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：2265

1 引言


高速加工技術(shù)是一項先進(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)過相當(dāng)長的時間，高速加工基礎(chǔ)理論才用于生產(chǎn)。這一過程長達(dá)60年，一方面是因為工藝界對這一技術(shù)采取了謹(jǐn)慎的態(tài)度，另一方面是因為當(dāng)時的生產(chǎn)設(shè)備不適合用來進(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專利局申請了專利，專利號為523594 。發(fā)明家C. Salomon對不同材料進(jìn)行切削實驗，實驗切削速度如下：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)。實驗結(jié)果表明，當(dāng)切削速度超過某一數(shù)值時，切削速度再增大，切削溫度反而會降低(圖1)。Salomon是用圓鋸片來做實驗研究的，這主要是因為當(dāng)時還沒有高速旋轉(zhuǎn)的電機，因而只能通過加大圓鋸片的直徑來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，對于加工大多數(shù)工件來說，卻很少使用大直徑的刀具。這意味著在實際應(yīng)用中，高速切削主要是通過高速旋轉(zhuǎn)來達(dá)到的。然而，這在當(dāng)時是不可能做到的。
Salomon的基礎(chǔ)研究表明，在一定的速度范圍內(nèi)，由于過高的溫度導(dǎo)制加工無法進(jìn)行(這在美國被稱為“死區(qū)”)。正是因為這個原因，高速加工也可被定義為切削速度超過那個速度范圍。按照現(xiàn)有的知識，PTW研究所定義的高速加工為切削速度超過傳統(tǒng)加工速度的5～10倍。

3 彈射實驗


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驗方法。這些實驗，一部分是通過快速滑動使刀具通過工件加工表面，另一部分則是通過彈射工件使它通過靜止的切削刃。從這些實驗中發(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，還建立了有關(guān)特殊切削壓力和動態(tài)切削力的公式，并有史以來第一次科學(xué)的證實了在低速切削區(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驗中，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，美國大量的研究表明，只要解決切削過程中嚴(yán)重的刀具磨損和機床振動，生產(chǎn)效率會大大提高，生產(chǎn)成本也會顯著降低。在一項研究中還發(fā)現(xiàn)，切削鋁時切削速度超過6500m/min 很有研究價值。在日本，大部分研究集中在切屑變形理論和變形機理。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，而且也能用于實際生產(chǎn)中。

4 高速主軸的應(yīng)用


1977年，美國第一次通過銑削速度高達(dá)1980m/min的銑床證實了射擊試驗的結(jié)果與理論分析結(jié)論，同時試驗結(jié)果也表明，切削表面質(zhì)量明顯提高。
這些試驗中的另一重大發(fā)現(xiàn)是高速切削過程中產(chǎn)生的切削熱大部分被切屑帶走了。1979年，美國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。
美國所開展的這些研究主要集中在對輕金屬的高速加工，僅有少數(shù)幾項試驗用來研究鋼及鑄鐵的高速加工。對其它一些材料如：加工性較差的鋼、纖維增強型塑料等等的高速試驗卻很少。20世紀(jì)70年代末以前，缺乏從整體上對高速切削基礎(chǔ)全面系統(tǒng)的研究，也沒有對原因與效果之間的工藝關(guān)系的探索，對這項金屬切削新技術(shù)對金屬切削有關(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)工程與機床研究所(PTW)是歐洲第一個開展高速加工技術(shù)研究的研究中心。1979年該中心開展一合作研究項目——高速銑削過程特點研究，研究重點是磁懸浮軸承對高速轉(zhuǎn)軸發(fā)展的技術(shù)支持，并在機床上進(jìn)行實際測試。
通過使用這一由磁懸浮軸承支承的轉(zhuǎn)軸，1980年終于實現(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得出的理論得到證實，并增加一些關(guān)于刀具及機床組件發(fā)展的內(nèi)容。
經(jīng)過不斷的研究，現(xiàn)在在高速切削技術(shù)的理論和應(yīng)用技術(shù)方面，PTW的研究水平超過了其它任何一個研究機構(gòu)。1981年，所謂的“專家們”聲稱這一新切削技術(shù)根本沒有應(yīng)用前途，因為他們認(rèn)為增加單位時間內(nèi)金屬去除率，刀具磨損會加大，這樣加工過程的經(jīng)濟性不一定很好�，F(xiàn)在我們看到當(dāng)時對高速加工技術(shù)持否定觀點的“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，大型合作項目——金屬和非金屬材料的高速銑削對宣傳高速加工技術(shù)作用巨大。這一項目從1984 年開始，得到了國家研究技術(shù)部的鼎力支持，這一項目以PTW為首，共有41家公司緊密合作參與實際研究。
經(jīng)過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 加工機床的整體發(fā)展


從一開始，PTW研究重點就放在保持技術(shù)工藝與機床及其部件之間同時發(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)出世界上第一臺適合高速切削的機床。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這項新技術(shù)的理解，同時也為高速加工技術(shù)的發(fā)展提供了相應(yīng)的機床和刀具。正是這一整體考慮使人們意識到高速加工技術(shù)的優(yōu)點，進(jìn)而為高速加工技術(shù)的應(yīng)用打開了廣闊的市場。高速加工技術(shù)的優(yōu)點包括：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，刀具壽命會下降(圖4)。所以現(xiàn)在仍需進(jìn)一步研究來克服這一缺點。
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，高速加工的應(yīng)用場合主要包括：模具業(yè)制造，飛機制造工業(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^低估計高速加工過程中的潛在危險。這些危險包括：飛濺的切屑和崩刃以及變松的刀具夾緊系統(tǒng)都具有很高的動能，另外加工過程中還存在軸向動態(tài)力。這意味著高標(biāo)準(zhǔn)的主動和被動的防護(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、測試指導(dǎo)和設(shè)計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)。
對生產(chǎn)過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間。在手工勞動上節(jié)約時間可達(dá)到80% ，成本降低到原來的30%。
如果一個加工表面仍需進(jìn)一步進(jìn)行磨削加工，提高待加工表面質(zhì)量會大大降低磨削時間。以前在高速加工領(lǐng)域的研究都集中在銑削，通過不斷擴展PTW的研究領(lǐng)域，在高速鉆削、擴、車削及車銑削方面也可獲得重要的知識。

8 機床及其部件


雖然，在80年代中期與加工技術(shù)、刀具、機床組件相關(guān)的結(jié)果也會公布于眾，但這一技術(shù)在實踐中的廣泛應(yīng)用花了相當(dāng)長的時間。90 年代的經(jīng)濟萎縮迫使公司采取改革，這大大促進(jìn)了機床工業(yè)的發(fā)展。
現(xiàn)在，各類高速切削機床在商業(yè)上已趨于成熟，因為高速的總體趨勢還在繼續(xù)，緊隨高速機床之后，標(biāo)準(zhǔn)機床的切削速度也越來越快。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，高速切削速度范圍還可進(jìn)一步提高。關(guān)于對高速銑削機床的需求從側(cè)面反映了待加工工件及高速銑削技術(shù)的需求(圖6)。
這就是為什么會有二個有區(qū)別的市場范圍：高速切削范圍下限的高速機床以大的金屬去除率為主；另一市場是真正的高速加工，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)在直線電機的研究取得飛躍的發(fā)展，使得高速加工機床進(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，世界上很多研究機構(gòu)對高速加工技術(shù)開展了研究，PTW經(jīng)常與它們展開國際交流和合作。1998年4月，DFG(Deutsch Forschungs-gemeinschaft)組織開展了一項新研究，目的是對金屬去除區(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)濟性了，進(jìn)一步提高刀具壽命會大大擴大高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。常規(guī)的機床工業(yè)也從這一趨勢中收益匪淺。例如，因為最初專為高速加工機床的馬達(dá)具有很多優(yōu)點，它們也可用于低速的普通機床�？焖俚腃NC控制系統(tǒng)和大功率驅(qū)動系統(tǒng)用于現(xiàn)有的普通CNC 機床上也會大大改善其性能。

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