高速切削加工的介紹

   高速切削加工技術(shù)是一種用比常規(guī)切削高得多的切削速度進(jìn)行切削加工的高效新技術(shù)，高速切削加工可用于加工有色金屬、鑄鐵、鋼、纖維強(qiáng)化復(fù)合材料等，還可以用于切削加工各種難加工材料．現(xiàn)在，高速切削技術(shù)已漸趨成熟，并開始在制造領(lǐng)域中大顯身手。高速機(jī)床的單元技術(shù)和整機(jī)水平正在逐步提高。技術(shù)基礎(chǔ)雄厚的機(jī)床廠推出了多種高速、高精度的機(jī)床產(chǎn)品，并且在航空航天制造、汽車工業(yè)和模具制造、輕工產(chǎn)品制造等重要工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造了驚人的效益。高速切削技術(shù)和高速加工機(jī)床越來越多地受到工業(yè)部門的青睞。

 高速切削加工的概念和特點：  
1 ．高速切削歷史與現(xiàn)狀 
高速切削的起源可追溯到 20 世紀(jì) 20 年代末期。德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙（ Carl 壓lomon ）博士于 1929 年進(jìn)行了超高速切削模擬試驗。 1931 年 4 月發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設(shè)。薩洛蒙指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高對于每一種工件材料，存在一個速度范圍，在這個范圍內(nèi)，當(dāng)切由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進(jìn)行。但是，切削速度進(jìn)一步提高，超過這個速度范圍后（切削溫度反而降低。同時，切削力也會大幅度下降。按照他的假設(shè)，在具有一定速度的高速區(qū)進(jìn)行切削加工，會有比較低的切削溫度和比較小的切削力，有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速切削，從而大幅度減少切削時間，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率。 

   美國于 1960 年前后開始進(jìn)行超高速切削試驗。試驗將刀具裝在加農(nóng)炮里，從滑臺上射向工件；或?qū)⒐ぜ��?dāng)作子彈射向固定的刀具。 1977 年美國在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進(jìn)行了高速切削試驗，其主軸轉(zhuǎn)速可以在 180 ～ 18000r / min 范圍內(nèi)無級變速，工作臺的最大進(jìn)給速度為 7 . 6m / min。 
    
   1979 年美國防衛(wèi)技術(shù)研究總署（ DARPA ）發(fā)起了一項“先進(jìn)加工研究計劃”，研究切削速度比塑性波還要快的超高速切削，為快速切除金屬材料提供科學(xué)依據(jù)。 
    
   在德國， 1984 年國家研究技術(shù)部組織了以 Darmstadt 工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所 PTW ）為首，包括 41 家公司參加的兩項聯(lián)合研究計劃，全面而系統(tǒng)地研究了超高速切削機(jī)瓜刀具、控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工藝技術(shù)，分別對各種工件材料（鋼、鑄鐵、特殊合金、鋁合金、鋁鑲鑄造合金、銅合金和纖維增強(qiáng)塑料等）的超高速切削性能進(jìn)行了深入的研究與試驗，取得了切削熱的絕大部分被切屑帶走國際公認(rèn)的高水平研究成果，并在德國工廠廣泛應(yīng)用，獲得了好的經(jīng)濟(jì)效益。日本于 20 世紀(jì) 60 年代就著手超高速切削機(jī)理的研究。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)在超高速切削時，工件基本保持冷態(tài)，其切屑要比常規(guī)切屑熱得多。日本工業(yè)界 35善于吸取各國的研究成果并及時應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)中去，尤其在高速切削機(jī)床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)已躍居世界領(lǐng)先地位。進(jìn)人 20 世紀(jì) 90 年代以來，以松浦（ Matsuora ）、牧野 ( Makino ）、馬扎克（ Mazak ）和新瀉鐵（ Niigata ）等公司為代表的一批機(jī)床制造廠，陸續(xù)向市場推出不少超高速加工中心和數(shù)控銑床，日本廠商現(xiàn)已成為世界上超高速機(jī)床的主要提供者. 
    
   我國早在 20 世紀(jì) 50 年代就開始研究高速切削，但由于各種條件限制，進(jìn)展緩慢。近 10 年來成果顯著，至今仍有多所大學(xué)、研究所開展了高速加工技術(shù)及設(shè)備的研究。 

2 切削速度范圍的劃分 
根據(jù)高速切削機(jī)理的研究結(jié)果，當(dāng)切削速度達(dá)到相當(dāng)高的區(qū)域時，切削力下降，工件的溫升低，熱變形小，刀具的耐用度提高等。高速切削不僅可以大幅度提高單位時間材料切除率．而且還會帶來一系列的其他優(yōu)良特性。高速切削的速度范圍定義在這樣一個給切削加工帶來一系列優(yōu)點的區(qū)域。這個切削速度區(qū)比傳統(tǒng)的切削速度高得多，因此也稱超高速切削． 
    
   通常，考慮到刀具直徑和轉(zhuǎn)速等因素，人們習(xí)慣于用切削加工最大線速度來描述切削速度，單位是 m / min （米／分鐘）．另一方面，由于機(jī)床主軸是提供高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵部件，為了更直觀和形象地表示建度，特別是描述機(jī)床的速度，也有用不同情況下的主軸轉(zhuǎn)速來劃定高速切削范圍。
     
   各國對超高速切削的速度范圍迄今尚未作出明確統(tǒng)一的規(guī)定，但是通常把切削速度比常規(guī)高出 5 - 10 倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。   

 ①     按不同加工工藝規(guī)定的高速切削范圍。車削 700 一 7000m / min ；銑削 300 一 6000m / mln ：鉆削 200 -1100m / mm ．磨削 150 - 360m / s ．這種劃分比常規(guī)切速幾乎提高了一個數(shù)量級，而且還有繼續(xù)提高的趨勢．

②     按加工不同材料劃定高速切削范圍。德國 Darmstadt 工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所（ PTw ）在 20 世紀(jì) 80 年代對鋼、鑄鐵、鎳基合金、鈦合金、鋁合金、銅合金和纖維增強(qiáng)塑料等材料分別進(jìn)行高速切削試驗，得到上述七種材料適合于高速切削的速度范圍（如圖 2-24 所其研究結(jié)果得到了國際上的公認(rèn)，至今仍是大家認(rèn)可的高速切削速度。 

3. 高速切削的優(yōu)勢： 
 高速切削加工技術(shù)和常規(guī)切削相比，具有以下方面的優(yōu)勢： 

①     隨切削速度的大幅度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高 5 - 10 倍。這樣，單位時間內(nèi)的材料切除率可大大增加．同時機(jī)床快速空程速度大幅度提高也大大減少了非切削的空行程時間，從而極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)率 

②     切削速度達(dá)到一定值后，切削力可降低 30 ％以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于提高薄壁細(xì)肋件等剛性差零件的高速精密加工 
 
③     在高速切削時， 95 % - 98 ％以上的切削熱來不及傳給工件．被切屑飛速帶走，工件上保持冷態(tài)，因而特別適合于加工容易熱變形的零件  

④ 高速切削時，機(jī)床的激振頻率特別高，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開了“機(jī)床一刀具一工件”工藝系統(tǒng)的頻率范圍，工作平穩(wěn)振動小，因而可加工出非常梢密、非常光沽的零件，零件經(jīng)高速車、銑的表面質(zhì)量�？蛇_(dá)到磨削的水平日殘余應(yīng)力很小，故可省去銑削后的精加工工序。 
    
⑤ 高速切削可以加工難加工材料。例如，航空和動力部門大量采用鎳基合金和鈦合金，材料強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重。在普通加工一般采用很低的切削速度。如采用高速切削，則其切削速度可提高到 100 - 1 000m / min , 規(guī)切速的 10 倍左右，不但可大幅度提高生產(chǎn)率，而且可以提高工件加工表面質(zhì)量。 
    
⑥ 高速切削可降低加工成本主要原因包括：零件的單件加工時間縮短奮可以在同一臺機(jī)床上，一次裝夾中完成零件的粗加工、半精加工和精加工。床，但綜合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。雖然高速機(jī)床的價格高于普通的機(jī) 。 

高速切削加工的關(guān)健技術(shù) 
    
   德國 Darmstadt 工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所的舒爾茲教授（ H。 Schul ）對高速切削技術(shù)進(jìn)行了多年的深入研究，他從六個方面歸納了對高速切削技術(shù)所涉及的關(guān)鍵問題。 

1 高速切削機(jī)理的研究 

   高速切削技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展是以高速切削機(jī)理為理論基礎(chǔ)的提供理論指導(dǎo)。高速切削機(jī)理的研究主要有以下幾個方面： ( l ）高速切削過程和切屑形成機(jī)理對高速切削加工中切屑形成機(jī)理、切削過程的動態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過程理的研究．有試驗和計算機(jī)仿真兩種方法。 
試驗表明，一般低硬度和高熱物理性能KPC（導(dǎo)熱系數(shù)K，密度 P ，比熱容 C 的乘積）的工材料如鋁合金、低碳鋼和未淬硬的鋼與合金鋼等在很大速度范圍內(nèi)容易形成連續(xù)帶狀切屑，硬度較高和低熱物理性能KPC的工件材料，如熱處理的鋼與合金鋼、欽合金等，在很寬切削速度范圍內(nèi)均形成鋸齒狀切屑，隨切削速度的提高，鋸齒化程度增加，直至形成分離的單元切屑。切削速度對鋸齒狀切屑的作用，一方面是切削速度提高，應(yīng)變速度加大，導(dǎo)致脆性增加；另一方面切削速度提高，又會引起切屑溫度增加，導(dǎo)致脆性減小因此，提高切削速度對形成鋸齒狀切屑傾向具有綜合的作用。

( 2 ）高速加工基本規(guī)律的研究 
    
   切削力學(xué)理論分析表明，切削時切削力與工件的剪切強(qiáng)度、切削面積、刀具前角、后刀面與工件的摩擦系數(shù)以及剪切角有關(guān)，而剪切強(qiáng)度和摩擦系數(shù)直接受切削溫度，也即受切削速度的影響，剪切角則與切削速度相關(guān)。因此，切削速度直接影響切削力的大小。在高速切削范圍內(nèi)隨切削速度增加，切削溫度升高，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，切削力降低。切削時產(chǎn)生的熱量主要流人刀具、工件和被切屑帶走。隨切削速度的提高，切屑帶走的熱量增加。因此，高速切削范圍內(nèi)，隨切削速度提高，切削溫度開始升高很快，但當(dāng)切削速度達(dá)到一定后，因切屑帶走的熱量隨切屑深度提高而增加，切削溫度上升緩慢，直至很少有變化。 

   高速切削時，刀具的損壞形式主要是磨損和破損，磨損的機(jī)理主要是薪結(jié)磨損和化學(xué)磨損（氧化、擴(kuò)散、溶解）。金剛石、立方氮化硼和陶瓷刀具高速斷續(xù)切削高硬材料時，常發(fā)生崩刃、剝落和碎斷形式的破損。高速切削時，對以磨損為主損壞的刀具可以按磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)刀具磨損壽命與切削用量和切削條件之間的關(guān)系確定刀具磨損壽命。對于以破損為主損壞的刀具，則按刀具破損壽命分布規(guī)律，確定刀具破損壽命與切削用量和切削條件之間的關(guān)系． 

( 3 ）各種材料的高速切削加工性研究鋁合金具有極好的切削加工性，可采用很高的切削速度（ 1 000 - 4000m / min ，有時高達(dá)5000-7500 m / min）. 
鈦及鈦合金的切削加工目前選用的刀具材料以 YG ( K ）類硬質(zhì)合金為主，精細(xì) TIN 涂層硬質(zhì)合金刀具、 PCD 刀具高速切削加工鈦及鈦合金的加工效果遠(yuǎn)好于普通硬質(zhì)合金；天然金剛石刀具的加工效果更好，但其應(yīng)用受加工成本制約。加工鈦合金，還廣泛應(yīng)用車銑復(fù)合加工。車銑復(fù)合加工改善了刀具散熱條件，降低了切削溫度并減少了刀具磨損，從而可在較高的速度下切削加工鈦及鈦合金。

( 4 ）高速切削仿真技術(shù)的研究 
在試驗研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真技術(shù)，虛擬高速切削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(jìn)行動態(tài)仿真，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度及應(yīng)力分布等，預(yù)測被加工工件的加工質(zhì)量，研究切削速度、進(jìn)給量、刀具和材料以及其他切削參數(shù)對加工的影響等。 

2 高速切削刀具 

   刀具是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。生產(chǎn)實踐證明，阻礙切削速度提高的關(guān)鍵因素是刀具能否承受越來越高的切削溫度在薩洛蒙高速切削假設(shè)中并沒有把刀具作為一個重要因素。但是隨著現(xiàn)代高速切削機(jī)理研究和高速切削試驗的不斷深人，證明高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)之一就是所用的刀具。舒爾茲教授在第一屆德國 ― 法國高速切削年會（ 1997 年）上做的報告中指出：目前，在高速加工技術(shù)中有兩個基本的研究發(fā)展目標(biāo)，一個是高速引起的刀具壽命問題，另一個是具有高精度的高速機(jī)床．

    近 30 年來世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展能適應(yīng)高速切削加工條件的先進(jìn)切削刀具，開發(fā)出了許多高性能的刀具材料．目前國內(nèi)外用于高速切削加工的刀具材料主要有：超硬刀具材料（ P CD 和 PCBN ）、陶瓷刀具、 TiC ( N ）基硬質(zhì)合金和涂層刀具等．它們各有優(yōu)勢又彼此竟?fàn)�，適應(yīng)不同的工件材料和不同的切削速度范圍。涂層刀具在高速切削領(lǐng)域具有巨大的潛力．從資源、價格和性能等方面看陶瓷刀具在高速切削領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢，尤其在資源方面，陶瓷刀具材料在自然界用之不竭；超硬刀具材料將繼續(xù)在高速切削加工中占用重要地位；超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和粉末高速鋼在小尺寸整體復(fù)雜高速切削加工領(lǐng)域還將占主要地位；超強(qiáng)、超硬納米刀具材料是很有前景的高速切削加工刀具材料. 

    除刀具材料外，刀具結(jié)構(gòu)也是刀具技術(shù)的一項研究重點。在高速切削中，常規(guī)的 
7 - 24 銀度刀柄系統(tǒng)（ BT , ISO 等）已經(jīng)不適用。各國針對高速切削特點，在刀具刃型、材料、結(jié)構(gòu)、夾緊方式和動平衡等方面進(jìn)行了大量的研究工作，但還不夠完善。在高速切削加工中，刀具結(jié)構(gòu)的安全性和高精度的動平衡是至關(guān)重要的。高速切削刀具系統(tǒng)必須滿足： 
 ① 很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度． 
 ② 很高的裝夾剛度； 
 ③ 高速運轉(zhuǎn)時安全可靠.

    為了滿足高速切削加工的要求德國開發(fā)了 HSK 系列刀柄系統(tǒng)，美國開發(fā)了 KM 系列刀柄系統(tǒng). 
    HSK 、 KM 刀柄與普通 7 , 24 刀柄相比有如下有點：重量約減少 50 % ；重復(fù)使用時裝夾和定位精度高；剛度高，并可傳遞大的力矩；裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而增大． HSK 、 KM 和 BT 刀柄的比較見表 2 . 3 . 
  
    3 ．高速切削機(jī)床 
    高速機(jī)床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)（或稱功能部件）和機(jī)床整機(jī)技術(shù)。單元技術(shù)包括高速主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速 CNC 控制系統(tǒng)等；機(jī)床整機(jī)技術(shù)包括機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施和加工環(huán)境等。 
     ( 1 ）高速主軸單元 
高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機(jī)架四個主要部分，是高速切削加工機(jī)床的核心部件，在很大程度上決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設(shè)計方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、動平衡、噪聲等多項相關(guān)技術(shù)，其中一些技術(shù)又是相互制約的，包括高轉(zhuǎn)速和高剛度的矛盾、高速度和大轉(zhuǎn)矩的矛盾等等。因此提高主軸轉(zhuǎn)速和精度是一項很困難的工作，設(shè)計和制造高速主軸必須綜合考慮滿足多方面的技術(shù)要求。

     ( 2 ）高速進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)的高速性也是評價高速機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一，不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義，而且也是維持高速切削刀具正常工作的必要條件。對高速進(jìn)給系統(tǒng)的要求不僅僅能夠達(dá)到高速運動，而且要求瞬時達(dá)到高速、瞬時準(zhǔn)停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度高速進(jìn)給系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件導(dǎo)向技術(shù)、高速測量與反饋控制技術(shù)和其他周邊技術(shù)，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術(shù)等。目前常用的高速進(jìn)給系統(tǒng)有三種主要驅(qū)動方式．高速滾珠絲杠、直線電動機(jī)和虛擬軸機(jī)構(gòu)等。與高速進(jìn)給系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的還有工作臺（拖板）和導(dǎo)軌的設(shè)計制造技術(shù)等。 

     〔 3 ）高速 CNC 控制系統(tǒng)相對而言，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對超高速機(jī)床所需的進(jìn)給速度來說顯得太慢了，超高速機(jī)床要求其 CNC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時間要快得多，高的進(jìn)給速度要求 CNC 系統(tǒng)不便要有很高的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度，而且還應(yīng)有較大的程序存儲量。 CNC 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括決速處理刀具軌跡、預(yù)先前饋控制、決速反應(yīng)的伺服系統(tǒng)等。 

    〔 4 ）床身、立柱和工作臺高速機(jī)床設(shè)計的另一個關(guān)鍵點，是如何在降低運動部件質(zhì)量的同時，保持基礎(chǔ)支承部件的高靜剛度、動剛度和熱剛度。通過計算機(jī)輔助設(shè)計，特別是應(yīng)用有限元及優(yōu)化設(shè)計埋論能獲得輕質(zhì)量、高剛度的床身、立柱和工作臺結(jié)構(gòu)為獲得較好的動態(tài)性能，有些高速機(jī)床床身由聚合物混凝土材料制成，同濟(jì)大學(xué)在高速機(jī)床混凝土床身的制造方面取得了很好的成果. 

     ( 5 ）切屑處理和冷卻系統(tǒng)高速切削過程會產(chǎn)生大量的切屑，單位時間內(nèi)高的切屑切除量需要高效的切屑處理和清陳裝置 · 高壓大流量的切削液不但可以冷卻機(jī)床的加工區(qū)，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染 · 切削液的使用井不是對高速切削的任何場合都適用，例如，對抗熱沖擊性能差的刀具，在有些情況下，切削液反而會降低刀具的使用壽命 · 這時可采用千切削，并用吹氣或吸氣的方法清理切屑. 

     ( 6 ）安全裝置高速運動的機(jī)床部件、大量高速流出的切屑及高壓噴射的切削液等都要求高速機(jī)床有一個足夠大的密封工作室，工作室的倉壁一定要能吸收噴射部分的能量。刀具破損時的安全防護(hù)尤為重要；此外，防護(hù)裝置還必須有靈活的控制系統(tǒng)，以保證操作人員在不直接接觸切削區(qū)情況下的操作安全. 

4. 高速切削加工中的測試技術(shù) 
   高速切削加工是在密封的機(jī)床工作區(qū)間里進(jìn)行的，在加工過程中，操作人員很難直接進(jìn)行觀察、操作和控制，因此機(jī)床本身有必要對加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控、實時地對加工過程在線監(jiān)測，這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率延長刀具使用壽命，確保人員和設(shè)備的安全. 
高速加工的測試技術(shù)包括傳感技術(shù)、信號分析和處理等技術(shù)．近年來．在線測試技術(shù)在高速機(jī)床中使用得越來越多�，F(xiàn)在已經(jīng)在機(jī)床使用的有主軸發(fā)熱情況測試、滾珠絲杠發(fā)熱測試、刀具磨損狀態(tài)測試、工件加工狀態(tài)監(jiān)測等。測量傳感器有熱傳感器、測試刀具的聲發(fā)射傳感器、工件加工可視監(jiān)視器等。 
    
   智能技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于測試信號的分析和處理。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被應(yīng)用于刀具磨損狀態(tài)的識別。