高速、高效、微细加工发展研究

1、机械工程学院 姓名：范彦汝 学号： 高速、高效、微细加工技术研究进展摘要:高速、高效、微细加工是近年来迅速发展起来的集高效、优质和低耗于身的先进制造工艺技术，是机械加工技术的重要发展方向。在航空、航天、汽车、模具、高速机车等行业中应用己取得重大经济效益，对提高加工技术水平，推动机械制造技术的进步具有深远的意义。高速、高效、微细加工的研发主要包括加工机理、加工机床、刀具磨具和加工工艺等方而。给出高速切削磨削机理、刀具磨具、机床功能部件及整机设计等方面的新理论、新原理、新观点、新方法、新成果和新技术，介绍高速切削磨削技术在产业发展中的重大应用和重大成果。结合我国末来几年的战略需求和重点发展方向，提

2、出高速加工技术发展路线，展望末来几年我国高速、高效、微细加工技术的发展重点。关键词:高速加工 、高效加工、微细加工、刀具、磨具、工艺智能应用系统。Research of the Technology Development in High-speed Efficient and Micro Machining Processing FieldAbstract: High-speed efficient and micro machining processing is an advanced manufacturing process technology which leads to hig

3、h-efficiency, high-quality and low energy consumption developing rapidly in recent years. It is an important direction of development inmachining technology. It has made significant economic benefits in aviation, aerospace, automotive, mold, high-speed locomotives and other industry applications. Th

4、erefore, far-reaching significance will be achieved in improving the level of processing technology and promoting the progress of mechanical manufacturing technology. The research and development of high-speed and efficient processing include processing mechanism, machine tools, tool grinding, machi

5、ning process and other aspects. It put out new theories, new principles, new ideas, new methods, new achievements and new skills in high-speed cutting and grinding mechanism, cutter grinding, function components and overall design of machine. The major applications and major achievements of high-spe

6、ed cutting grinding technology in the industrial development are introduced. Auto manufacturing Combining with development direction of China's future strategic needs and priorities. A high-speed machining technology development road and the development direction of high-speed efficient and micr

7、o machining technology are proposed.Key words: High-speed machining, High-efficiency machining , micro machining ,Cutting tools ,Abrasive tools, Process intelligent system.前言 高速、高效、微细加工的主要目的就是提高生产效率、加工质量和降低成本，它包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工、高速与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削和缓进给深切磨削等。 高速高效加工技术的研究范围包括:高速高效切削磨削机理

8、、高速高性能主轴单元及进给系统设计制造控制技术、高速高效加工用刀具磨具、加工过程检测与监控技术、高速加工控制系统、高速高效加工装备设计制造技术、高速高效加工工艺等。 德国切削物理学家Salomon博士于1931年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。图1为Salomon高速切削加工理论的示意图。图1 Salomon高速切削加工理论示意图高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，很难就高速加工的速度给出一个确切的定义。在常规切削速度范围内切削温度随着切削速度增大而提高，当切削速度达到临界切削速度后，随着切

9、削速度的增大切削温度反而下降。Salomon的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”在超高速区内进行切削，则有可能用现有的刀具进行告诉切削，从而可大大地减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。高速加工的速度比常规加工速度几乎高出一个数量级，在切削原理上是对传统切削认识的突破。由于切削机理的改变，而使高速加工产生出许多自身的优势，表现优越的如下切削特征：切削力低、热变形小、材料切除率高、高精度、减少工序。随着人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，使零部件的尺寸日趋微小化。例如便携式录音机的机械和电路的空间容积仅为20世纪60年代产品的1%，光通信机械中激光二极管L

10、D模块所需的微小非球面透镜制造用模具仅有0.11mm。此外，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置等都需要微型齿轮、电机、传感器和控制电路。因而，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械，已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术。微机械按其尺寸特征可以分为：110 mm的微小机械；11mm的微机械；1nm1的纳米机械。而制造微机械常采用的微细加工，又可以进一步分为纳米级微细加工、亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。概括起来，微机械具有以下基本特征：体积小，精度高，重量轻；性能稳定，可靠性高；能耗低，灵敏度和工作效率高；多功能和智能化；适用于大批量生产，制造成本低。1 高速、高效

11、。微细加工技术的发展与应用从德国Salomon博士提出高速切削概念以来，高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段。特别是20实际80年代以来，各工业国家相继投入大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切削处理和冷却系统、安全装置以及高性能CNC控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应用提供了基本条件。微细加工是指加工尺度为微米级范围的加工方式，是MEMS发展的重要基础。微细加工起源于半导体制造工艺，加工方式十分丰富，包含了微细机械加

12、工、各种现代特种加工、高能束加工等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。近年来，高速切削加工机床发展迅速，美国、德国。日本、瑞士、意大利等工业国家相继开发了各自的高速切削机床。如2001年北京第七届国际机床展览会上展出的瑞士MIKRON公司的铣削中心HSM700，其主轴转速为42000r/min，进给速度20m/min；北京第一机床厂的VRA400立式加工中心，主轴转速也达到了20000r/min，快速移动速度X、Y轴为48m/min，Z轴为24m/min。目前的高速切削机床均采用了高速的电主轴部件；进给系统多采用大导程多线滚珠丝杠或直线电动机，直线电动机最大加速度可达210g；C

13、NC控制系统则采用32或64位多CPU系统，以满足高速切削加工对系统快速数据处理功能；采用强力高压的冷却系统，以解决极热切削冷却问题；采用温控循环水来冷却主轴电动机、主轴轴承和直线电动机，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件；采用更完备的安全保障措施来保证机床操作者以及在周围现场人员的安全。在高速加工的工艺参数选择方面，国际上还没有面向生产的实用数据库可供参考，但在工件材料切削参数的研究方面取得了进展，使一些难加工材料，如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等在高速条件下变得易于切削。对在高速切削机理的研究，包括高速切削过程中的切削成形机理、切削力、切削热变化规律，及其对加工精度、表面质量、加工效

14、率的影响。目前对铝合金的研究已取得了较为成熟的结论，并用于铝合金的高速切削生产实践；但对于黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理尚处探索阶段。高速切削加工目前主要用于汽车工业大批生产、难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等不同的领域。航空工业是高速加工的主要应用行业，飞机制造通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工艺，从而降低飞机重量。飞机中有多数零件是从原材料中切除80%90%的多余材料而制成的，即所谓“整体制造法”。采用高速加工这些构件，可使加工效率提高710倍，其尺寸精度和表面质量都达到无需再光整加工的水平。在汽车制造行业，为了满足市场个性

15、化的需求而由大批量生产逐步转向为多品种变批量生产，由柔性生产线代替了组合机床刚性生产线，高速的加工中心将柔性生产线的效率提高到组合机床生产线的水平。模具制造是高速加工技术的主要收益者。当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可省去后续的电加工和手工研磨等工序。高速加工技术在模具行业的应用，无论是在减少加工准备时间，缩短工艺流程，还是缩短切削加工时间方面都具有极大的优势。随着高速、高效加工技术成熟和发展，其应用领域将会进一步扩大。2、发展状况、趋势及预测高速、高效、微细加工技术正在影响着整个加工技术的发展，高速、高效、微细加工不仅属于过去，更属于未

16、来。随着工具材料、驱动、控制和机床等技术的不断进步，高速、高效、微细加工不仅获得普遍应用，并目正在向超高速方向发展。 基于高速加工的现代高速加工中心，己成功地将原本是相互矛盾的柔性和高生产率融合在一起，从而改变了中、大批量生产领域中的生产模式，由连线的高速加工中心替代柔性自动线己成为明显的发展趋向。复合加工是一种新的加工模式，工件在一次安装中完成车、铣、钻、攻螺纹甚至磨削等不同的工序。高速高效复合加工机床在多品种单件生产场合将有广阔的应用前景。电主轴的应用，极大地推动了机床加工速度的提高。采用永久磁铁的同步电动机有更高的转矩和功率(相同主轴尺寸情况下)，这种电主轴在高速加工机床上己开始应用，将

17、有很好的应用前景。高速切削技术所依赖的关键技术之一就是相应的高速切削刀具。刀具材料技术的发展对刀具技术的发展起着至关重要的作用，开发新型刀具材料和强化现有的刀具材料如硬质合金、陶瓷等的性能，研发适应高速切削的高性能刀具材料是当前研究的热点。只有采用先进的刀具结构才能充分发挥刀具材料的优势，创新的刀具结构设计代表了当前高速切削刀具的发展方向。涂层材料、涂层结构和涂层工艺日益增多成为涂层刀具的发展趋势。以汽车业为例，图2是中国汽车保有量预测。考虑到成本因素和市场因素(如混合动力汽车和燃料电池汽车等)，日前的卞流汽车动力系统(由发动机和传动箱组成)仍将保持其核心技术的地位。纵观生产汽车动力系统零部件

18、加工技术的发展进程，生产系统从20世纪70年代的机床专机流水线将发展到21世纪10年代由高速加工中心组成的可变(可重构)加工线，能够生产不同品种和不同数量的产品。在生产系统的发展进程中，许多新的加工技术都是与金刚石和CBN刀具的进步一起开发和实施的。图2 中国汽车保有量预测 主轴转速和进给速度的提高也会引起一些负面影响，使机床结构和测量系统的热变形和位置控制的跟踪误差随之增大，为此应用信息技术发展诸如热误差补偿进给速度，前瞻控制位置环，前馈控制和加减速控制等一系列先进控制技术，使在高速控制条件下仍能保证加工精度不断改善。 因此高速化的发展不能单纯地追求转速的提高，必须考虑改善各项制约因素才能不

19、致事倍功半。除了上述提及的热误差和控制精度，还要注意机床结构的静动态刚度动平衡和刀具的性能等。近十几年来，微机械电子系统得以迅猛发展，一些令人瞩目的微系统引起人们的广泛关注，各种微型元件被开发出来并显示出现实和潜在的价值。微细加工已被认为是微机械发展的关键技术之一。从目前来看，微细加工技术总的发展趋势是：(1) 加工方法的多样化 迄今为止，微细加工技术是从两个领域延伸发展起来的：一是用传统的机械加工和电加工，研究其小型化和微型化的加工技术；另一是在半导体光刻加工和化学加工等高集成、多功能化微细加工的基础上提高其去除材料的能力，使其能制作出实用的微型零件的机器。因此，如何从单一加工技术向组合加工

20、技术发展，研究和制备几十微米至毫米级零件的高效加工工艺和设备，是今后一段时期的重点攻关领域。（2）加工材料从单纯的硅向着各种不同类型的材料发展 如玻璃、陶瓷、树脂、金属及一些有机物，大大扩展微机械的应用范围，满足更多的需求。（3）提高微细加工的经济性 微细加工实用化的一个重要条件就是要求经济上可行，这可从加工规模由单件向批量生产发展。LIGA工艺的出现是微机械进行批量生产的范例，微细成形、微细制模和微细模铸等方法也能适用于批量生产微型零件。此外，加工方式从手工操作向自动化发展也是提高微细加工经济性的途径。例如，日本微机械研究中心正在研制一种微机械制造设备，它可以完成从设计参数输入、加工、部件制

21、造组装到封装整个工艺过程。（4）加快微细加工的机理研究 伴随着机械构件的微小化，将出现一系列的尺寸效应，如构件的惯性力、电磁力的作用相应地减少，而粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用将相对较大；随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，传导、化学反应等加速，表面间的摩擦阻力显著增大。因而，加紧微机理的研究，建立微观世界的数学模型。力学模型和分析方法，奠定微机械的基础理论，这对微机械的设计和制造加工工艺的制定有很大的实际应用意义。 近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造行业引进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。在高速磨削技术研究方

22、面，国内主要有湖南大学、华中科技大学、东北大学、南京航空航天大学和华侨大学等研究单位在磨削机理、工艺及装备等方面开展了一些研究，但没有形成完整、系统的研究体系和方法。国内日前工业应用的v一般还是4560 m/s，未能超过120 m/s，实验室超高速磨削速度己达到了300 m/s，但离产业化还有一段较远距离。在钛合金、硬金属(如淬火钢、硬质合金、冷硬铸铁、合金铸铁)等难加工材料高速超高速磨削工艺方面所进行的研究很少。无论是高速、超高速磨削技术或是高效深磨技术的试验研究还是磨床产品，与国际先进水平相比，国内都有较大的差距。总之，我国高速加工技术研究起步较晚，仍处于初步阶段。但是需要认识到作为面向2

23、1世纪的一种先进制造技术，高速加工技术有着非常强大的生命力和广阔的应用前景。微机械及其制造技术将如同微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，将导致人类认识和改造世界的能力有重大的突破。3 结论 日前，对于高速、高效、微细加工从涉及的基础理论、设计技术、工艺基础到应用都产生了相关的研究成果。然而通过分析比较高速高效加工的国内外研究现状可以发现，迫切需要就以下儿方面做进一步的研究工作。 （1）工件材料在高速高效加工条件下的加工过程本质，研究开发高转速大功率主轴，高进给速度和高加速度进给系统等功能部件和高速高效加工工具，实现高速高效机床结构的精确创新设计。 （2）磨削工艺智能应用系统技术。将磨削

24、工艺智能应用系统同多功能磨床、多轴联动加工技术等结合起来，针对高性能复杂曲面零件的多轴联动磨削加工技术的迫切需求，提供多轴联动磨削加工编程平台及加工编程数据库，开发出相应的应用型软件系统。 （3）应重视与加强如高速切削磨削机理及工艺、多轴复合高效切削加工技术及其装备、难加工材料高效深磨技术及有序化超硬微刃刀具及其加工机理等关键技术的研究。 参考文献1 中国科学技术协会，中国机械工程学会 机械工程学科发展报告(20082009)(机械制造) M. 北京:中国科学技术出版社，20092 艾兴. 高速切削技术和刀具材料一现状与展望J. 世界制造技术与装备市场(WMEM), 2001(3): 32-3

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