高速切削(HSC)技术、装备及应用初探

九万里

高速切削(HSC)技术、装备及应用初探




  【摘   要】高速切削技术是当前各高校研究的重要课题之一，文章从高速切削的提出、所用装备和应用等方面较详细的介绍了高速切削的一些基本知识。
　【关键词】高速切削；技术装备
  




      当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。
　　一、高速切削技术
      （一）高速切削的提出
　　1931年，德国切削物理学家萨洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出一个假设，即同年申请德国专利(Machine with high cut?鄄ting speeds)的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状发展，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。
      （二）现代高速切削技术的概念
　　所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。到目前为止，其原理仍未被现代科学研究所证实。但这一原理的成功应该不只局限于此。高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等。
　　事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。所以要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。
     （三）高速切削技术的发展现状与优点
　　该项新技术始于20世纪80年代初期，美、德、法等国处于领先地位，英、日、瑞士等国亦追踪而上，至上世纪80年代后期，在上述国家里已形成了新兴的产业，年产值已达数十亿美元，并正在逐年上升。近期我国台湾省亦已起步，但大陆尚属空白。同济大学现代制造技术研究所已跟德国Darmstadt大学建立了项目合作关系，并获得初步成果。
　　按目前看，工业发达国家的航空、汽车、动力机械、模具、轴承、机床等行业首先受惠于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势。超高速切削技术是未来切削加工的方向，也是时代发展的产物。
　　二、高速切削的技术装备
      （一）高速切削机床
　　高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。在现代机床制造中，机床的高速化是一个必然的发展趋势。在要求机床高速的同时，还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。
　　为了适应粗精加工，轻重切削和快速移动，同时保证高精度（定位精度±0.005mm），性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。其关键技术有以下几项：
　　1．高速主轴。高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮———皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件———电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温，一般可控制在20°～25°范围内某一设定温度，精度为±0.7°，同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。
　　2．高速精密轴承。高速轴承是高速切削机床的核心，是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件。
      （1）磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其转速可达45000r/min，功率为20kW，精度高，易实现实时诊断和在线监控，是理想的支承元件，但其价格较高。
      （2）液体动静压轴承。采用流体动、静力相结合的办法，使主轴在油膜支撑中旋转，具有径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好，适于粗、精加工，寿命长的优点。但其无通用性，维护保养较困难。
      （3）混合陶瓷轴承。用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r/min，它的标准化程度高，便于维护，价格低。
　　3．高速伺服系统
　　为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件。
      （1）直线电机伺服系统。直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1g的情况下，是伺服系统的唯一选择。
      （2）滚珠丝杠驱动装置。滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置，用AC伺服电机直接驱动，并采用液压轴承，进给速度可达40～60m/min，其加速度可超过0.6g，成本较低，仅为直线电机的1/2.5。

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4．高性能的CNC控制系统。
      （二）高速切削刀具
　　刀具是机械加工重要的技术装备之一。由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大，高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。目前基本采用HSK形式和系列，需要根据机床主轴参数来确定刀柄参数，使它们相符吻合。由于切削和进给速度高，HSC加工中刀具的寿命一般会降纸，需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施，尽可能减少寿命的降低。
　　HSC刀具与普通刀具前后角相比，一般HSC比普通切削的前角约小10°，后角约大5°～8°。同时HSC刀具的切削部位应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。
　　HSC刀具需选用能适应高速切削的材料。为了获得较高的工件加工质量及最佳寿命时间，除硬质合金、金属陶瓷、涂层切削材料和切削陶瓷外，还采用了单晶体和多晶体的切削材料。这些切削材料除技术要求外，还应满足占有重要位置的经济和环保性能的要求。在HSC加工中，选用PKD（多晶体金刚石）和CBN（立方氮化硼）可显著提高加工效率。
　　除选择合适的刀具材料外，在刀具设计过程中，首先应考虑在离心力作用下刀具构件固定的可靠性，并注意符合“平衡”的结构。需要对刀具进行最高转速的试验。此外，在制造刀具时，其良好的工艺性也是很重要的。有价值的和可靠的制造方法，对从刀具的预处理直至刀刃的制作都具有决定性的意义，特别是对带有PKD或CBN刀片的刀具更是如此。
　　为了使在应用HSC刀具时达到最高加工质量和最佳经济性能，不仅应考虑刀具本身，同时也应考虑刀具和夹紧系统的接口部分，即主轴和刀具连接面及工件安装的稳定性。对接口部分和接长杆而言，特别重要的是径向摆动精度、悬臂长度、振动性能和可换性。为了达到圆柱刀柄在精加工时对径向摆动精度的要求，首先选用液压夹头、收缩夹头和力压缩夹头的连接方式，这些夹头和HSC接口相配时，其径向摆动精度可以达到0.003mm。
      （三）HSC机床的配套装备
　　1．为了缩短辅助工时，绝大多数HSC机床都配有15～30刀位以上的刀具库和自动换刀装置，成为HSC加工中心；
　　2．冷却润滑系统是不可少的配套装备，其中包含自动对机床各部进行冷却润滑的功能和排屑功能；
　　3．电子手轮和CAD/CAM系统与高速CNC系统的接口，是影响到机床操作控制性能的必要配套装置；
　　4．能够自动测量刀具的直径、长度和进行破损检测的激光或红外线系统；
　　5．测头能够安装到主轴上用以探测工件轮廓型面的红外线测量装置；
　　6．为了减少发生故障后，停机等待修复的时间，在机床台数多、利用率高的情况下，备用一根高速主轴。
　　HSC机床的安全防护装置，包括硬件和软件，要保证即使在发生刀具破裂而高速弹飞出来的极端情况下，仍然能够可靠地保护操作使用者的人身安全，并且能够预防机床部件、刀具、工件之间产生意外的干涉碰撞。
　　三、高速切削目前主要应用领域
      （一）大批生产领域
　　如汽车工业，如美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机床以实际用于福特公司的生产线。
      （二）工件本身刚度不足的加工领域
　　如航空航天工业产品或其他某些产品，如Ingersoll公司采用高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚仅为1mm。
      （三）加工复杂曲面领域
　　如模具工具制造。
      （四）难加工材料领域
　　如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为：加工航天航空铝合金2438m/min，汽车铝合金1829m/min，铸铁1219m/min，这均比常规切削速度高出几倍到几十倍。
【参考文献】
　　[1]王先逵．制造技术的未来[J]．中国机械工程，1994，（5）.
　　[2]张根保．先进制造技术[M]．重庆：重庆大学出版社，1996.
　　[3]机械工程手册编辑委员会．机械工程手册（第2版）[M]．北京：机械工业出版社，1997.