先進(jìn)制造技術(shù)—高速切削與高速機(jī)床

本章重點(diǎn)高速切削概念高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域高速切削加工的起源高速切削加工（High-SpeedMachining或HSM）理論是1931年4月由德國(guó)的CarlSalomon博士首先提出的，他認(rèn)為：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)于不同的工件材料，存在一個(gè)切削速度范圍，在這個(gè)范圍中，由于切削溫度過(guò)高，刀具材料無(wú)法承受而不能進(jìn)行加工，故該速度區(qū)域被稱(chēng)為“死區(qū)”。當(dāng)切削速度超過(guò)“死區(qū)”以后，隨著切削速度的增大切削力會(huì)下降，切削溫度也會(huì)降低。高速切削加工的起源由于二次大戰(zhàn)等種種原因，20世紀(jì)30~50年代后期之前的20多年時(shí)間里，沒(méi)有人對(duì)此進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。直到50年代末期，美國(guó)工程師RobertL.Vaughan才開(kāi)始繼續(xù)Salomon的研究工作，從切屑形成過(guò)程和切屑形態(tài)的變化，說(shuō)明了高速切削時(shí)切削機(jī)理將發(fā)生變化，切削過(guò)程將變得容易和輕松。此后美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家才先后有人開(kāi)始高速切削機(jī)理及相關(guān)技術(shù)的研究，其中以德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所(PTW)的研究工作最為出色。該研究所在H.Schulz教授領(lǐng)導(dǎo)下，從1980年開(kāi)始高速加工研究，1984年又聯(lián)合多家相關(guān)技術(shù)制造廠商在德國(guó)研究技術(shù)部的支持下，對(duì)高速加工工藝、機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)等各個(gè)方面進(jìn)行了全面的研究，對(duì)鋼、鑄鐵、鋁合金等7種材料的高速切削性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)，許多研究成果處于國(guó)際領(lǐng)先地位，成為高速加工技術(shù)發(fā)展歷程中的里程碑。高速切削加工的原理高速切削的應(yīng)用在飛機(jī)工業(yè)中，采取措施來(lái)減輕零部件的重量：即零部件盡量采用鋁合金、鋁鈦合金或纖維增強(qiáng)塑料等輕質(zhì)材料制造；把過(guò)去由幾十個(gè)、甚至幾百個(gè)零件通過(guò)鉚接或焊接起來(lái)的組合構(gòu)件，合并成一個(gè)帶有大量薄壁和細(xì)筋的復(fù)雜零件，用“整體制造法”制造。即從一個(gè)實(shí)心的整體毛坯中，切除和淘空85%以上的多余材料加工而成。由于切削余量很大，如果采用普通方法加工，則切削工時(shí)長(zhǎng)，切削變形大，生產(chǎn)效率低，不能滿足飛機(jī)產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求。采用“整體制造法”有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：用高速加工來(lái)加工這類(lèi)帶有大量薄壁、細(xì)筋的復(fù)雜輕合金構(gòu)件，其材料切除率高達(dá)100～180cm3/min，為常規(guī)加工的3倍以上，大大壓縮了切削工時(shí)；飛機(jī)上的零件數(shù)量可減少40%以上，省去了原來(lái)組合構(gòu)件的裝配和鉚焊工序，節(jié)省了大量的裝配、調(diào)校工時(shí)和制造工模夾具的時(shí)間，減少了占用的生產(chǎn)面積，減輕了飛機(jī)部件的重量，擴(kuò)大了柔性生產(chǎn)的能力，減少了部件之間的結(jié)合面，提高了飛機(jī)飛行的安全性。高速切削的應(yīng)用如加工一全長(zhǎng)為3.35m、有的部位壁厚不到1mm的大型薄壁飛機(jī)構(gòu)件，該構(gòu)件以往由500多個(gè)零件組裝而成，以前加工這個(gè)組合構(gòu)件的生產(chǎn)周期為3個(gè)月?，F(xiàn)用一塊整體毛坯，通過(guò)高速加工來(lái)制造這個(gè)零件，其生產(chǎn)周期不足兩周，生產(chǎn)效率提高6倍以上。高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域在航空、汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用鋁合金為主的飛機(jī)零件通常采取在整塊板料或毛坯上直接銑削出大型構(gòu)件，不僅材料的去除量較大，而且有時(shí)需要加工出壁厚小于1mm的薄壁。切削熱容易造成工件的變形。高速切削由于切削力小，熱影響小，加工效率高，非常適合這類(lèi)零件的加工，采用高速切削加工飛機(jī)鋁合金零件比傳統(tǒng)的加工效率提高3倍以上，并且避免殘余應(yīng)力和變形。航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的鎳基合金和鈦合金，材料強(qiáng)度、硬度高，切削溫度高，刀具磨損快，通常屬于難加工材料。用傳統(tǒng)方法不僅加工效率低，而且也容易造成工件表面燒傷。如果采用高速切削工藝，不僅加工效率比傳統(tǒng)的方法提高10倍以上，還可以延長(zhǎng)刀具使用壽命，改善零件的加工質(zhì)量。高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域另外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工，采用高速切削加工工藝，不僅使葉片的制造費(fèi)用降低一半，而且減少了零件的熱負(fù)荷，降低了內(nèi)應(yīng)力，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用壽命。2、在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用大量的模具有復(fù)雜的三維幾何形狀，傳統(tǒng)的加工方法要經(jīng)過(guò)粗加工、熱處理和磨削等工序，最后工序靠手工拋光。大多數(shù)模具都是由高硬度、耐磨性能好的合金材料（經(jīng)熱處理）制造，加工難度很大。以往廣泛采用電火花加工成形，生產(chǎn)效率極低。用高速銑削加工模具，不僅可用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給，而且粗、精加工一次完成，而且加工過(guò)程是在熱處理之后，大大提高了生產(chǎn)效率，而且避免了熱處理變形。汽車(chē)模具高速切削工藝研究路線汽車(chē)模具高速切削工藝研究其研究過(guò)程為：首先進(jìn)行材料力學(xué)性能試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建有限元模型，探討高速切削加工機(jī)理，優(yōu)化高速切削加工參數(shù)和揭示高速切削加工規(guī)律；基于優(yōu)化的加工參數(shù)源數(shù)據(jù)和高速切削加工規(guī)律，采用實(shí)例推理方法建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)；研究具有復(fù)雜曲面特征的汽車(chē)覆蓋件模具保持近似恒定切削載荷的高速切削加工策略，突破3＋2軸數(shù)控加工方式關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)汽車(chē)覆蓋件模具3＋2軸數(shù)控加工輔助編程工具，最后將這些成果在實(shí)際高速切削加工中進(jìn)行應(yīng)用。高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域在特殊材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用隨著石墨電極在工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與金屬材料不同，石墨在加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生從工件剝離出的連續(xù)切屑。但是，它卻容易產(chǎn)生擠壓和剝落，在工件表面留下加工缺陷。能否加工出表面光潔的石墨電極是石墨加工的技術(shù)關(guān)鍵。石墨的超高速切削，可以實(shí)現(xiàn)表面的光潔加工。高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域各種加工工序的切削范圍：車(chē)削：700-7000m/min銑削：300-6000m/min轉(zhuǎn)削：200-1100m/min磨削：1500m/s高速切削加工的特點(diǎn)較之傳統(tǒng)的加工方法,高速切削加工具有明顯的優(yōu)勢(shì)：切削效率高隨著刀具切削速度的大幅提高，工件進(jìn)給速度亦相應(yīng)提高5～10倍，這樣大大縮短了加工時(shí)間和空行程的時(shí)間，生產(chǎn)效率顯著提高。加工精度高，表面粗糙度低高速切削時(shí)，機(jī)床的激振頻率相當(dāng)高，遠(yuǎn)離了工藝系統(tǒng)的低階固有頻率，因而工作平穩(wěn)，振動(dòng)小，能加工出非常精密、光潔的零件，表面質(zhì)量可達(dá)到磨削的水平。工件無(wú)飛邊、毛刺,切屑易處理；可完成高硬度材料的加工。切削力小，變形小當(dāng)切削速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，切削力可減低30%，尤其是徑向切削力的大幅減小，特別有利于提高薄壁件等剛性差的零件的加工。

加工時(shí)間大幅度縮短，只有原來(lái)的1/4左右，意味著一臺(tái)用于高速加工的高速機(jī)床可以代替4臺(tái)普通CNC機(jī)床；高速加工時(shí)，機(jī)床的激振頻率很高，遠(yuǎn)離“機(jī)床—刀具—工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率，工作平穩(wěn)，振動(dòng)小，所以其加工表面質(zhì)量很高，無(wú)需再進(jìn)行其它表面處理工序；單位時(shí)間的材料切除率可增加6倍，故生產(chǎn)率極高；切削力可減少80%以上，尤其是徑向切削力大幅度降低，零件變形小，加工時(shí)基本不產(chǎn)生熱量，所以特別有利于薄壁細(xì)筋件的加工；高速加工采用小直徑刀具、小切深、小切寬和快速多次走刀來(lái)提高效率，而傳統(tǒng)的加工一般采用大直徑刀具、大切深、大切寬；高速機(jī)床的投資回收快，可縮短交貨期，減少車(chē)間占地面積，減少工人數(shù)量。高速切削加工的發(fā)展德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)和機(jī)床研究所(PTW)的成果：1983年首次制造了帶主動(dòng)磁軸承的高速電主軸，投入工業(yè)生產(chǎn)；1985年首次生產(chǎn)出系列高速加工中心；1990年生產(chǎn)出具有三種功率的印刷電路板鉆床；1992年生產(chǎn)出用于加工增強(qiáng)塑料的五軸高速加工中心；1996年首次研制出采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的3D銑削中心；2000年研制出采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最優(yōu)化的銑削中心。高速切削加工的研究高速切削機(jī)理研究高速切削機(jī)理是高速切削技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的理論基礎(chǔ)。研究成就比較突出的是美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈和空間公司的科學(xué)家羅伯特·金(RobetI1King)和麥克唐納(Mcd1nddJ)，從理論上證實(shí)了高速切削的可行性和優(yōu)越性。他們的研究主要在切屑成形理論、金屬斷裂、突變滑移、絕熱剪切以及各種材料的切屑成形方面。通過(guò)極高速切削加工鈦合金時(shí)切屑的形成機(jī)理的研究；機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及切削顫振的避免；多種刀具材料加工不同工件材料時(shí)的刀具前刀面、后刀面和加工表面的溫度以及高速切削時(shí)切屑、刀具和工件切削熱量的分配等，證實(shí)了高速切削時(shí)大部分切削熱被切屑所帶走。高速切削加工的研究高速切削加工設(shè)備研究（1）高速電主軸結(jié)構(gòu)由于高速切削機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常達(dá)到每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。為了提高效率，降低振動(dòng)、噪聲，提高機(jī)床的動(dòng)、靜態(tài)精度及其穩(wěn)定性，高速切削機(jī)床都采用電主軸結(jié)構(gòu)，它包括內(nèi)藏式交流變頻電動(dòng)機(jī)電主軸和內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)電主軸兩種。由于取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了主軸的“零傳動(dòng)”，極大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

高速切削加工的研究這種傳動(dòng)方式的主要特點(diǎn)是，取消了從驅(qū)動(dòng)電機(jī)至工作部件(主軸、工作臺(tái)等)之間的一切中間機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)(皮帶、齒輪、滾珠絲杠、螺母等)，把傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮小為零。零傳動(dòng)不但大大簡(jiǎn)化了機(jī)床的傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)，而且還顯著地提高了機(jī)床動(dòng)態(tài)靈敏度、加工精度和工作可靠性，是一種新型的傳動(dòng)方式。高速切削加工的研究電主軸技術(shù)是高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，它所融合的內(nèi)容包括：高速軸承技術(shù)電主軸通常采用角接觸陶瓷球（氮化硅SiN）軸承，和鋼球相比，耐磨耐熱，密度減少60%，因而可大幅度降低離心力，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；角接觸球軸承在20000轉(zhuǎn)以下的高速主軸單元中應(yīng)用，無(wú)論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求，并已標(biāo)準(zhǔn)化，且價(jià)格低廉，目前90%的主軸組件采用這種類(lèi)型的軸承。

高速切削加工的研究也可采用磁懸浮軸承、液體動(dòng)靜壓軸承、空氣軸承等。磁懸浮軸承無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)需潤(rùn)滑，壽命長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)很高轉(zhuǎn)速，它還是一種可控軸承，能自動(dòng)消除不平衡引起的振動(dòng)，具有很高的阻尼。但是磁懸浮軸承電氣控制系統(tǒng)極其復(fù)雜且價(jià)格昂貴。液體靜壓軸承的最大特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)精度高，回轉(zhuǎn)誤差一般在0.2μm以下。另外，其動(dòng)態(tài)剛度高，特別適合于銑削類(lèi)的斷續(xù)切削過(guò)程?？諝鈩?dòng)靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。高速切削加工的研究滾珠軸承電主軸滾珠軸承電主軸

高速切削加工的研究磁懸浮軸承電主軸高速切削加工的研究電主軸動(dòng)平衡技術(shù)由于不平衡質(zhì)量是以主軸轉(zhuǎn)速的二次方影響主軸動(dòng)態(tài)性能的，所以對(duì)于在極高轉(zhuǎn)速條件下工作的電主軸來(lái)說(shuō)動(dòng)平衡技術(shù)就顯得格外重要。一些機(jī)床精度等級(jí)要求達(dá)到G1~G014級(jí)。除了裝配前要對(duì)主軸的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡外，還要在裝配后進(jìn)行整體精確動(dòng)平衡，甚至在加工時(shí)，更換不同刀具后還要進(jìn)行在線動(dòng)平衡測(cè)量，以確保主軸高速平穩(wěn)運(yùn)行。高速切削加工的研究潤(rùn)滑與冷卻電主軸的潤(rùn)滑多采用定時(shí)定量的油氣潤(rùn)滑來(lái)替代污染嚴(yán)重的油霧潤(rùn)滑；油氣潤(rùn)滑的潤(rùn)滑油不經(jīng)霧化易回收，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。噴射潤(rùn)滑是直接用高壓潤(rùn)滑油對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在20000轉(zhuǎn)/分鐘以上的超高速主軸上。環(huán)下潤(rùn)滑是一種改進(jìn)的潤(rùn)滑方式，比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。為了給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑。高速切削加工的研究（2）床身部件為了適應(yīng)粗精加工、輕重切削和快速移動(dòng)，同時(shí)保證高精度，高速切削機(jī)床必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度和阻尼特性以及高的熱穩(wěn)定性