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高速切削機(jī)床存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠加工零件的效率得到很大的提升，但是離人們的目標(biāo)要求還相差很多，因而高速切削加工成為了當(dāng)今火熱的技術(shù)。高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。

高速切削機(jī)床 　　

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠加工零件的效率得到很大的提升，但是離人們的目標(biāo)要求還相差很多，因而高速切削加工成為了當(dāng)今火熱的技術(shù)。高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。

高速切削技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測(cè)量測(cè)試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展基礎(chǔ)之上綜合而成的。因此，高速切削技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是一個(gè)隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展而不斷發(fā)展的概念。

高速切削技術(shù)不只是一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，它的發(fā)展和推廣應(yīng)用將帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的進(jìn)步和效益的提高。在國(guó)外，20世紀(jì)30年代德國(guó)Salomon博士提出高速切削理念以來，經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的探索和研究，隨數(shù)控機(jī)床和刀具技術(shù)的進(jìn)步，80年代末和90年代初開始應(yīng)用并快速發(fā)展到廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造業(yè)加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級(jí)合金及碳纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。

二、數(shù)控高速切削加工的含義

在上世紀(jì)三十年代初，德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出了全新的高速切削理論。他通過大量的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：在正常的切削速度范圍內(nèi)，切削速度如果提高，會(huì)導(dǎo)致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損；然而，當(dāng)切削速度提高到某一定值后，只要超過這個(gè)拐點(diǎn)，隨著切削速度提高，切削溫度就不會(huì)升高，反而會(huì)下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過高而造成刀具磨損不利于切削的問題，獲得良好的加工效益。

后來隨著制造工業(yè)的發(fā)展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎(chǔ)上逐漸形成了數(shù)控高速切削技術(shù)研究領(lǐng)域，數(shù)控高速切削加工技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的研究相對(duì)較早，經(jīng)歷了理論基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究和發(fā)展應(yīng)用，目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段。

關(guān)于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來看，認(rèn)為切削速度超過常規(guī)切削速度5－10倍即為高速切削。也有學(xué)者以主軸的轉(zhuǎn)速作為界定高速加工的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min即為高速加工。還有從機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的角度，以主軸直徑和主軸轉(zhuǎn)速的乘積DN定義，如果DN值達(dá)到（5～2000）×105mm.r/min，則認(rèn)為是高速加工。生產(chǎn)實(shí)踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應(yīng)不同。一般認(rèn)為車削速度達(dá)到（700～7000）m/min，銑削的速度達(dá)到（300～6000）m/min，即認(rèn)為是高速切削。

另外，從生產(chǎn)實(shí)際考慮，高速切削加工概念不僅包含著切削過程的高速，還包含工藝過程的集成和優(yōu)化，是一個(gè)可由此獲得良好經(jīng)濟(jì)效益的高速度的切削加工，是技術(shù)和效益的統(tǒng)一。

三、高速切削加工機(jī)床的特點(diǎn)

1、生產(chǎn)效率得到了明顯的提高

高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。

2、切削力降低了30%

由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30%，這對(duì)于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。

3、加工質(zhì)量得到提高

因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

從動(dòng)力學(xué)角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由于切削力產(chǎn)生的振動(dòng)（即強(qiáng)迫振動(dòng)）的振幅；轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的固有頻率，避免共振的發(fā)生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。

4、降低加工能耗，節(jié)省制造資源

由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時(shí)間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

5、加工工藝流程得到了簡(jiǎn)化

常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工。

四、高速切削存在的問題

從現(xiàn)實(shí)角度來看，人們對(duì)于高速切削的理解還是不是十分全面，因而技術(shù)也不是非常先進(jìn)完善的，還有許多問題有待于解決缺乏合理的解決，即便在金屬切削機(jī)床水平先進(jìn)的瑞士、德國(guó)、日本、美國(guó)，對(duì)于高度切削加工新技術(shù)的研究應(yīng)用還在處在不斷發(fā)展的摸索研究之中，以下就分析一下高速切削在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題。

1、加工參數(shù)不能合理選擇

作為一種全新的切削力方式，目前上沒有完整的參數(shù)表可供選擇，也沒有許多加工實(shí)例可供參考?，F(xiàn)在高速切削加工時(shí)大多數(shù)依然靠著以往的經(jīng)驗(yàn)，或者是大量的試驗(yàn)來選擇參數(shù)，并不能達(dá)到十分準(zhǔn)確的效果。因而如何選擇合理加工工藝參數(shù)，達(dá)到最好的切削效果，是當(dāng)今高速切削應(yīng)用的一個(gè)非常重要的問題。同時(shí)因?yàn)楦咚偾邢饕笮纬傻牡毒呗窂綉?yīng)盡可能圓滑，少轉(zhuǎn)析點(diǎn)，無(wú)尖折點(diǎn)，程序算法應(yīng)保一證高速切削的特殊要求。

碰到干擾能迅速調(diào)整，保證合理的進(jìn)給速度.避免刀具振動(dòng)等。而在目前的加工制造過程中，刀位路徑規(guī)劃方法沒有考慮高速切削的特殊性，因此對(duì)傳統(tǒng)的刀位軌跡必須進(jìn)行優(yōu)化以適合高速切削。

2、合適的刀具及方案

高速切削刀具技術(shù)是高速切削的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)今刀具材料的發(fā)展還不能滿足各領(lǐng)域需求的現(xiàn)狀，在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配問題大大影響了高速切削的發(fā)展。缺乏合適的刀具選擇方案刀具是高速切削推廣應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題。由于高速切削的切削機(jī)理與傳統(tǒng)的切削完全不同，加工的磨損機(jī)制與失效形式，刀具的受力狀況，形成的切屑形態(tài)等不盡相同。在高速切削中，其失效形式根據(jù)加工的條件及工件材料不同而完全不同，比如有刀尖破碎，前、后刀面同時(shí)磨損，刀桿折斷等各種形式，并且不同的刀具與不同的工件材料組合產(chǎn)生的效果也不一樣。如何選擇合理的高速切削刀具，盡可能延長(zhǎng)刀具使用壽命，以及最大限度地發(fā)揮刀具的性能，對(duì)高速切削應(yīng)用來說是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。

3、高精度控制代瑪及差補(bǔ)的研究

高速切削加工復(fù)雜輪廓時(shí)，要求保持一種有規(guī)律的勻速，不允許有明顯的滯后現(xiàn)象，否則將會(huì)燒壞刀具，而一般的加工制造極其相關(guān)CAM軟件中，在處理輪廓的NC程序時(shí)，在曲率變化大的部分，為了保證插補(bǔ)精度，會(huì)有明顯的滯后現(xiàn)象。目前插補(bǔ)器中計(jì)算量與插補(bǔ)精度是一對(duì)無(wú)法調(diào)和的矛盾，一方面為了提高精度必須細(xì)化插補(bǔ)步長(zhǎng)，而插補(bǔ)步長(zhǎng)的細(xì)化又帶來了極大的計(jì)算量，限制了程序運(yùn)行周期，降低了運(yùn)行速度。由于日前的直線與圓弧播補(bǔ)器無(wú)法浦足高精度的要求，必須開發(fā)新型的CNC矯補(bǔ)器。

除以上問題，如高速切削機(jī)床總體的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性，刀具材料、幾何角度和刀具壽命間題，冷卻潤(rùn)滑液的選擇等，都是需要研究解決的難題，只有整體上考慮高速加工機(jī)床才能發(fā)揮高速切削的巨大作用。

五、高速切削技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)高速超高速磨削的發(fā)展自1958年，我國(guó)開始推廣高速磨削技術(shù)。1964年，磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠合作進(jìn)行了50m/s高速磨削試驗(yàn)，在機(jī)床改裝和工藝等方面獲得一定成果。1975年10月，河南省南陽(yáng)機(jī)床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年，上海機(jī)床廠、上海砂輪廠、鄭州磨料磨具磨削研究所等組成高速磨削試驗(yàn)小組對(duì)80、100m/s高速磨削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1982年10月，湖南大學(xué)進(jìn)行了60m/s高速?gòu)?qiáng)力凸輪磨削工藝試驗(yàn)研究，為發(fā)展高速?gòu)?qiáng)力磨削凸輪軸磨床和高速?gòu)?qiáng)力磨削砂輪提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。至1995年，漢江機(jī)床廠使用陶瓷CBN砂輪，進(jìn)行了200m/s的超高速磨削試驗(yàn)。廣西大學(xué)于1997年前后開展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削試驗(yàn)研究工作。

在2000年中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上，湖南大學(xué)推出了最高線速度達(dá)120m/s的數(shù)控凸輪軸磨床。從2002年開始，湖南大學(xué)開始針對(duì)一臺(tái)250m/s超高速磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行高速超高速研究，并在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了磁浮軸承設(shè)計(jì)。

20世紀(jì)90年代至今，東北大學(xué)一直在開展超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國(guó)第一臺(tái)圓周速度200m/s、額定功率55kw、最高砂輪線速度達(dá)250m/s的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ?。東北大學(xué)先后進(jìn)行超高速磨削熱傳遞機(jī)制研究，高速單顆粒磨削機(jī)理研究，200m/s電鍍CBN超高速砂輪設(shè)計(jì)與制造，超高速磨削溫度場(chǎng)研究，磨削摩擦系數(shù)的研究，超高速磨削砂輪表面氣流的研究，超高速磨削機(jī)理分子動(dòng)力學(xué)的仿真等，取得了可喜的研究成果，部分研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

高速機(jī)床的高檔數(shù)控系統(tǒng)和開放式數(shù)控系統(tǒng)正在深入研究中，但目前主要還是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)正逐步開始推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)，主要是應(yīng)用在航空航天、模具和汽車工業(yè)，加工鋁合金和鑄鐵較多，但采用的刀具以進(jìn)口為主。國(guó)內(nèi)刀具材料目前仍以高速鋼、硬質(zhì)合金刀具為主，先進(jìn)刀具材料(如涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)雖有一定基礎(chǔ)，但應(yīng)用范圍不夠廣泛?？偟膩碚f，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(chǔ)理論研究起步較晚，80年代以來，國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷刀具高速硬切削時(shí)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(zhì)量等規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并已在生產(chǎn)中得到較多應(yīng)用。

自90年代以來，對(duì)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(jìn)行了一定研究和探討，但還沒有進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。對(duì)切削加工過程的監(jiān)控技術(shù)研究較多，但投入生產(chǎn)使用的較少。

六、高速切削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

高速切削技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和未來研究方向歸納起來主要有：

(1)基于高速切削工藝，開發(fā)推廣干式(準(zhǔn)干式)切削綠色制造技術(shù)；

(2)高速切削動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性的研究；

(3)高速切削機(jī)理的深入研究；

(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長(zhǎng)的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結(jié)構(gòu)的研究；

(5)進(jìn)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(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)；

(7)建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)以進(jìn)一步推廣高速切削加工技術(shù)；

(8)基于高速切削，開發(fā)推廣高能加工技術(shù)。

七、結(jié)論

從當(dāng)今的工業(yè)發(fā)展我們就能看出，工業(yè)水平越來越先進(jìn)，我國(guó)的制造業(yè)也變得越來越強(qiáng)，我們也逐漸成為了強(qiáng)大工業(yè)國(guó)家。高速切削技術(shù)是當(dāng)今非常先進(jìn)的技術(shù)，擁有者非常良好的前景，它能帶動(dòng)工業(yè)社會(huì)的全新發(fā)展。因而，對(duì)于高速切削的研究，我們要努力奮斗，只有不停的創(chuàng)新和改革，工業(yè)才能發(fā)展的更加迅速！

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