高速加工技術(shù)

【摘要】介紹高速加工技術(shù)發(fā)展過(guò)程，高速加工技術(shù)的原理，特點(diǎn)與應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)。 

一、引 言 

    高速加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，正成為切削加工的主流，具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。高速加工的理念從20世紀(jì)30年代初提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)艱難的理論探索和研究，并隨著高速切削機(jī)床技術(shù)和高速切削刀具技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，直至20世紀(jì)80年代后期進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的航空航天、汽車(chē)、模具等制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 

二、高速加工技術(shù)的發(fā)展 

    20世紀(jì)中后期，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是材料、信息、等領(lǐng)域的長(zhǎng)足進(jìn)步，對(duì)常規(guī)的金屬加工效率產(chǎn)生了更高的要求。需要在保證加工質(zhì)量的同時(shí)能夠盡快的完成金屬切削加工過(guò)程，提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)而提升企業(yè)的產(chǎn)能，增加企業(yè)收入。在這樣的背景之下，高速加工技術(shù)概念提出20年后，從20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始，高速切削加工的理論基礎(chǔ)研究開(kāi)始在世界范圍內(nèi)展開(kāi)。  

    首先是高速加工理論研究和探索階段（1931年—1971年）。由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有高速加工的機(jī)床，不能進(jìn)行很高速的切削加工實(shí)驗(yàn)，于是采用了彈射實(shí)驗(yàn)的方法。研究表明很多材料是可以通過(guò)高速切削來(lái)實(shí)現(xiàn)加工的，可以大大的提高生產(chǎn)效率，但是要解決高速切削過(guò)程中嚴(yán)重的刀具磨損和機(jī)床振動(dòng)現(xiàn)象。  

    然后是高速加工應(yīng)用基礎(chǔ)研究探索階段（1972年—1978年）。該階段主要探索了高速切削加工用于實(shí)際生產(chǎn)的可行性。最后發(fā)現(xiàn)：生產(chǎn)上應(yīng)用切削速度（305~915）m/min切削加工鑄鐵和鋼；（610~3660）m/min切削加工鋁合金是可行的，并且可以有效地提高表面加工質(zhì)量，但要加強(qiáng)研究開(kāi)發(fā)刀具和具有快速裝卸工件與更換刀具的高速加工機(jī)床。  

    隨后是高速加工應(yīng)用研究階段（1979年—1989年）。此時(shí)期開(kāi)始研究由磁懸浮軸承支持的高速電主軸系統(tǒng)，全面深入系統(tǒng)研究了高速銑削鐵屬和非鐵屬材料的基礎(chǔ)理論、高速切削刀具和機(jī)床技術(shù)、高速切削加工工藝和效率以及高速切削加工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，獲得許多有重要價(jià)值的成果。  

    目前是高速加工技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用階段（1990年至今）。1993年直線電機(jī)的出現(xiàn)拉開(kāi)了高速進(jìn)給的序幕，快速換刀和裝卸工件的結(jié)構(gòu)日益完善，自動(dòng)新型電主軸高速切削加工中心也不斷投放到國(guó)際市場(chǎng)。高速切削刀具的材料、結(jié)構(gòu)和可靠的刀具與主軸連接的刀柄的出現(xiàn)與使用，標(biāo)志著高速加工技術(shù)已從理論研究進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。高速加工技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家成為切削加工主流，日益廣泛的應(yīng)用于模具、航空、航天、高速機(jī)車(chē)和汽車(chē)工業(yè)等，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 

三、高速加工技術(shù)的原理  

    在機(jī)械加工中，切削溫度是一個(gè)重要的制約參數(shù)，德國(guó)物理學(xué)家薩洛蒙在1931年提出的高速加工理論：當(dāng)切削速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，切削刃處的切屑去除溫度開(kāi)始降低。他當(dāng)時(shí)還同時(shí)提出了一個(gè)理論：用傳統(tǒng)刀具在更高切削速度下加工時(shí)，有可能提高生產(chǎn)效率。切削溫度和常規(guī)切削基本相同，但切削工時(shí)大大減小，生產(chǎn)效率可大幅提高。高速加工主要以較快的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行加工，它是指刀具切削刃相對(duì)于零件表面的切削運(yùn)動(dòng)或移動(dòng)速度超過(guò)普通切削的5~10倍，主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、工進(jìn)及快退三個(gè)環(huán)節(jié)上。 

四、高速加工技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用  

     高速加工主要有兩個(gè)特點(diǎn)：一是主軸轉(zhuǎn)速較高，一般情況下主軸轉(zhuǎn)速在10 000~60 000r/min;二是高速進(jìn)給，進(jìn)給速度一般在每分鐘幾米甚至幾十米以上。由于進(jìn)給速度很大，機(jī)床主軸的慣性就成為高速加工時(shí)不能忽視的要素，在機(jī)床和控制系統(tǒng)的選配過(guò)程中都要予以充分的考慮，否則使用不當(dāng)不僅會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，而且會(huì)影響加工質(zhì)量。此外由于高速加工時(shí)機(jī)床設(shè)備、切削工具的正常狀態(tài)與普通加工有很大的差異，因此，高速加工與普通加工有很大的差異。所以，高速加工技術(shù)對(duì)機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)、編程、工藝流程、設(shè)計(jì)系統(tǒng)等方面都提出了更高的要求，所以不能采用老一套加工的思路。 

五、高速加工技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 

    高速加工之所以得到工業(yè)界越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，是因?yàn)樗�相�?duì)傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說(shuō)來(lái)有以下優(yōu)點(diǎn)： 

    1.可提高生產(chǎn)效率，高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。 

    2.降低了切削力: 由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30%，這對(duì)于加工剛性較差的零件

來(lái)說(shuō)可減少加工變形，使一些薄壁類(lèi)精細(xì)工件的切削加工成為可能。   

    3.提高了加工質(zhì)量  

    因?yàn)楦咚傩�轉(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。 

從動(dòng)力學(xué)角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由于切削力產(chǎn)生的振動(dòng)(即強(qiáng)迫振動(dòng))的振幅；轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的固有頻率，避免共振的發(fā)生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。    

4.加工能耗低，節(jié)省制造資源  

由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時(shí)間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

5.簡(jiǎn)化了加工工藝流程,  常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過(guò)放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來(lái)的表面硬化問(wèn)題，減少或免除了人工光整加工。   由于高速切削的特點(diǎn)決定了高速切削可以節(jié)省切削液、刀具材料和切削工時(shí)，從而可極大限度地節(jié)約自然資源和減少對(duì)環(huán)境的污染，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此，高速切削在工業(yè)生產(chǎn)尤其是規(guī)模較大的汽車(chē)企業(yè)和與之相關(guān)的模具制造業(yè)上的應(yīng)用具有“燎原”之勢(shì)。  

    同時(shí)，高速加工在現(xiàn)今的制造業(yè)中也存在一些不足之處： 

1、工件特點(diǎn)方面的不足：加工較復(fù)雜的工件，加工成本會(huì)大大增加，很多復(fù)雜工件、薄壁工件、深窄槽加工、微細(xì)加工等加工難度較大，甚至無(wú)法加工。 

2、加工精度方面的不足：需要昂貴的高精度、高剛性的機(jī)床，機(jī)床成本是電火花機(jī)床的3～5倍。對(duì)于內(nèi)邊角加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)，存在刀具干涉、無(wú)合適刀具等原因，還需用電火花加工或鉗工二次加工處理。

3、加工材料方面的不足：加工淬火工件，刀具昂貴成本高，且刀具壽命很低。

4、加工速度方面的不足：對(duì)機(jī)床的控制系統(tǒng)要求很高。對(duì)編程以及操作人員技術(shù)素質(zhì)要求很高，對(duì)人員的依賴(lài)性較強(qiáng)。 

六、結(jié)論 

    高速加工技術(shù)已應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)等行業(yè)中的車(chē)、銑、鏜、鉆、拉、鉸、攻絲、磨削加工, 適用 于鋁合金、鋼、鑄鐵、鈦合金、鎳基合金、銅合金、纖 維增強(qiáng)的合成樹(shù)脂等所有傳統(tǒng)切削材料, 以及難 加工材料的加工。 

    高速加工技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的必有之路, 是 切削加工發(fā)展的主要方向之一。推廣應(yīng)用高速加 工技術(shù)不但可以大幅度提高機(jī)械加工的效率、質(zhì) 量, 減低成本, 而且可帶動(dòng)一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展。隨著高速切削加工及其關(guān)鍵技術(shù)的研究, 新的更高速、超高速機(jī)床和刀具的應(yīng)用, 必將對(duì)機(jī)械制造也產(chǎn)生重要而深遠(yuǎn)的影響。