超高速加工技術(shù)

超高速加工技術(shù)第一頁，共28頁。第二頁，共28頁。3.7.1概述3.7.1.1超高速加工技術(shù)內(nèi)涵、范圍及技術(shù)地位

超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設(shè)備，以極大地提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。它是提高切削和磨削效果以及提高加工質(zhì)量、加工精度和降低加工成本的重要手段。第三頁，共28頁。

超高速加工的切削速度范圍因不同的加工材料、不同切削方式而異，目前尚無確切的定義。一般認(rèn)為，超高速加工各種材料的切削速度范圍為：鋁合金已達(dá)到2000~7500m/min;鑄鐵為900~5000m/min;鋼為600~3000m/min。各種制造加工工序的切削速度范圍為：車削為700~7000m/min;銑削為300~6000m/min;鉆削為200~1100m/min;磨削為150m/s以上。超高速加工技術(shù)從發(fā)展趨勢來看，到21世紀(jì)初可實現(xiàn)超高速加工的材料將覆蓋大多數(shù)工程材料，可加工各種表面形狀的零件，可由毛坯一次加工成成品，并實現(xiàn)精密甚至超精密加工。第四頁，共28頁。

近30年來，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家不斷努力地把高速和超高速加工技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1.超高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)發(fā)達(dá)國家對超高速切削加工的研究起步早，水平高。在此項技術(shù)中，處于領(lǐng)先地位的主要有德國、日本、美國和意大利等國家。我國在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動軸承等方面也進(jìn)行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，主軸工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)速尚未突10000r／min，快速進(jìn)給速度在30m／min以下。第五頁，共28頁。泰勒(FrederickTaylor)是最早研究切削理論的學(xué)者之一，早在一個世紀(jì)之前提出了著名的泰勒公式，被成為“金屬切削奠基人”。20世紀(jì)上半葉，一些研究者發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的提高，刀具磨損加快，但切削速度大幅度提高后，又可以正常切削。對泰勒公式提出質(zhì)疑。第六頁，共28頁。1924－1931，德國切削物理學(xué)家薩洛蒙進(jìn)行了一系列高速切削試驗，于1931年提出了超高速切削理論并申請了專利。薩洛蒙指出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)（A區(qū)），切削溫度隨切削速度增大而提高，但當(dāng)切削速度增大到一定值vc之后，切削速度再增加時，溫度反而降低；vc與材料有關(guān)；對每種材料，存在一個“死谷”，圖中B區(qū)，此范圍內(nèi)溫度太高以致任何刀具無法承受。第七頁，共28頁。但如能越過此谷，是否可進(jìn)行超高速切削？第八頁，共28頁。此后，美國，德國，日本的研究小組都對超高速切削進(jìn)行了深入的研究，使超高速切削理論日趨成熟。美國：Vaughan指出：隨著速度提高，塑性材料的切屑形態(tài)從帶狀，片狀向碎屑狀演變；初期切削力呈上升趨勢，而后急劇下降；超高速條件下刀具磨損減少95％，且不受切削速度的影響。第九頁，共28頁。日本：Y.Tanaka研究發(fā)現(xiàn)在超高速切削時，絕大部分切削熱被切屑帶走，工件基本保持了冷態(tài)。德國：得到了國家技術(shù)研究部的鼎力支持，發(fā)展最為廣泛，研究最為成熟，取得了國際公認(rèn)的高水平研究成果，并在德國得到廣泛應(yīng)用。第十頁，共28頁。目前世界尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：一般把切削速度比常規(guī)切削高出5倍到10倍的切削加工叫做超高速切削。第十一頁，共28頁。優(yōu)越性：1加工時間大大縮短，提高了加工效率和設(shè)備利用率，縮短了生產(chǎn)周期2超高速切削力降低30％以上，減少了工件變形，提高了精度，通時延長了刀具壽命。3減少了熱變形和內(nèi)應(yīng)力，提高精度。4加工更平穩(wěn)第十二頁，共28頁。2.高速和超高速磨削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在高速和超高速磨削技術(shù)方面，為了提高磨削效率，人們開發(fā)了高速磨削、超高速磨削、深切緩進(jìn)給磨削、高效深切快進(jìn)給磨削（HEDG）等許多高速高效磨削技術(shù)，這些技術(shù)在近20年來得到長足的發(fā)展及應(yīng)用。國內(nèi)50m／s高速磨削研究起始于1958年，近20年來其發(fā)展十分緩慢，目前工業(yè)應(yīng)用的砂輪速度一般還是45～60m／s，未能超過80m／s。

第十三頁，共28頁。超高速切削目前主要用于以下幾個領(lǐng)域：

(1)大批生產(chǎn)領(lǐng)域如汽車工業(yè)，如美國福特汽車公司與Ingersoll公司合作研制HVM800臥式加工中心已實際用于福特公司的生產(chǎn)線。

(2)工件本身剛度不足的加工領(lǐng)域，如航空航天工業(yè)產(chǎn)品，目前采用超高速切削工藝所銑削的工件最薄壁厚度僅為1mm。

(3)加工復(fù)雜曲面領(lǐng)域，如模具工具制造。

(4)難加工材料領(lǐng)域，如Ingersoll公司的“高速模塊”所用切削速度為：加工航空航天鋁合金2438m／min(5)超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域第十四頁，共28頁。實現(xiàn)超高速加工技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)主要有：超高速切削、磨削機(jī)理超高速主軸單元制造技術(shù)超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)超高速加工用刀具、磨具超高速機(jī)床支承及輔助單元制造技術(shù)超高速加工測試技術(shù)第十五頁，共28頁。

超高速加工技術(shù)的理論研究可追溯到20世紀(jì)30年代，即1931年4月德國切削物理學(xué)家薩洛蒙發(fā)表的著名的超高速切削理論，即人們常提及的“薩洛蒙曲線”，超高速切削概念可用下圖示意。薩洛蒙指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)(見A區(qū))，切削溫度隨切削速度的增大而提高，但是，當(dāng)切削速度增大到某一數(shù)值v，之后，切削速度再增加，切削溫度反而降低；v：之值與工件材料的種類有關(guān)，對每種工件材料，存在一個速度范圍，在這個速度范圍內(nèi)(見B區(qū))，由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進(jìn)行，這個范圍被稱之為“死谷”(deadvally)。第十六頁，共28頁。

切削溫度是指刀具表面與工件和切屑接觸處的平均溫度。被切削的金屬在刀具的作用下，發(fā)生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個重要來源。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要耗功，也產(chǎn)生出大量的熱量。因此，切削時共有三個發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū)，如圖示，三個發(fā)熱區(qū)與三個變形區(qū)相對應(yīng)。所以，切削熱的來源就是切屑變形功和前、后刀面的摩擦功。切削溫度高是刀具磨損的主要原因，它將限制生產(chǎn)率的提高。第十七頁，共28頁。

薩洛蒙的思想給后來的研究者一個非常重要的啟示：如能越過這個“死谷”而在超高速區(qū)(見C區(qū))進(jìn)行工作，則有可能用現(xiàn)有刀具進(jìn)行超高速切削，從而大幅度地減少切削工時，成功地提高機(jī)床的生產(chǎn)率。一系列超高速切削實驗表明，在通過提高切削速度來降低機(jī)加工時間同時還具有一系列優(yōu)點如：單位時間材料切除量大大提高；切削力可降低30％左右，基于此可利用超高速切削來加工薄壁類零件：超高速切削特別適合那些對溫度十分敏感的零件的加工；由于機(jī)床結(jié)構(gòu)改善和超高速切削激振頻率提高，使激振頻率遠(yuǎn)離機(jī)床固有頻率，有利于加工表面質(zhì)量提高；刀具耐用度提高70％左右，加工成本降低。第十八頁，共28頁。

在超高速磨削機(jī)理研究方面，“薩洛蒙曲線”也有重要的啟示意義。較低磨除率下，隨砂輪速度的增加，磨削力降低不多幾乎成線性，但在高磨除率下，隨砂輪速度的增大，在100m／s前后的某區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)陡降，使之降低50％，且隨效率的提高這種趨勢就愈明顯。第十九頁，共28頁。

超高速加工技術(shù)的一個最根本最核心的特點和技術(shù)就是實現(xiàn)超高速的切削速度或砂輪線速度，因此超高速主軸單元是超高速加工機(jī)床最關(guān)鍵部件。超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機(jī)架四個主要部分。超高速主軸單元制造技術(shù)所涉及關(guān)鍵技術(shù)有；超高速主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)，超高速主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)特性研究，柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)的研究，超高速主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)研究，以及超高速主軸系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計、虛擬設(shè)計技術(shù)研究等。第二十頁，共28頁。

超高速進(jìn)給單元技術(shù)范圍包括進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件技術(shù)、監(jiān)測單元技術(shù)和其他周邊技術(shù)如防塵、防屑、降噪聲、冷卻潤滑及安全技術(shù)。具體所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：高速位置環(huán)芯片的研制，高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究，直線伺服電機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用的研究，加減速控制技術(shù)的研究，超高速進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、虛擬設(shè)計技術(shù)，高速精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程滾珠絲杠副的研制，高精度導(dǎo)軌、新型導(dǎo)軌摩擦副的研究，以及新型導(dǎo)軌防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)與加工工藝研究等。第二十一頁，共28頁。

超高速加工用刀具、磨具主要指超高速銑削用刀具和超高速磨削用砂輪。在影響金屬切削發(fā)展的諸因素中，刀具材料及刀具(磨具)制造技術(shù)起著決定的作用，并推動超高速加工實用化。超硬刀具和磨具是超高速加工技術(shù)最主要的刀具材料，主要有聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)。金剛石材料的化學(xué)成分是碳,它與鐵系有親和力,切削過程中,金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越,散熱快,但是要注意切削熱不宜高于700℃,否則會發(fā)生石墨化現(xiàn)象,工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應(yīng),與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發(fā)生化學(xué)磨損第二十二頁，共28頁。

所以,金剛石只能用于加工有色金屬和非金屬材料上,不能用于加工黑色金屬。聚晶立方氮化硼(PCBN)是目前硬度僅次于金剛石的刀具材料,有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,不會和鐵系材料產(chǎn)生親和現(xiàn)象,即使在1000℃的高溫下,切削黑色金屬也完全能勝任,因此可以用于加工那些不能用金剛石刀具加工的鐵系金屬材料,如鈦合金、碳鋼、高速鋼、工具鋼、模具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、淬硬鋼等。這兩種材料的同時存在,起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工,對整個切削加工領(lǐng)域極為有利。另外，對于超高速切削用刀具，其幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和刀具的裝夾結(jié)構(gòu)是非常重要的。第二十三頁，共28頁。

超高速加工機(jī)床的支承及輔助單元制造技術(shù)是指超高速加工機(jī)床的支承構(gòu)件如床身、立柱、箱體、工作臺、底座、拖板、刀架等制造技術(shù)以及有關(guān)超高速加工的輔助單元制造技術(shù)。其涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有；新型材料及結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件設(shè)計制造技術(shù)，快速刀具磨具自動交換和快速工件裝夾自動交換技術(shù)，切削磨削液及其供液過濾系統(tǒng)的研究，超高速主軸和刀具磨具總成后的動平衡技術(shù)，安全防護(hù)裝置設(shè)計制造技術(shù)以及超高速加工中干切削干磨削加工技術(shù)的研究等。第二十四頁，共28頁。

實踐證明，超高速機(jī)床運轉(zhuǎn)時，鑄鐵材料已不能作支承基礎(chǔ)，而要改用人造花崗巖作機(jī)床基礎(chǔ)支承件。這種材料是用大小不等的石英巖顆粒作填料，用熱固性樹脂做粘結(jié)劑，在模型中澆鑄后通過聚合反應(yīng)成型，并采用預(yù)埋金屬構(gòu)件的方法，形成導(dǎo)軌和連接面。這種材料的阻尼特性為鑄鐵的7~l0倍，比重只有鑄鐵的1／3。第二十五頁，共28頁。

超高速加工測試技術(shù)主要指在超高速加工過程中通過傳感、分析、信號處理等，對超高速機(jī)床及系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時在線的監(jiān)測和控制。超高速加工測試技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：基于監(jiān)控參數(shù)的在線檢測技術(shù)超高速加工的多傳感信息融合檢測技術(shù)超高速加工機(jī)床中各單元系統(tǒng)功能部件的測試技術(shù)超高速加工中工件狀態(tài)的測試技術(shù)以及超高速加工中自適應(yīng)控制技術(shù)及智能控制技術(shù)等

關(guān)鍵技術(shù)第二十六頁，共28頁。

超高速切