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試論數(shù)控高速切削加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究
摘要：本文系統(tǒng)介紹了數(shù)控高速切削加工的基礎(chǔ)理論及發(fā)展過程,分析了高速加工的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，總結(jié)了發(fā)展數(shù)控高速切削加工需要的關(guān)鍵技術(shù)和研究方向。
關(guān)鍵詞：高速切削 關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)用研究
數(shù)控高速切削技術(shù)(High Speed Machining,HSM，或High Speed Cutting,HSC)，是提高加工效率和加工質(zhì)量的先進(jìn)制造技術(shù)之一，相關(guān)技術(shù)的研究已成為國內(nèi)外先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域重要的研究方向。我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步落后。研究先進(jìn)技術(shù)的理論和應(yīng)用迫在眉睫。
1、數(shù)控高速切削加工的含義
高速切削理論由德國物理學(xué)家 Carl.J.Salomon在上世紀(jì)三十年代初提出的。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。
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。
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。
2、數(shù)控高速切削加工的優(yōu)越性
由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術(shù)不僅提高了切削加工的生產(chǎn)率，和常規(guī)切削相比還具有一些明顯的優(yōu)越性：第一、切削力小：在高速銑削加工中,采用小切削量、高切削速度的切削形式,使切削力比常規(guī)切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少。既減輕刀具磨損，又有效控制了加工系統(tǒng)的振動(dòng)，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高:采用高速切削，切削速度和進(jìn)給速度都大幅度提高，相同時(shí)間內(nèi)的材料切除率也相應(yīng)大大提高。從而大大提高了加工效率。第三、工件熱變形小:在高速切削時(shí)，大部分的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，因此加工表面的受熱時(shí)間短，不會(huì)由于溫升導(dǎo)致熱變形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力學(xué)性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高:高速切削通常進(jìn)給量也比較小，使加工表面的粗糙度大大降低，同時(shí)由于切削力小于常規(guī)切削，加工系統(tǒng)的振動(dòng)降低，加工過程更平穩(wěn)，因此能獲得良好的表明質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。第五、綠色環(huán)保：高速切削時(shí)，工件的加工時(shí)間縮短，能源和設(shè)備的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時(shí)由于高速切削可以實(shí)現(xiàn)干式切削，減少甚至不用切削液，減少污染和能耗。
3、數(shù)控高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域研究
鑒于以上所述高速切削加工的特點(diǎn)，使該技術(shù)在傳統(tǒng)加工薄弱的領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力。首先，對(duì)于薄壁類零件和細(xì)長(zhǎng)的工件，采用高速切削，切削力顯著降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補(bǔ)采用傳統(tǒng)方法時(shí)由于切削力和切削熱的影響而造成其變形的問題，大大提高了加工質(zhì)量。其次，由于切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等用傳統(tǒng)方法難以加工的材料，可以研究采用數(shù)控高速切削技術(shù)來加工。另外，在汽車、模具、航天航空等制造領(lǐng)域, 一些整體構(gòu)件需要比較大的材料切除率，由于數(shù)控高速切削的進(jìn)給速度可隨切削速度的提高而相應(yīng)提高, 使得單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率大大提高，因而在模具制造、汽車制造、航空航天制造中，數(shù)控高速切削技術(shù)的應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。第四，由于高速切削時(shí)，加工過程平穩(wěn)、振動(dòng)小，與常規(guī)切削相比, 高速切削可顯著提高加工精度1～2級(jí),完全可以取消后續(xù)的光整加工, 同時(shí)，采用數(shù)控高速切削技術(shù), 能夠在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件同時(shí)進(jìn)行粗、精加工,減少了轉(zhuǎn)工序中可能的定位誤差, 因而也有利于提高工件的加工精度。因此, 高速切削技術(shù)在精密制造中有著廣闊的應(yīng)用前景。如某企業(yè)加工的鋁質(zhì)模具，模具型腔長(zhǎng)達(dá)1500mm，要求尺寸精度誤差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm，原先的制造工藝為：粗刨—半精刨—精刨—手工鏟刮— 手工拋光，制造周期要60小時(shí)。采用高速銑床加工后，經(jīng)過半精加工和精加工，加工周期僅需6小時(shí)，不僅效率提高，而且模具質(zhì)量也大大提高。
4、實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)研究
數(shù)控高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到切削機(jī)理、切削機(jī)床、刀具、切削過程監(jiān)控及加工工藝等諸多相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)，數(shù)控高速切削技術(shù)的實(shí)施和發(fā)展，依賴于此系統(tǒng)中的各個(gè)組成要素的，這些實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削技術(shù)離不開的關(guān)鍵技術(shù)，具體體現(xiàn)在以下方面：
1)高速切削機(jī)理：有關(guān)各種材料在高速加工條件下，切屑的形成機(jī)理，切削力、切削熱的變化規(guī)律，刀具磨損規(guī)律及對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)以上基礎(chǔ)理論的實(shí)驗(yàn)和研究，將有利于促進(jìn)高速切削工藝規(guī)范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝制定提供理論基礎(chǔ)，屬于原理技術(shù)。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規(guī)范和切削用量的確定，是高速切削生產(chǎn)中的難點(diǎn)，也是高速切削加工領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。
2)高速切削機(jī)床技術(shù)模塊：高速切削機(jī)床需要高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)和高速CNC控制系統(tǒng)。高速加工要求主軸單元能夠在很高的轉(zhuǎn)速下工作，一般主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min以上，有的甚至高達(dá)60000-100000r/min，且保證良好動(dòng)態(tài)和熱態(tài)性能。其中關(guān)鍵部件是主軸軸承，它決定著高速主軸的壽命和負(fù)載容量，也是高速切削機(jī)床的核心部件之一，主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和性能的提高是高速機(jī)床的一項(xiàng)重要單元技術(shù)。另一項(xiàng)重要的單元技術(shù)是高速進(jìn)給系統(tǒng)。隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，為保證刀具每齒或每轉(zhuǎn)進(jìn)給量不變，機(jī)床的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度也相應(yīng)提高，同時(shí)空行程速度也要提高。因此，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)必須快速移動(dòng)和快速準(zhǔn)確定位，這顯然對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的更高要求，是制約高速機(jī)床技術(shù)的關(guān)鍵單元技術(shù)。
3)高速切削刀具技術(shù)模塊：由機(jī)床、刀具和工件組成的高速切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是最活躍的因素。切削刀具是保證高速切削加工順利進(jìn)行的最關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著切削速度的大幅度提高，對(duì)切削刀具材料、刀具幾何參數(shù)、刀體結(jié)構(gòu)等都提出了不同于傳統(tǒng)速度切削時(shí)的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技術(shù)都發(fā)生了巨大的變化，高速切削加工時(shí)，要保證高的生產(chǎn)率和加工精度，更要保證安全可靠。因此，高速切削加工的刀具系統(tǒng)必須滿足具有良好的幾何精度和高的裝夾重復(fù)定位精度，裝夾剛度，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)良好的平衡狀態(tài)和安全可靠。盡可能減輕刀體質(zhì)量，以減輕高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所受到的離心力，滿足高速切削的安全性要求，改進(jìn)刀具的夾緊方式。刀具系統(tǒng)的技術(shù)研究和發(fā)展是數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵任務(wù)之一。
4)數(shù)控高速切削工藝：高速切削作為一種新的切削方式，要應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，缺乏可供參考的應(yīng)用實(shí)例，更沒有實(shí)用的切削用量和加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫，高速加工的工藝參數(shù)優(yōu)化是當(dāng)前制約其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，高速切削的零件NC程序要求必須保證在整個(gè)切削過程中載荷穩(wěn)定，但是現(xiàn)在使用的多數(shù)CNC軟件中的自動(dòng)編程功能都還不能滿足這一的要求，需要由人工編程加以補(bǔ)充和優(yōu)化，這在一定程度上降低了高速切削的價(jià)值，必須研究采用一種全新的編程方式，使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特性曲線，充分發(fā)揮數(shù)控高速切削的優(yōu)勢(shì)。
高速切削加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有賴于以上原理方面、機(jī)床、刀具、工藝等各項(xiàng)關(guān)鍵單元技術(shù)的發(fā)展和綜合。
5、高速切削技術(shù)應(yīng)用方面研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)
由于高速切削在提高生產(chǎn)效益方面具有巨大潛力，早己成為美、日、德等國競(jìng)相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域。美國日本等國早在60年代初，就開始了超高速切削機(jī)理的研究。上世紀(jì)70年代，美國已經(jīng)研制出最高轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/min 的高速銑床。如今，歐美等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的不同規(guī)格的各種超高速機(jī)床已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并進(jìn)入市場(chǎng)，在飛機(jī)、汽車及模具制造行業(yè)實(shí)際應(yīng)用。例如，在美國波音公司等飛機(jī)制造企業(yè)，已經(jīng)采用數(shù)控高速切削加工技術(shù)超高速銑削鋁合金、鈦合金等整體薄壁結(jié)構(gòu)件和波導(dǎo)管、撓性陀螺框架等普通方法難加工的零件。近年來，美、歐、日等國對(duì)新一代數(shù)控機(jī)床、高速加工中心、高速工具系統(tǒng)的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，高性能的電主軸技術(shù)及其產(chǎn)品的專業(yè)化生產(chǎn)步伐加大;高性能的刀具系統(tǒng)技術(shù)也進(jìn)展迅速;直線電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于高速進(jìn)給系統(tǒng)。
我國在研究和開發(fā)高速切削技術(shù)方面，許多高校和研究所作了努力和探索，包括切削機(jī)理、刀具材料、主軸軸承、等方面，也取得了相當(dāng)大的成就。 然而，與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍存在著較大的差距，基本上還處在實(shí)驗(yàn)室的研究階段。為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，滿足航空航天、汽車、模具等各行業(yè)的制造需求，數(shù)控高速切削技術(shù)應(yīng)用研究任重道遠(yuǎn)。
目前，針對(duì)高速切削技術(shù)的研究已從實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向應(yīng)用階段。在應(yīng)用方面的研究包括兩個(gè)層面：一是高速加工關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，包括高速主軸單元和高速進(jìn)給單元等，實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床國產(chǎn)化。另一方面，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行工藝性能和工藝范圍的應(yīng)用研究。其中，關(guān)于高速切削工藝的研究是當(dāng)前最活躍的研究領(lǐng)域之一，主要目標(biāo)是通過試驗(yàn)或引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備直接進(jìn)行工藝研究，努力解決關(guān)鍵零部件的加工工藝問題，開發(fā)和完善特種材料的高速切削工藝方法;研究開發(fā)適應(yīng)高速加工的CAD/CAM軟件系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)，建立在新型檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上的加工狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)。
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