李忠新，黃 川，劉延友

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

自20世紀(jì)30年代，高速切削概念首次提出以來(lái)，高速切削加工技術(shù)經(jīng)歷了多年理論與實(shí)踐的研究和探索.近20年來(lái)，隨著材料、信息、微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率高速主軸單元、高性能伺服控制系統(tǒng)和超硬耐磨耐熱刀具材料等關(guān)鍵技術(shù)的解決和進(jìn)步，使其在德國(guó)、美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到迅速發(fā)展，已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)的重要發(fā)展方向，并廣泛應(yīng)用于裝備制造工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具工業(yè)等主要工業(yè)部門(mén)［1］.

高速切削最終要達(dá)到的主要目標(biāo)之一是要通過(guò)高速切削來(lái)提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本并以此提高整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力［2］.

1 高速切削加工的優(yōu)越性

高速切削之所以成為技術(shù)熱點(diǎn)，得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用，是因?yàn)樗鄬?duì)傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性.

1.1 加工效率高

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，因而零件加工時(shí)間可大大減少.這樣可以用于加工需要大量切除金屬的零件，特別是對(duì)于航空工業(yè)具有十分重要的意義.

1.2 切削力減少

同常規(guī)切削加工相比，高速切削加工時(shí)切削力至少可降低30%，這對(duì)于加工剛性較差的零件來(lái)說(shuō)可減少加工變形，提高零件的加工精度，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能.

1.3 切削熱對(duì)被加工工件的影響減少

高速切削加工過(guò)程極為迅速，95%以上的切削溫度被切屑帶離工件，工件積聚熱量極少，零件不會(huì)由于溫升導(dǎo)致翹曲或膨脹變形，因而高速切削特別適用于加工容易熱變形的零件.對(duì)于加工熔點(diǎn)較低、易氧化的金屬（如鎂），高速切削加工具有重要意義.

1.4 加工精度高

高速旋轉(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).由于切削力小，切削熱影響小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得刀具與工件間的摩擦減少，從而切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工.

1.5 簡(jiǎn)化了加工工藝流程

常規(guī)銑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(guò)放電加工解決.高速銑可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來(lái)的表面硬化問(wèn)題，減少或免除人工光整加工.圖1為某模具制造中采用常規(guī)加工與高速銑削加工的工序比較［3］.

圖1 傳統(tǒng)加工方式與高速加工方式的比較Fig.1 Compartion of traditional processing methods and high－speed machining model

2 高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程.目前的主要研究領(lǐng)域如圖2，從圖中看出，機(jī)床、刀具、工件、加工工藝、切削過(guò)程監(jiān)控及切削機(jī)理等方面形成高速切削加工技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)體系.這些技術(shù)相互聯(lián)系，相互制約，相互促進(jìn)［4］.

圖2 高速切削加工研究體系Fig.2 Research systems of high－speed machining

2.1 高速切削機(jī)理研究

只有合理的高速切削工藝和刀具技術(shù)才會(huì)使得昂貴的高速切削機(jī)床充分發(fā)揮作用，而切削工藝和刀具的優(yōu)化，必然依賴于對(duì)各種工件材料高速切削機(jī)制的基礎(chǔ)研究和各種刀具材料的磨損與破損機(jī)制的研究.超高速切削機(jī)制的研究包括以下幾個(gè)方面.

2.1.1 高速切削過(guò)程和切屑成形機(jī)理的研究

對(duì)高速切削加工中切屑成形機(jī)理、切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過(guò)程原理的研究，采用科學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬仿真兩種方法.

2.1.2 高速加工基本規(guī)律的研究

對(duì)高速切削加工中的切削力、切削溫度、刀具磨損、刀具耐用度和加工質(zhì)量等現(xiàn)象及加工參數(shù)對(duì)這些現(xiàn)象的影響規(guī)律進(jìn)行研究，提出反映其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也是研究工作中需要解決的問(wèn)題，工藝參數(shù)應(yīng)基于建立的數(shù)學(xué)模型及多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果.

2.1.3 各種材料的高速切削機(jī)理研究

由于不同材料在高速切削中表現(xiàn)出不同的特征，所以要研究各種工程材料在高速切削下的切削機(jī)理，包括輕金屬材料、鋼和鐵、復(fù)合材料、難加工合金材料等.通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和分析，建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，以便指導(dǎo)生產(chǎn).

2.1.4 高速切削虛擬技術(shù)研究

在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)，虛擬高速加工過(guò)程中刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用過(guò)程，對(duì)切屑形成過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，顯示加工過(guò)程中的熱流、相變、溫度及應(yīng)力分布等，預(yù)測(cè)被加工工件的加工質(zhì)量，研究切削速度、進(jìn)給量、刀具和材料以及其他參數(shù)對(duì)加工的影響等.

2.2 高速切削刀具技術(shù)

2.2.1 刀具材料

高速銑削中會(huì)產(chǎn)生厚度變化的斷續(xù)切屑，它們都會(huì)導(dǎo)致刀具內(nèi)熱應(yīng)力高頻率地周期變化，加速刀具的磨損.因此，超高速銑削除了要求刀具材料具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還突出要求刀具材料具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能及高的可靠性.

在選擇高速切削刀具材料時(shí)，首先要考慮加工的材料，其次要考慮切削的方式.目前，高速切削加工常用的刀具材料有涂層刀具、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）以及高速鋼、硬質(zhì)合金等［5］.

2.2.2 刀具系統(tǒng)技術(shù)研究

高速銑削工具系統(tǒng)的基本功能是保證刀具在機(jī)床中的準(zhǔn)確定位，并在加工過(guò)程中保持不變，同時(shí)傳遞加工中所需的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力.在超高速銑削中，高速旋轉(zhuǎn)的銑刀產(chǎn)生很大的離心力，由于傳統(tǒng)的工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮離心力的影響，導(dǎo)致其在精度、剛度、刀具裝卸、安全性等方面產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，嚴(yán)重地影響了超高速加工的質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全性.

2.3 高速切削機(jī)床技術(shù)

高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件.在要求機(jī)床高速的同時(shí)，還要求機(jī)床具有高精度和高的靜、動(dòng)剛度.高速機(jī)床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)（或稱功能部件）和機(jī)床整機(jī)技術(shù).單元技術(shù)包括高速主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC（Computer Numerical Control）控制系統(tǒng)等；機(jī)床整機(jī)技術(shù)包括機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工環(huán)境等［6］.

2.3.1 高速主軸單元

高速主軸單元包括動(dòng)力源、主軸、軸承和機(jī)架4個(gè)部分，是高速加工機(jī)床的核心部件，在很大程度上決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍.高速主軸一般做成電主軸的結(jié)構(gòu)形式，其關(guān)鍵技術(shù)包括高速主軸軸承、無(wú)外殼主軸電動(dòng)機(jī)及其控制模塊、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具（或工件）動(dòng)平衡等.

2.3.2 高速進(jìn)給系統(tǒng)

高速進(jìn)給系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、滾動(dòng)元件導(dǎo)向技術(shù)、高速測(cè)量與反饋控制技術(shù)和其他周邊技術(shù)，如冷卻和潤(rùn)滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術(shù)等.高速進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度對(duì)提高生產(chǎn)率有重要的意義，其高速性是評(píng)價(jià)高速機(jī)床性能的重要指標(biāo).對(duì)高速進(jìn)給系統(tǒng)的要求不僅僅是能夠達(dá)到高的運(yùn)動(dòng)速度，而且要求進(jìn)給系統(tǒng)具有很大的加速度和很高的定位精度.

2.3.3 CNC控制系統(tǒng)

相對(duì)而言，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對(duì)超高速機(jī)床所需的進(jìn)給率來(lái)說(shuō)是顯得太慢了，超高速機(jī)床要求其CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間要快得多，高的進(jìn)給速率要求CNC系統(tǒng)有很高的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速率，而且還應(yīng)有較大的程序存儲(chǔ)量.CNC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括快速處理刀具軌跡、預(yù)先前饋控制、快速反應(yīng)的伺服系統(tǒng)等.

2.4 高速切削工藝技術(shù)

切削方法選擇不當(dāng)，會(huì)使刀具加劇磨損，完全達(dá)不到高速加工的目的.高速切削的工藝技術(shù)包括切削方法和切削參數(shù)的選擇優(yōu)化以及對(duì)各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇等.

2.4.1 切削方法和切削參數(shù)的選擇與優(yōu)化

在高速切削中，必須對(duì)切削方法和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇.其中包括優(yōu)化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移動(dòng)的方向和切削過(guò)程（順銑還是逆銑）等.

2.4.2 對(duì)各種不同材料的切削方法

切削鋁、銅等輕合金，與切削鋼和鑄鐵以及切削難加工合金鋼，由于切削機(jī)理不同，除了刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇外，在切削過(guò)程中還要采取不同的切削策略才能得到較好的切削效果.

2.5 高速數(shù)控加工的編程策略

高速加工數(shù)控編程必須考慮高速切削的特殊性和控制的復(fù)雜性，高速加工不是簡(jiǎn)單的把普通加工的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給提高，而是對(duì)很多方面有了更高的要求.高速切削對(duì)編程的具體要求主要有：

（1）夾具、工件和刀具之間無(wú)碰撞、無(wú)干涉，保證刀具和機(jī)床不過(guò)載.

（2）保持恒定的切削載荷.分層加工要比仿形加工有利于保證材料去除量的恒定：刀具切人工件的方式要平滑，采用螺旋線方向切入好；保證刀具軌跡平滑過(guò)度，不能有直角過(guò)度.

（3）保證工件的加工精度.盡量減少刀具的切入次數(shù)，采用螺旋走刀軌跡，進(jìn)給量要均衡，采用較大的進(jìn)給量可以保證加工表面質(zhì)量的提高.

3 高速切削關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向

高速切削技術(shù)是未來(lái)切削加工的方向之一.它依賴于數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新穎構(gòu)件等基礎(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn).它自身亦存在著亟待攻克的一系列技術(shù)問(wèn)題，如刀具磨損嚴(yán)重，高速切削用刀具壽命較短、刀具材料價(jià)格貴重，銑、鏜等回轉(zhuǎn)刀具及主軸需要?jiǎng)悠胶猓毒咝枥慰繆A持等.高速切削技術(shù)的發(fā)展方向歸納起來(lái)主要有方面.

3.1 新一代高速大功率機(jī)床的開(kāi)發(fā)與研制

目前，大多數(shù)高速切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)是串聯(lián)開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，組成環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且由于存在懸臂部件和環(huán)節(jié)間的間隙，不容易獲得高的總體剛度，難以適應(yīng)高速切削加工進(jìn)一步發(fā)展的要求.為解決上述問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)適于高速切削加工的新一代數(shù)控加工中心，在基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究；發(fā)展小質(zhì)量、大功率、高轉(zhuǎn)速的電主軸；研制適合于高速加工中心的高速高精度數(shù)控系統(tǒng)；開(kāi)發(fā)快速進(jìn)給系統(tǒng)等技術(shù).

3.2 高速切削動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性的研究

高速切削機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性對(duì)加工穩(wěn)定性影響巨大，應(yīng)盡快開(kāi)展機(jī)床結(jié)構(gòu)、控制方法、切削加工參數(shù)、刀具切入切出等對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性影響及動(dòng)態(tài)特性對(duì)刀具壽命和工件加工質(zhì)量影響的研究，為合理選擇切削參數(shù)，減少振動(dòng)提供理論依據(jù).

3.3 高速切削機(jī)理的深入研究

目前對(duì)高速切削機(jī)理的研究不夠深入，難以為合理工藝規(guī)范制訂及刀具設(shè)計(jì)制造提供充分的理論依據(jù).通過(guò)高速切削實(shí)驗(yàn)，研究高速切削切屑變形機(jī)理以及切削力、切削溫度、刀具磨損和破損等的變化規(guī)律，研究切削加工參數(shù)對(duì)加工效率、工件加工表面完整性、加工精度等的影響規(guī)律.

3.4 新一代刀具材料的研制及結(jié)構(gòu)的研究

雖然刀具材料（如陶瓷刀具和立方氮化硼刀具）可以抗高速切削時(shí)的高溫，但常因抵抗不了高速切削加工時(shí)的熱震而損壞.因此，研究開(kāi)發(fā)新一代既耐高速切削時(shí)的臨界溫度值又耐高熱震沖擊的刀具材料是非常迫切且關(guān)鍵的問(wèn)題.為推廣高速切削加工技術(shù)，應(yīng)開(kāi)展刀具動(dòng)平衡試驗(yàn)研究，進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)CAD設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全可靠性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速切削刀具的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化.

3.5 開(kāi)發(fā)高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)

開(kāi)發(fā)適于對(duì)高速切削加工切削力、切削熟、刀具狀態(tài)及工件加工質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)控的傳感器技術(shù)，將高速切削加工過(guò)程中的切削力、切削熱、刀具狀態(tài)及工件加工質(zhì)量等進(jìn)行綜合建模，開(kāi)展刀具狀態(tài)以及加工質(zhì)量的預(yù)報(bào)研究.

3.6 高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)建立

高速切削技術(shù)在切削工藝安排、刀具材料及刀具幾何參數(shù)選用和切削用量選擇等方面與普通切削有較大差別，實(shí)際生產(chǎn)中缺乏較全面的實(shí)用化的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，這制約了高速切削技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，根據(jù)高速機(jī)床性能、工件材料性能、工件幾何形狀、刀具材料性能、刀具幾何參數(shù)、夾具、工件加工質(zhì)量要求等建立高速加工條件下的高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)及開(kāi)發(fā)適合于高速加工的編程技術(shù)迫在眉睫.

4 結(jié)語(yǔ)

高速切削加工技術(shù)是一項(xiàng)全新的、正在發(fā)展之中的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛的應(yīng)用，取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.在我國(guó)高速切削加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還處于初步階段，還有大量研究、開(kāi)發(fā)工作需要進(jìn)行，研究各種材料的高速切削機(jī)理，開(kāi)發(fā)合理的高速切削技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急.

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