高速切削的关键技术及应用.doc

高速切削的关键技术及应用 机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造方向发展。机械加工技术中，切削加工是应用最广泛加工方法。近年来，高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工主流和先进制造技术一个重要发展方向。数控机床出现以前，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等辅助时间超过工件加工总工时70%；以数控机床为基础柔性制造技术发展和应用，大大降低了工件加工辅助时间，切削所占时间比例越来越大。，实现高速切削成为提高机床生产效率重要技术手段之一。目前，高速切削技术航空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获广泛应用，并产生了巨大经济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高速切削作为一种新切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。本文作者着重研究了高速切削关键技术机床技术、刀具技术和工艺技术及其应用。1高速切削技术概述1.1高速切削概念高速切削（HighSpeedCutting）是一个相对概念，迄今尚未有一个确切界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5倍10倍切削加工，也称为超高速切削（Ultra2 high Speed Cutting）。也有将主轴转速达到10000r/min60000r/min，快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min以上，加速度大于1g切削加工定义为高速切削。不同工件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加工线速度，单位m/min）范围同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适高速切削速度范围；按加工工艺划分，高速切削速度范围为：车削700m/min7000m/min，铣削300m/min6000m/min，钻削200m/min1100m/min，磨削5000m/min10000m/min。高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）于1931年提出，现人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。他认为，常规切削速度范围内，切削温度切削速度提高而升高，一定工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不升下降。每一种工件材料，都存一个速度范围，该范围内，切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。切削速度能越过“死谷”，高速区工作，则有可能用现有刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率。1.2高速切削技术特点高速切削速度较之常规切削速度几乎高出1个数量级，其切削机制异于常规切削。切削机制改变，使高速切削技术具有如下特点。1.2.1切削力小切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，使切削力比常规切削降低30%以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄壁类刚性差工件，如飞机上机翼壁板等。1.2.2工件热变形小高速切削时，90%以上切削热来不及传给工件就被高速流出切屑带走，工件积累热量少，工件温升不会超过3，基本保持冷态，不会温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变工件。1.2.3材料切除率高随切削速度提高，进给速度也相应提高5倍10倍，单位时间内材料切除率可达常规切削3倍6倍，适用于材料切除率要求大场合，航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工整体构件最理想制造技术。2001年德国汉诺威举办欧洲机床展览会（EMO）上展出荷兰Unisign公司制造Unipro25型五轴立式加工中心（X行程1000mm、Y行程800mm），电主轴功率100kW，最高转速25000r/min，最大扭矩90Nm，其铣削铝合金材料切除率已达8000cm3/min10000cm3/min。 1.2.4工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工高速切削时，机床激振频率很高，远远超出了“机床刀具工件”工艺系统固有频率范围（50Hz300Hz），使加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获表面质量常可达磨削水平，常可省去铣削后精加工工序。例如，瑞士DIXI机械公司生产DHP50高精度卧式加工中心，工作台500mm500mm，双托盘，行程为700mm700mm700mm，主轴转速为12000r/min，功率为25kW，刀库容量65把，换刀时间4s（T2T），6s（C2C），定位精度4m，重复定位精度2m（按ISO23022标准），测量分辨率0.5m。高速切削尤其适合于光学等领域加工。1.2.5可加工难加工材料难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料和耐磨铸铁等切削加工切削效率低，刀具寿命短。高速切削时，切削力小，切屑变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材料。例如，航空制造业中大量采用镍基合金、钛合金材料，强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削温度高，刀具磨损严重，常规切削中一般采用很低切削速度。采用高速切削，其切削速度可提高到100m/min1000m/min，能大幅度提高机床生产效率，能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。1.2.6高速干切削可以实现加工过程绿色制造高速干切削就是切削加工过程中不使用任何切削液工艺方法，是对传统切削方式一种技术创新。它相湿切削而言，是一种从源头上控制污染绿色切削和清洁制造工艺，它消切削液使用对外部系统造成负面影响。目前，能实现高速干切削工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。2高速切削关键技术高速切削是一项复杂系统工程。高速切削是切削速度提高，它发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域技术配合和技术创新。2.1高速切削机床技术性能良好高速切削机床是实现高速切削前提和关键，而具有高精度高速主轴和控制精度高高速进给系统，则是高速切削机床技术关键所。 2.1.1高速主轴高速主轴是高速切削机床核心部件，很大程度上决定着高速切削机床所能达到切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削加工中心其主轴最高转速一般都大于10000r/min，有高达60000r/min100000r/min，为普通机床10倍左右；主电动机功率15kW80kW，以满足高速车削、高速铣削之要求。电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）快速发展，高速数控机床主传动机械结构到极大简化，取消了齿轮传动和带传动，采用机床主轴与主轴电机一体化传动结构形式（即所谓电主轴），实现了机床“零传动”。轴承是决定主轴寿命和负荷关键部件。电主轴采用轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点，电主轴中到最广泛应用。滚动轴承高速回转时，润滑极为重要，目前，电主轴主要采用两种润滑方式：油脂润滑和油-气润滑。油雾润滑尽管价廉，但因其污染环境、损害操作工人健康，不符合绿色制造和可持续发展原则，国外电主轴公司已不再使用。流体静压轴承（包括气体静压轴承和液体静压轴承）为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高和阻尼特性好等优点。气体静压轴承电主轴转速可高达100000r/min200000r/min，缺点是刚度差，承载能力低；液体静压轴承刚度高，承载能力强。磁悬浮轴承又称磁力轴承，也为非接触式轴承，没有磨损，无需任何润滑。目前，生产磁悬浮轴承电主轴厂家有德国GMN公司、瑞士IBAG公司及中国洛阳轴承研究所等。2.1.2高速进给系统控制精度高高速进给系统也是实现高速切削关键技术之一。传统滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其进行技术改进和技术创新，才能适应高速切削要求。主要技术措施有：（1）丝杠采用中空结构，提高丝杠支承刚度。（2）为降低高速滚珠丝杠副传动系统发热，将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传动系统精度。（3）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列，可有效降低高速运行时噪声。（4）改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（5）采用螺母旋转、丝杠不动驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺母与驱动电机转子集成为一体，由转子直接驱动。 该结构丝杠固定不动，螺母作高速旋转同时作轴向移动，故可消除丝杠临界转速限制。高速滚珠丝杠副传动系统加速度范围为（0.51.0）g，行程范围6m，用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其加速度可高达（210）g，行程范围不受限制，用于高档高速数控机床和高速加工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（1）高速响应性。系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。（2）速度和加速度高。最大进给速度可达80180m/min，加速度可高达（210）g。（3）定位精度高。直线电机进给驱动系统常用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，定位精度可高达0.1m0.01m。直线电机伺服系统价格约是高速滚珠丝杠伺服系统2.5倍，但加速度大于1g情况下，前者仍是高速进给系统唯一选择。2.2高速切削刀具技术刀具技术是实现高速切削重要保证。正确选择刀具材料和设计刀具系统提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。2.2.1高速切削刀具材料高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高强度和耐磨性；高韧度、良好耐热冲击性；高热硬性、良好化学稳定性。目前，高速切削加工常用刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金刚石（PCD）材料等。2.2.1.1涂层刀具目前，用于高速切削刀具涂层主要有两类：一类是“硬”涂层，如TiC、TiN和Al2O3等涂层刀具，其优点是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂层刀具具有很强抗后刀面磨损能力，TiN涂层刀具则具有理想抗月牙洼功能。一类是“软”涂层，如MoS2、WS等涂层刀具，这类刀具也称为“自润滑刀具”，刀具、工件和切屑之间摩擦因数很低，约0.01，能降低切削力和切削温度。航空航天工业用材如高强度硬质合金、钛合金等加工就不适合采用“硬”涂层刀具；采用“软”涂层刀具，可防止刀刃上产生积屑瘤，提高工件表面加工质量，延长刀具寿命。2.2.1.2陶瓷刀具陶瓷刀具是高速切削最重要刀具材料之一。可用于高速切削陶瓷刀具包括金属陶瓷（Cermet）、氧化铝陶瓷（Al2O3）和氮化硅陶瓷（Si3N4）等。陶瓷刀具具有很高硬度和耐磨性，适于加工HRC5065高硬度材料；高温性能好，1200高温下仍能进行切削；具有良好抗粘结性能，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好。但陶瓷刀具抗冲击载荷能力差、抗热冲击性能差，用陶瓷刀具进行切削时，不宜使用切削液，适于进行高速干切削。2.2.1.3立方氮化硼（CBN）立方氮化硼（CBN）材料硬度仅次于金刚石，高达HV32004000，具有很高耐磨性、热稳定性和化学稳定性，最适于高硬度淬火钢、高温合金、硬化轴承钢（HRC6062）、工具钢（HRC5760）、高速钢（HRC62）等材料高速切削。2.2.1.4聚晶金刚石（PCD）聚晶金刚石（PCD）材料硬度约为CBN2倍，其导热性好、热膨胀系数小、摩擦因数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料高速切削，是实现高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度切削加工重要刀具。PCD刀具主要用于轻金属及其合金、新型陶瓷材料及难加工材料高速切削，用于精密、超精密及光学元件精加工。2.2.2高速切削刀具系统刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响，一般高速切削刀具前角比普通切削刀具约小10，后角大58。刀具高速旋转时，会承受很大离心力，其大小远远超过切削力，成为刀具主要载荷，足以导致刀体破碎，造成重大事故。以高速铣刀为例，提高刀具设计安全性技术有：（1）高速铣刀大多采用HSK空心短锥刀柄与机床主轴连接，做成整体式结构，以提高刚性和安装重复定位精度。（2）高速旋转时，刀具不平衡会对主轴系统产生一个附加径向载荷，其大小与转速平方成正比。对安装高速主轴上旋转刀具来说，高精度动平衡是至关重要。德国于1994年起草高速旋转铣刀安全性要求标准规定，用于高速切削铣刀必须动平衡测试。2.3高速切削工艺技术高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程；而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程加工工艺。进行高速切削时，工件材料不同，所选用切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同。下面着重研究轻金属、钢和铸铁高速切削工艺技术。2.3.1高速切削轻金属技术铝合金因具有良好耐蚀性，较高比强度，导电性及导热性好等优点，汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。铝镁合金大多使用铸件，这些轻合金最大优点就是其固有易切特性。轻合金可采用很高切削速度和进给速度进行加工，切削速度可高达1000m/min7500m/min，高速切削使95%98%切削热被切屑迅速带走，工件保持室温状态，热变形小，加工精度高。高速铣削轻金属时，加工过程存较大冲击载荷，PCD和CBN刀具寿命特性并不好。当切削速度达到1000m/min时，可使用K型硬质合金刀具；当切削速度达到2000m/min时，可使用金属陶瓷刀具；当切削速度更高时，可使用PCD刀具；高速铣削铝镁合金时，可使用K10硬质合金刀具。2.3.2高速切削钢和铸铁技术高速铣削钢和铸铁时，遇到主要问题是刀具磨损。高速铣削钢材时，刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。刀具磨损与工件材料力学性能有关。如工件材料抗拉强度增大，则刀具磨损增加，应减少每齿进给量。表1给出了钢切削速度和每齿进给量。 高速铣削铸铁时，切削速度选择取决于刀具材料。提高切削速度和减少每齿进给量，可提高工件表面加工质量。表2给出了铸铁切削速度和每齿进给量。3高速切削技术应用3.1高速切削航空航天工业中应用航空航天工业中许多零件采用薄壁、细筋结构，刚度差，不允许有较大吃刀深度，高速切削成为此类零件加工工艺唯一选择。飞机上一些零件提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成部件，改用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。有整体构件材料去除率高达90%，采用高速切削可大大提高生产效率