高速切削技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

高速切削技術(shù)是目前機(jī)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(xué)科。本文主要介紹了高速加工機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)切削；精加工成本低等諸多的優(yōu)點(diǎn)。
　　高速切削技術(shù)的實(shí)施主要取決于機(jī)床、刀具、加工方法和冷卻技術(shù)的實(shí)施。當(dāng)前高速機(jī)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(jìn)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(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)等，這些關(guān)鍵技術(shù)對(duì)高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起著決定性的作用。而先進(jìn)加工方法和冷卻技術(shù)研究相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較落后，當(dāng)然這取決于高速切削機(jī)理研究的相對(duì)落后。
　　

高速切削刀具
　　高速切削技術(shù)是一個(gè)工程科學(xué)問(wèn)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(xué)、機(jī)床動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等，所以說(shuō)高速切削技術(shù)是一門綜合交叉性學(xué)科。
　　高速切削機(jī)理研究的主要內(nèi)容
　　高速切削機(jī)理研究主要從四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：高速切削過(guò)程和切屑成形機(jī)理；高速加工基本規(guī)律；各種材料的高速切削機(jī)理；高速切削虛擬技術(shù)。其中：
　　(1)高速切削過(guò)程和切屑成形機(jī)理的研究是針對(duì)高速切削加工中切屑成形機(jī)理、切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過(guò)程原理的研究來(lái)進(jìn)行。
　　(2)高速加工基本規(guī)律的研究是針對(duì)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(duì)這些現(xiàn)象的影響規(guī)律進(jìn)行研究；提出反映其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等間題。
　　(3)各種材料的高速切削機(jī)理研究是針對(duì)各種工程材料在高速切削下的切削機(jī)理，包括輕金屬材料、鋼和鐵、復(fù)合材料、難加工合金材料等。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和分析，建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)等。
　　(4)高速切削虛擬技術(shù)研究是針對(duì)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)，虛擬高速加工過(guò)程中刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用過(guò)程，對(duì)切屑形成過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，顯示加工過(guò)程中的熱流、相變、溫度及應(yīng)力分布等，預(yù)測(cè)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(duì)加工的影響等。
　　高速機(jī)床研究的主要內(nèi)容
　　高速切削加工機(jī)床與普通機(jī)床的主要區(qū)別在于高速機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)的主軸單元及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　高速主軸單元的設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)高速加工的最關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域之一，同時(shí)也是高速加工機(jī)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(dòng)功率、良好的散熱或冷卻裝置，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡矯正，主軸部件的設(shè)計(jì)要保證具有良好的動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性，具有極高的角加減速度來(lái)保證在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升、降速和在指定位置的準(zhǔn)停。
　　有快速反應(yīng)的進(jìn)給系統(tǒng)單元和數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　高速機(jī)床在高速切削加工時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)床進(jìn)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(jìn)給量基本不變，否則會(huì)嚴(yán)重影響工件加工的表面質(zhì)量和刀具壽命。同時(shí)機(jī)床空行程運(yùn)動(dòng)速度也必須大大提高�，F(xiàn)代高速加工機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度要求達(dá)到(40-120)m/min，進(jìn)給加速度和減速度同樣要求達(dá)到(1-8)g。
　　機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須突破傳統(tǒng)一般數(shù)控機(jī)床中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+普通滾珠絲杠”的進(jìn)給傳動(dòng)方式。在結(jié)構(gòu)形式上采取的主要措施有：大幅度減輕進(jìn)給移動(dòng)部件的重量，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，即直接采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)；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(wú)間隙直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給部件的高速移動(dòng)和快速準(zhǔn)確定位；采用快速反應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)CNC控制系統(tǒng)。
　　有一個(gè)高效、快速的冷卻系統(tǒng)
　　在高速切削加工過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)切削區(qū)域會(huì)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(jìn)行，而且會(huì)造成機(jī)床、刀具和工具系統(tǒng)的熱變形，嚴(yán)重影響加工精度和機(jī)床的動(dòng)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(jī)床的切削部位，進(jìn)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(jī)床頂部淋向機(jī)床工作臺(tái)，把大量的熱切屑立即沖走，始終保持工作臺(tái)的清潔，并形成一個(gè)恒溫的小環(huán)境。
　　高剛性的床體結(jié)構(gòu)
　　高速切削加工機(jī)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(huì)產(chǎn)生較大的附加慣性力作用在床體上，因而機(jī)床床身受力較大。設(shè)計(jì)時(shí)必須要求其具有足夠的強(qiáng)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(hù)裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)
　　在高速切削加工過(guò)程中，若刀具斷裂，其初速將如同子彈一般，易于造成危險(xiǎn)和人身傷害。為此，機(jī)床工作時(shí)必須用足夠厚的鋼板將切削區(qū)封閉起來(lái)，同時(shí)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(dòng)在線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)刀具磨損、破損和主軸運(yùn)行狀況等進(jìn)行在線識(shí)別和監(jiān)控，確保人身和設(shè)備安全。
　　要有方便可靠的換刀裝置
　　通過(guò)新型換刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要保證高速切削加工下?lián)Q刀方便、可靠、迅捷，換刀時(shí)間短。這也是高速切削加工過(guò)程中所必需的。
　　機(jī)床具有優(yōu)良的熱態(tài)特性和靜、動(dòng)態(tài)特性
　　高速切削加工情況下，單位時(shí)間內(nèi)其移動(dòng)部件間因摩擦產(chǎn)生的熱量較多，熱變形較大。
　　機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)床上一般要采取特殊的冷卻措施，來(lái)冷卻主軸電機(jī)、主軸支撐軸承、直線電機(jī)、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(dòng)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(jī)床各支撐部件和其總體必須具有足夠的動(dòng)、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(gè)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(guó)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(fù)合陶瓷、表面涂層硬質(zhì)合金、超細(xì)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(duì)刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀的研究注重以“切削模型”為設(shè)計(jì)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(fù)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(shí)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(jī)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(kuò)張?jiān)斐蓜偠认陆挡⒂绊憚?dòng)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(dá)到端面的接觸，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸錐孔擴(kuò)脹，錐柄恢復(fù)彈性變形，繼續(xù)保持錐面和端面的接觸，應(yīng)用這樣的刀柄刀具的金屬切除率可提高50%。
　　近年來(lái)，德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)開(kāi)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(guó)阿亨大學(xué)開(kāi)發(fā)的HSK刀柄系列，已列入了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，錐度用1：10。美國(guó)肯納金屬公司開(kāi)發(fā)了KM刀柄系列，也是用1：10錐度。日本開(kāi)發(fā)了BIG-PLUS刀柄系列，屬于7：24錐度的改進(jìn)型。瑞典山特維克可樂(lè)滿公司開(kāi)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(duì)高速刀具提出的動(dòng)平衡要求越來(lái)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(zhǎng)。對(duì)此刀具系統(tǒng)要做預(yù)平衡處理。此項(xiàng)研究有：刀具系統(tǒng)的預(yù)平衡、在線動(dòng)平衡工具系統(tǒng)等。
　　智能刀具的發(fā)展
　　一項(xiàng)研究報(bào)告指出：在美國(guó)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(shí)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(guó)家刀具的正確選擇則遠(yuǎn)低于美國(guó)。因此，提高加工效率，降低成本，研究開(kāi)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(guò)與機(jī)床控制器的無(wú)線耦合，實(shí)現(xiàn)加工尺寸偏差的調(diào)整及對(duì)刀具耐用度的識(shí)別，并可實(shí)時(shí)采集切削過(guò)程的信息，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后使機(jī)床始終保持在最佳狀態(tài)。
　　“智能型刀具”的研究始于20世紀(jì)80年代末，它是將各種傳感器置于刀體內(nèi)，將驅(qū)動(dòng)、返回、微型計(jì)算裝置、非接觸式能量和數(shù)據(jù)傳輸裝置集成在一起，實(shí)現(xiàn)刀具的微米級(jí)調(diào)整，并可由機(jī)床控制器的M指令加以控制。
　　中國(guó)對(duì)“智能刀具”的研究仍處于初期階段，對(duì)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(cè)，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)與加工過(guò)程的適應(yīng)性控制等方面的研究。
　　德國(guó)Mapal公司和Heller機(jī)床公司首先將該技術(shù)用在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的缸孔進(jìn)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(cuò)排列，最高切削速度達(dá)10000r/min。其中：兩組刀片用于半精加工，第三組刀片能自動(dòng)調(diào)節(jié)，用于完成精加工工序。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，在離心力作用下，機(jī)構(gòu)會(huì)將刀片位置調(diào)節(jié)一個(gè)預(yù)定的數(shù)值，并帶有內(nèi)置式氣動(dòng)量規(guī)測(cè)量已加工的孔徑，將測(cè)量結(jié)果傳給機(jī)床控制系統(tǒng)并自動(dòng)調(diào)整刀具尺寸。
　　日本黛杰刀具公司也開(kāi)發(fā)了在線可調(diào)刀具尺寸的“靈巧刀具”；美國(guó)肯納金屬公司研制了一種加工中心進(jìn)行精確自動(dòng)刀具補(bǔ)償精鏜刀具系統(tǒng)，這是一種微米級(jí)的模塊式、有級(jí)調(diào)整的精鏜刀具系統(tǒng)，其最小分辨率為1μm。
　　帶有測(cè)量功能并可自調(diào)的切削部件及可適應(yīng)控制的和能自學(xué)的數(shù)控機(jī)床，裝有傳感器和執(zhí)行元件的智能化刀具，將是未來(lái)智能化的發(fā)展方向。