高速切削技術(shù)及其應(yīng)用分析

吳光輝

摘要：高速切削技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的制造工藝，已成為切削加工的重要發(fā)展方向。文章明確闡述了高速切削加工技術(shù)的含義，在高速切削機(jī)床、高速切削刀具材料及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行論述，提出改善刀具壽命、縮短加工周期、提高生產(chǎn)效率的基本方法。

關(guān)鍵詞：高速切削；切削技術(shù)應(yīng)用；應(yīng)用分析；刀具材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374(2009)04-0086-02

高速切削加工技術(shù)是一種用比常規(guī)切削高得多的切削速度進(jìn)行切削加工的高效新技術(shù)，通常將切削速度和進(jìn)給速度達(dá)到常規(guī)機(jī)床5～10倍的切削加工稱之為高速切削。也有將主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r／min，快速進(jìn)給速度40m／min以上，平均工作進(jìn)給速度10m／min以上，最大工進(jìn)速度30m／min以上，進(jìn)給加速度0.3g以上的切削加工定義為高速切削。根據(jù)Salomon的高速切削理論，高速切削應(yīng)為切削溫度不再隨切削速度的提高而上升，且以高切削速度、高切削精度、高進(jìn)給速度與加速度為主要特征的切削加工。

一、高速切削的發(fā)展

高速切削的起源可追溯到20世紀(jì)20年代末期。德國(guó)的切削物理學(xué)家薩洛蒙博士于1929年進(jìn)行了超高速切削模擬試驗(yàn)。1931年4月發(fā)表了著名的超高速切削理論。薩洛蒙指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高，對(duì)于每一種工件材料，存在一個(gè)速度范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，任何刀具都無(wú)法承受，切削加工不可能進(jìn)行。但是，切削速度進(jìn)一步提高，超過(guò)這個(gè)速度范圍后切削溫度反而降低。同時(shí)，切削力也會(huì)大幅度下降。1984年德國(guó)國(guó)家研究技術(shù)部組織了以Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所為首，包括41家公司參加的兩項(xiàng)聯(lián)合研究計(jì)劃，全面而系統(tǒng)地研究了超高速切削機(jī)床刀具、控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工藝技術(shù)，對(duì)各種工件材料的超高速切削性能進(jìn)行了深入的研究與試驗(yàn)，取得了國(guó)際公認(rèn)的高水平研究成果，并在德國(guó)工廠廣泛應(yīng)用，獲得了好的經(jīng)濟(jì)效益。

日本于20世紀(jì)60年代就著手超高速切削機(jī)理的研究。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)在超高速切削時(shí)，工件基本保持冷態(tài)，其切要比常規(guī)切熱得多。日本工業(yè)界善于吸取各國(guó)的研究成果并及時(shí)應(yīng)用到新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中去，在高速切削機(jī)床的研究和開(kāi)發(fā)方面后來(lái)居上，現(xiàn)已躍居世界領(lǐng)先地位。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，以松浦、牧野、馬扎克和新瀉鐵等公司為代表的一批機(jī)床制造廠，陸續(xù)向市場(chǎng)推出不少超高速加工中心和數(shù)控銑床。日本廠商現(xiàn)已成為世界上超高速機(jī)床的主要提供者。

二、高速切削機(jī)床

高速切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的前提和關(guān)鍵。具有高精度的高轉(zhuǎn)速主軸，具有控制精度高的高軸向進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度的軸向進(jìn)給系統(tǒng)，又是高速機(jī)床的關(guān)鍵所在。分述如下：

1．高速主軸。近年來(lái)，高速主軸技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，電主軸和高速精密軸承的應(yīng)用大大提高了主軸轉(zhuǎn)速。

電主軸是為適應(yīng)高速切削而研制的新穎功能部件。具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)快、振動(dòng)小、噪聲低等特點(diǎn)，因此可置于加工中心刀庫(kù)中作為可更換刀具的主軸?，F(xiàn)已有專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)廠，可按系列提供產(chǎn)品，最高轉(zhuǎn)速已達(dá)180000r／min。

高速精密軸承是支撐主軸高速化的關(guān)鍵零部件，分為接觸式軸承與非接觸式軸承兩大類(lèi)。在高速接觸式軸承中，最常用的潤(rùn)滑方案有兩種。一種是將極少量的潤(rùn)滑油與大量的潔凈空氣分兩路輸出至軸承，油液用于潤(rùn)滑，空氣用于冷卻。另一種是在軸承處直接噴射經(jīng)過(guò)冷卻的高壓潤(rùn)滑油；非接觸式軸承有空氣軸承，液體動(dòng)、靜壓軸承，磁懸浮軸承等。其摩擦僅與流體自身的摩擦系數(shù)有關(guān)，因而比接觸式軸承有高得多的最高允許轉(zhuǎn)速。

2．直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。要滿足高速切削加工軸向直線進(jìn)給的高速度和高加速度，只有采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)給速度、加速度、剛度和定位精度。

滿足高速機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要求的交流直線電機(jī)，按勵(lì)磁方式分為永磁式直線電機(jī)和感應(yīng)式直線電機(jī)兩種。美國(guó)In-gersoll公司在HVM8加工中心的軸向進(jìn)給系統(tǒng)中首先采用了永磁式直線電機(jī)，使進(jìn)給速度達(dá)到76.2m/min，進(jìn)給加速度達(dá)到1.5g。北美GE Fanuc Automation與其他公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的高速機(jī)床采用了直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、全數(shù)字CNC控制系統(tǒng)和高分辨率反饋裝置。其進(jìn)給加速度達(dá)到1.5g，當(dāng)進(jìn)給速度為3g.1～76.2m／min時(shí)，其輪廓形狀尺寸精度達(dá)到3～5μm。

三、高速切削刀具材料

高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親合力要小，并具有優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，抗沖擊，耐磨損。目前在高速切削中常用的刀具材料有單涂層或多涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石等。

涂層硬質(zhì)合金刀具因涂層的不同而具有切削多種材料的能力。如日本黛杰公司開(kāi)發(fā)的JC110涂層刀具。切削碳鋼的速度可達(dá)360m／min。而金剛石涂層刀具切削鋁合金時(shí)，在進(jìn)給速度為3m／min時(shí)，其最高切削速度可達(dá)2500m／min。

陶瓷刀具的強(qiáng)度、斷裂韌性、搞沖擊能力等都有很大的提高，且由于其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和良好的耐磨損等特性，能以比硬質(zhì)合金更高的切削速度進(jìn)行切削加工。立方氮化硼是高速切削淬硬鋼、冷硬鑄鐵、鈦合金等材料的最理想的刀具材料。聚晶金剛石刀具則是高速切削鋁合金、鎂合金、硅合金等有色金屬和非金屬等材料時(shí)的理想刀具材料。

四、高速切削的應(yīng)用

高速切削是當(dāng)今制造業(yè)中一項(xiàng)快速發(fā)展的新技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，高速切削正成為一種新的切削加工理念。在航空、模具和汽車(chē)等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域首先在航空工業(yè)輕合金的加工。飛機(jī)制造業(yè)是最早采用高速切削的行業(yè)。飛機(jī)上的零件通常采用“整體制造法”，即在整體上“掏空”加工以形成多筋薄壁構(gòu)件，其金屬切除量相當(dāng)大，這正是高速切削的用武之地。

模具制造業(yè)也是高速切削應(yīng)用的重要領(lǐng)域。模具型腔加工過(guò)去一直為電加工所壟斷，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可銑淬硬60HRC的模具鋼，加工表面粗糙度值又很小，淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速切削來(lái)代替電加工；對(duì)深腔小曲率的半徑的模具，可用高速切削加工作為粗加工和半精加工，電加工只作為精加工。這樣可使生產(chǎn)效率大大提高，周期縮短。

汽車(chē)工業(yè)是高速切削的又一應(yīng)用領(lǐng)域。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的箱體、氣缸蓋多用組合機(jī)加工。國(guó)外汽車(chē)工業(yè)及上海大眾、上海通用公司，凡技術(shù)變化較快的汽車(chē)零件，如氣缸蓋的氣門(mén)數(shù)目及參數(shù)經(jīng)常變化，現(xiàn)一律用高速加工中心來(lái)加工。

五、結(jié)語(yǔ)

高速切削加工采用高的切削速度和進(jìn)給速度，小的徑向和軸向切削深度，切削力小，加工表面粗糙度很小。刀具壽命提高；用高速切削加工方式替代傳統(tǒng)加工方式加工模具，可以省去電火花加工和手工磨修，提高了模具加工的生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，縮短了加工周期；在研究高速切削加工時(shí)，要與高速切削工藝技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和高可靠性的目的。