1、 先進制造技術(shù) 高速加工技術(shù)摘要：論述了高速切削的概念，高速的特點，以及高速切削機床技術(shù)、控制系統(tǒng)、高速切削刀具技術(shù)、高速切削工藝技術(shù)以及高速切削加工理論等高速切削過程中的關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀與最新進展。關(guān)鍵詞：高速加工，加工優(yōu)勢，切削相關(guān)技術(shù)一、概述1.高速加工的基本概念高速加工的關(guān)鍵技術(shù)一般認(rèn)為高速加工是采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的510倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000r/min。高速切削概念是德國切削物理學(xué)家薩洛蒙（CarlSalomon

2、）于1931年提出的，現(xiàn)在人們常用“薩洛蒙曲線”來表示。他認(rèn)為，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，一定的工件材料對應(yīng)有一個臨界切削速度，此處切削溫度最高，但當(dāng)切削速度超過臨界值后，切削溫度不但不升反而下降。對于每一種工件材料，都存在一個速度范圍，在該范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，刀具材料無法承受，切削加工不能進行，這個范圍稱之為“死谷”。如果切削速度能越過“死谷”，在高速區(qū)工作，則有可能用現(xiàn)有的刀具進行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而大大減少切削工時，大幅度提高機床生產(chǎn)效率。2.高速加工的切削速度范圍高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異。高速加工切削速度范圍隨加

3、方法不同而不同。加工工藝切削速度范圍（m/min)加工材料切削速度范圍（m/min)車削7007000鋁合金20007500銑削3006000銅合金9005000鉆削2001100鋼6003000拉削3075耐熱合金500磨削500010000鑄鋼8003000較削20500鈦合金1501000鋸削50500纖維增強塑料200090003.高速加工的特點、加工效率高：切削速度、進給速度比常規(guī)切削高510倍，加工時間通常可縮減到原來的13，材料去除率可提高36倍。、切削力小：加工切削力比常規(guī)降低30，徑向力降低更明顯，這有利于減小工件以及刀具受力變形，單位功率材料切除率可提高40以上，通常刀具壽

4、命可提高約70。、切削熱少：加工過程迅速，95以上的切削熱來不及傳給工件而被切屑迅速帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合加工熔點低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件。、加工精度高：切屑被飛快地切離工件，切削力和切削熱影響小，從而使工件表面的殘余應(yīng)力小，使刀具和工件的變形小，保持了尺寸的精確性、較好的表面質(zhì)量。、加工過程穩(wěn)定：高速旋轉(zhuǎn)刀具切削加工時的激振頻率高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“機床一工件一刀具”系統(tǒng)的固有頻率范圍，不會造成工藝系統(tǒng)振動。、良好的技術(shù)經(jīng)濟效益：縮短加工時間、加工能耗低、可加工剛性差的零件、零件加工精度高、提高了刀具耐用度和機床利用率、節(jié)省了換刀輔助時間和刀具刃磨費用等。、工序集約化：可獲得

5、高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對硬表面進行加工，從而可使工序集約化。這對于模具加工具有特別意義。4.高速加工的應(yīng)用航天航空航天航空工業(yè)中許多帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件，采用高速加工，材料去除率達100180cm³/min，并可獲得好的質(zhì)量。此外，航空航天工業(yè)中許多鎳合金、鈦合金零件，也適于采用高速加工，切削速度達2001000m/min。在航空航天部門，高強度鋁合金整體構(gòu)件通常都采用“整體制造法”制造，即在整塊毛坯上切除大量材料后，形成高精度的鋁合金復(fù)雜構(gòu)件，其切削工時占整個零件制造總工時的比例很大。整體結(jié)構(gòu)件還具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄等特點，從而使得整體結(jié)構(gòu)

6、件加工周期長、產(chǎn)品質(zhì)量難于控制，尤其薄壁加工時，零件尺寸更是難以保證。在高速加工中，由于小的切削力會減輕薄壁的機械變形，另外切削時產(chǎn)生的熱量由切屑帶走而來不及傳遞到工件中，避免引起零件的熱應(yīng)力變形，可以穩(wěn)定地完成薄壁加工。這是航空航天制造業(yè)開發(fā)和應(yīng)用高速切削技術(shù)的主要原因汽車工業(yè)汽車發(fā)動機及其配件的高速切削加工，用高速加工中心組成高效率的柔性生產(chǎn)線，具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內(nèi)容等顯著特點。對于有大量材料需要移除的工件，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或超薄結(jié)構(gòu)的工件（如發(fā)動機機體、缸蓋，汽車覆蓋件模具等），傳統(tǒng)上需要花相當(dāng)長的機動工時加工的工件以及設(shè)計變更快速、產(chǎn)品周期短的工件，均能顯示出高速切削所帶

7、來的優(yōu)點。 模具制造用高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，可使模具制造效率提高35倍。對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可將低模具生產(chǎn)成本。儀器儀表主要用于精密光學(xué)零件加工。5.高速加工的關(guān)鍵技術(shù)雖然高速加工具有眾多的優(yōu)點，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對于相關(guān)技術(shù)要求較高，使其應(yīng)用受到限制。與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有：高速加工刀具與模具制造技術(shù)，高速切削刀具技術(shù)刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削的重要保證。正確選擇刀具材料和設(shè)計刀具系統(tǒng)對于提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用；高速主軸單元與高速進給單元制造技術(shù)，傳統(tǒng)的滾珠

8、絲杠副傳動系統(tǒng)對高速進給系統(tǒng)表現(xiàn)出不適應(yīng)性，必須對其進行技術(shù)改進和技術(shù)創(chuàng)新，才能適應(yīng)高速切削的要求；高速加工在線檢測與數(shù)控技術(shù)，用于高速切削的數(shù)控裝置必須具備很高的運算速度和精度。采用快速響應(yīng)的伺服控制，以滿足復(fù)雜型腔的高速度加工要求；其他技術(shù)，如高速加工毛坯制造技術(shù)、干切技術(shù)、高速加工的排屑技術(shù)、安全防護技術(shù)等。2、 高速切削刀具材料1.高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高強度和耐磨性；高韌度、良好的耐熱沖擊性；高熱硬性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂層刀具、陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金剛石（PCD）材料等。材料性能刀

9、具材料種類合金工具鋼高速鋼W18Cr4V硬質(zhì)合金YG6陶瓷Si3N4天然金剛石聚晶金剛石（PCD）聚晶立方氮化硼（PCBN)硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗彎強度（GPa）2.43.21.450.80.32.81.5熱導(dǎo)系數(shù)（W/mk)40502030701003040146.510012010100熱穩(wěn)定性（）350620100014008006008001000化學(xué)惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低較高高最高最高很高加工質(zhì)量一般精度Ra0.8IT78Ra0.8IT78高精度Ra=0.10.05IT56Ra=0.40.2IT56可替代

10、磨削加工對象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵的粗、細(xì)加工一般鋼材、鑄鐵、有色金屬的粗、細(xì)加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁、有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料2.金剛石天然金剛石天然金剛石俗稱“金剛鉆”。也就是我們常說的鉆石的原身，它是一種由碳元素組成的礦物，是碳元素的同素異形體。金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)，硬度范圍為HV8000HV12000,相對密度為3.483.56。金剛石的用途非常廣泛，例如：工藝品、工業(yè)中的切割工具。天然金剛石耐磨性極好，刀具壽命可長達數(shù)百小時；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可小至0.01µm。天然金剛石價格

11、昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤等。聚晶金剛石（PCD）PCD由微米尺寸的人造金剛石微粉在高溫高壓條件下燒結(jié)而成，金剛石單晶隨晶面及晶向的不同而表現(xiàn)出不同的特性，聚晶金剛石則表現(xiàn)出各向同性，在各個方向表現(xiàn)出相同的性質(zhì)。PCD的硬度可達8000HV，為硬質(zhì)合金的812倍；PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，為硬質(zhì)合金的1.59倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；PCD的摩擦系數(shù)一般僅為0.10.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.41），因此PCD刀具可顯著減小切削力；PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10-61.18&

12、#215;10-6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤 加工對象硬度加工方法工藝參數(shù)加工效果鋁合金端銑v=4000m/minRa0.80.4µm共晶硅鋁合金HRC71車削v=600m/min=0.1mm/r一次刃磨切削行程800km,Ra0.8µm,刀具壽命為硬質(zhì)合金的50倍共晶硅HRC71銑削v=2900m/minz=0.018mm/Z刀具壽命為硬質(zhì)合金的80倍，Ra0.8µm玻璃纖維強化塑料HRA87車削v=500m/min刀具壽命為硬質(zhì)合金的

13、150倍，Ra0.80.4µm熱塑性醋酸鹽銑削v=4500m/minV=10mm/min比硬質(zhì)合金壽命提高380倍，Ra0.80.4µm高Si-Al鑄件銑削v=2200m/minRa0.8µm鋁合金鉆削v=360m/min以鉆代鏜，Ra0.8µm3.聚晶立方氮化硼從1957年美國GE公司研制出立方氮化硼（CBN）單晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，經(jīng)過30多年的發(fā)展，PCBN刀具已逐步趨于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片與刀桿或可轉(zhuǎn)位刀片焊接而成，近年來整體式PCBN刀片種類也越來也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN層直接燒結(jié)在硬質(zhì)

14、合金基體上形成的復(fù)合整體。這種材料既具有PCBN的高硬度、高熱穩(wěn)定性和高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時又具有硬質(zhì)合金強度好、可焊性好的優(yōu)點，使PCBN刀具不僅可切削各種硬度的工件，而且也易于生產(chǎn)。PCBN刀片質(zhì)量的好壞直接影響著刀具切削性能。PCBN刀片的質(zhì)量受到多種因素的影響，其中燒結(jié)過程中各種工藝參數(shù)的改變，對PCBN刀片的質(zhì)量影響最大。粘結(jié)劑/催化劑材料、基體材料等組成材料，以及顆粒表面清潔度、顆粒度等都決定了PCBN刀片的性能。加工對象硬度加工方式工藝參數(shù)加工效果Cr15鋼軋HRC71車削v=180m/min=5.6mm/r以車代磨，工效提高45倍，Ra0.80.4µmYG冷擠壓模HRA

15、87鏜孔v=50m/min工效較電火花加工提高30倍，Ra0.80.4µmA3熱壓板端銑v=800m/minv=100m/min以銑代磨，工效提高67倍，Ra1.60.8µm，平面度0.02µm凸輪軸HRC60磨削v=80m/s比單晶剛玉砂輪壽命提高20倍，生產(chǎn)效率提高50%GCr15軸承內(nèi)孔HRC62磨削v=65m/s比棕剛玉砂輪耐用度提高170倍，生產(chǎn)效率提高一倍Cr、Cu鑄鐵端銑v=800m/minRa0.8µm，平面度0.02µm40CrHRC38立銑v=850m/min以銑代磨，工效提高56倍三、超高速切削的主軸系統(tǒng) 超高速主軸單元是

16、超高速加工機床最關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件。高速主軸單元的設(shè)計是實現(xiàn)高速加工最關(guān)鍵的技術(shù)之一。超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分。高速主軸單元在結(jié)構(gòu)上分為兩類，即分離式高速主軸與內(nèi)裝式電主軸。分離式高速主軸采用皮帶傳動，其核心技術(shù)是主軸單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，主軸軸承的合理選擇、裝配及調(diào)整，主軸單元冷卻系統(tǒng)的設(shè)計及主軸單元的試制等。 內(nèi)裝式電主軸采用電機直接驅(qū)動方式，主軸電機與機床主軸合二為一，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)。這樣，電機的轉(zhuǎn)子就是機床的主軸，機床主軸單元的殼體就是電機座，從而實現(xiàn)了變頻電機與機床主軸的一體化。由于它取消了從主電機到機

17、床主軸之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，因而把主傳動鏈的長度縮短為零。我們稱這種新型的驅(qū)動與傳動方式為“零傳動”。 集成式電機主軸振動小，由于直接傳動，因而減少了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，消除了齒輪的傳動誤差。同時，集成式主軸也簡化了機床設(shè)計中一些關(guān)鍵性的工作，如簡化了機床外型設(shè)計，容易實現(xiàn)高速加工中快速換刀時的主軸定位等。 這種電主軸和以前用于內(nèi)圓磨床的內(nèi)裝式電機主軸有很大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在： 有很大的驅(qū)動功率和扭矩； 有較寬的調(diào)速范圍； 有一系列監(jiān)控主軸振動、軸承和電機溫升等運行參數(shù)的傳感器、測試控制和報警系統(tǒng)，以確保主軸超高速運轉(zhuǎn)的可靠性與安全性。國外超高速主軸單元的發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸

18、轉(zhuǎn)速已普遍達到10 000 r/min，甚至更高。四、超高速軸承技術(shù)高速主軸軸承是機床的核心部件，其功能是帶動刀具（砂輪）或工件旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)高速精密加工。隨著現(xiàn)代工業(yè)對機床加工精度和加工效率要求的不斷提高，機床對主軸性能的要求也越來越高，傳統(tǒng)的高速主軸概念已難以充分描述機床主軸的技術(shù)內(nèi)涵。 高性能機床用高速主軸軸承是指在滿足加工精度和加工效率的前提下，速度、精度、剛度、功率、轉(zhuǎn)矩匹配特性好，可靠性高，性能價格比高的機床主軸。 機床高速主軸軸承按所采用的軸承類型可分為滾動軸承（角接觸球軸承、滾子軸承）、液體滑動軸承（動壓軸承、靜壓軸承、動靜壓軸承）、氣體軸承和磁懸浮軸承等，按照與電動機的連接方式可分為機械主軸和電主軸。 電主軸（高速主軸軸）是將機床主軸功能與電動機功能從結(jié)構(gòu)上融為一體的新型主軸部件，它省去了皮帶傳動或齒輪傳動環(huán)節(jié)，具有速度高、精度高、調(diào)速范圍寬、振動噪聲小、可快速起動和準(zhǔn)停等優(yōu)點。用電主軸取代傳統(tǒng)機械主軸是機床工業(yè)發(fā)展的大趨勢。 電主軸按照電動機的類型又可分為異步型電主軸和永磁同步型電