高速切削技術的發展與展望
時間:2011-02-27 10:22:20 來源:
切削加工是機械加工應用最廣泛的加工方法之一，而高速是它的重要發展方向，其中包括高速軟切削、高速硬切削、高速干切削、大進給切削等。高速切削能夠大幅度提高生產效率和單位時間內材料切除率，改善加工表面質量降低加工費用。
高速切削的概念與高速切削技術
高速切削是一個相對概念，如何定義，目前尚無共識。而且由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范圍，因而也很難就高速切削的速度范圍給出一個確切的定義。
高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計制造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC控制系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關硬件與軟件技術均得到充分發展的基礎之上綜合而成的。因此，高速切削加工是一個復雜的系統工程，涉及機床、刀具、工件、加工工藝過程參數及切削機理等諸多方面。
2 高速切削技術國外發展現狀
從德國 Carl. J. Salomon博士提出高速切削概念，并于同年申請了專利以來，高速切削技術的發展經歷了高速切削的理論探索階段、高速切削應用探索階段、高速切削的初步應用階段、高速切削的較成熟階段等四個階段，現已在生產中得到推廣應用。特別是20世紀80年代以來各工業發達國家相繼投入大量人力、財力，研究開發高速切削技術及相關技術，發展迅速。
國外近幾年來高速加工機床發展迅速，美國、法國、德國、日本、瑞士、英國、加拿大、意大利等國家相繼開發了各自的高速切削機床。高速主軸是高速切削技術最重要的關鍵技術，通常采用主軸、電動機一體化的電主軸部件，實現無中間環節的直接傳動，主軸支承一般使用陶瓷軸承、靜壓軸承、動壓軸承、空氣軸承以及油0氣潤滑、噴射潤滑等技術，也有使用磁力軸承的。進給系統則開始采用直線電動機或小導程大尺寸高質量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠，以提供更高的進給速度和更好的加、減速特性，最大加速度可達2～10g。CNC控制系統則使用多片32位或64位CPU，以滿足高速切削加工對系統快速數據處理能力的要求，并采用前饋和大量超前程序段處理功能，以保證高速加工時的插補精度。采用強力高壓、高效的冷卻系統以解決極熱切屑問題。采用溫控循環水(或其它介質)來冷卻主軸電動機、主軸軸承、直線電動機、液壓油箱、電氣柜，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構件。采取更完備的安全保障措施保證機床操作者及機床周圍現場人員的安全，避免機床、刀具、工件及有關設施的損傷；識別和避免可能引起重大事故的工況；保證產品產量與質量。
研究工件的材料特性對加工方法的影響，一些難加工材料如鎳基合金、鈦合金和纖維增強塑料等，在高速條件下變得易于切削。另外，不同材料最佳切削速度也不同，工件材料還是選擇刀具及加工參數的重要依據，一般在高速加工中，宜采用高轉速、中小切深、快進給、多行程，但是在高速加工的工藝參數選擇方面，目前國際上沒有面向生產實用的數據庫可以參考。
高速切削機理的研究主要包括高速切削過程中的切屑成形機理、切削力、切削熱變化規律及刀具磨損機理對加工效率、加工精度和加工表面完整性的影響規律。目前對鋁合金的高速切削機理研究，已取得了較為成熟的結論，并已用于指導鋁合金的高速切削生產實踐。但對黑色金屬及難加工材料的高速切削加工機理研究尚在探索階段，其高速切削工藝規范還很不完善，是目前高速切削生產中的難點，也是切削加工領域研究的焦點。另外，高速切削已進入鉸孔、攻絲等的應用中，其機理也都在不斷研究之中。就目前而言，對高速切削時的切削力、切削溫度、刀具磨損與刀具壽命、加工表面質量與加工精度的變化規律還需要做更加深入的研究和探討。
3 高速切削技術國內發展現狀
高速切削在國內的研究及應用起步較晚，但進入20世紀90年代以來已普遍引起關注。目前全國大約有300多萬臺機床，大部分還是通用機床，數控機床包括經濟型在內大致占10%左右，在航空、航天、汽車、模具、機床和工程機械等行業進口數控機床和加工中心占了較大比例。現在國內10000～15000r/min的立式加工中心和18000r/min的臥式加工中心已開發成功并生產問世，生產的高速數字化仿形銑床最高轉速達到了40000r/min， 3500～4000r/min的數控車床和車削中心已成批生產，8000r/min的數控車床也已問世。高速機床的高檔數控系統和開放式數控系統正在深入研究中，但目前主要還是依賴進口。目前國內正逐步開始推廣應用高速切削技術，主要是應用在航空航天、模具和汽車工業，加工鋁合金和鑄鐵較多，但采用的刀具以進口為主。
國內刀具材料目前仍以高速鋼、硬質合金刀具為主，先進刀具材料(如涂層硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)雖有一定基礎，但應用范圍不夠廣泛。總的來說，切削速度普遍偏低，切削水平和加工效率較低。高速切削基礎理論研究起步較晚，80年代以來，國內對陶瓷刀具高速硬切削時的切屑形成、切削溫度、切削力、刀具磨損與破損、刀具壽命和加工表面質量等規律進行了系統研究，并已在生產中得到較多應用。自90年代以來，對高速切削鋁合金、鋼、鑄鐵、高溫合金、鈦合金等的切削力、切削溫度、刀具磨損與破損和刀具壽命進行了一定研究和探討，但還沒有進行全面系統的研究。對切削加工過程的監控技術研究較多，但投入生產使用的較少。
附表 各種加工方法的高速切削速度范圍
| 加工方式 |
切削速度(m/min) |
| 車削 |
700～7000 |
| 銑削 |
300～6000 |
| 鉆削 |
200～1100 |
| 拉削 |
30～75 |
| 鉸削 |
20～500 |
| 磨削 |
5000～10000 | |
4 高速切削的應用
由于高速切削機床和刀具技術及相關技術的迅速進步，高速切削技術已應用于航空、航天、汽車、模具、機床等行業中，車、銑、鏜、鉆、拉、鉸、攻絲、磨削鋁合金、鋼、鑄鐵、鈦合金、鎳基合金、鉛、銅及銅合金、纖維增強的合成樹脂等幾乎所有傳統切削能加工的材料，以及傳統切削很難加工的材料。刀具材料主要使用碳素工具鋼、超高速鋼、硬質合金、涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、天然金剛石、人工金剛石、聚晶金剛石等。
目前國際上高速切削加工技術主要應用于汽車工業、工件本身或刀具系統剛性不足的加工領域及加工復雜曲面的領域。不同加工方式、不同工件材料有不同的高速切削范圍。不同加工方式高速切削線速度的范圍見附表，附圖所示為幾種常見工件材料高速銑削時的速度范圍。
高速切削還在進一步發展中，預計銑削加工鋁的切削速度可達到10000m/min，加工鑄鐵可達到5000m/min，加工普通鋼也將達到 2500m/min；鉆削加工鋁切削轉速可達到30000r/min，加工鑄鐵達到20000r/min，加工普通鋼達到10000r/min。
5 高速切削存在的問題及發展展望
高速切削是切削加工發展的主要方向之一，它除依賴于數控技術、微電子技術、新材料和新穎構件等基礎技術的發展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術問題，如刀具磨損嚴重，高速切削刀具切入切出時破損問題，高速切削用刀具材料價格昂貴，銑、鏜等回轉刀具及主軸需要動平衡，刀具夾持要牢靠安全，主軸系統昂貴且壽命短，而且所用高速加工機床及其控制系統價格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問題制約著高速切削的進一步推廣應用。高速切削發展趨勢和未來研究方向歸納起來主要有：(1)新一代高速大功率機床的開發與研制；(2)高速切削動態特性及穩定性的研究；(3)高速切削機理的深入研究；(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結構的研究；(5)進一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍；(6)開發適用于高速切削加工狀態的監控技術；(7)建立高速切削數據庫，開發適于高速切削加工的編程技術以進一步推廣高速切削加工技術；(8)基于高速切削工藝，開發推廣干式(準干式)切削綠色制造技術；(9)基于高速切削，開發推廣高能加工技術。
6 結語
發展先進制造技術，振興我國制造業，迎接新世紀的挑戰乃是建立強大工業國家的根本。高速切削技術是先進的制造技術，有廣闊的應用前景。推廣應用高速切削技術不但可以大幅度提高機械加工的效率、質量，降低成本，而且可以帶動一系列高新技術產業的發展。加強高速切削技術的基礎研究，建立高速切削數據庫、高速切削安全技術標準，提高機床和工具行業的開發創新能力，加快高速切削刀具系統、高速切削機床系統的研究開發與產業化，已是當務之急。