。

9 結(jié)論


由圖2可得，世界上很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)高速加工技術(shù)開展了研究，PTW經(jīng)常與它們展開國(guó)際交流和合作。1998年4月，DFG(Deutsch Forschungs-gemeinschaft)組織開展了一項(xiàng)新研究，目的是對(duì)金屬去除區(qū)域的基本條件進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
但是，現(xiàn)在已不再懷疑高速加工的經(jīng)濟(jì)性了，進(jìn)一步提高刀具壽命會(huì)大大擴(kuò)大高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。常規(guī)的機(jī)床工業(yè)也從這一趨勢(shì)中收益匪淺。例如，因?yàn)樽畛鯇楦咚偌庸C(jī)床的馬達(dá)具有很多優(yōu)點(diǎn)，它們也可用于低速的普通機(jī)床。快速的CNC控制系統(tǒng)和大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于現(xiàn)有的普通CNC 機(jī)床上也會(huì)大大改善其性能。

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