【導(dǎo)讀】part.speedin-20210r/minabove10,000forhigh-speedcutting;Feedathighvelocity,usually. prehensiveconcept.

　　

【正文】 刀具－工件”系統(tǒng) 的主導(dǎo)自然頻率 (Dominant Natural Frequency)時，可認為是高速切削?？梢姼咚偾邢骷庸な且粋€綜合的概念。 1992年，德國 Darmstadt工業(yè)大學(xué)的 H. Schulz教授在 CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵蓋的范圍，如圖 1所示。認為對于不同的切削對象，圖中所示的過渡區(qū) (Transition)即為通常所謂的高速切削範圍，這也是當時金屬切削工藝相關(guān)的技術(shù)人員所期待或者可望實現(xiàn)的切削速度。 高速切削加工對機床、刀具和切削工藝等方面都有一些具體的要求。下面分別從這幾個方面闡述高速切削加 工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。 現(xiàn)階段，為了實現(xiàn)高速切削加工，一般釆用高柔性的高速數(shù)控機床、加工中心，也有釆用專用的高速銑、鉆床。這些設(shè)備的共同之處是：必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)材料切削過程的高速化。高速切削與傳統(tǒng)切削最大的區(qū)別是，“機床－刀具－工件”系統(tǒng)的動態(tài)特性對切削性能有更強的影響力。在該系統(tǒng)中，機床主軸的剛度、刀柄形式、刀長設(shè)定、主軸拉刀力、刀具扭力設(shè)定等，都是影響高速切削性能的重要因素。 在高速切削中，材料去除率 (Metal Removal Rate， MRR)，即單位時間內(nèi)材料被切除的體積，通常受限于“機床 刀具 工件”工藝系統(tǒng)是否出現(xiàn)“顫振”。因此，為 了滿足高速切削加工的需求，首先要提高機床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性?，F(xiàn)階段高速切削之所以能夠成功，一個很關(guān)鍵的因素在于對系統(tǒng)動態(tài)特性問題的掌握和處理能力。 為了更好地描述機床主軸的剛度特性，工程上提出新的無量綱參數(shù) — DN 值，用以評價機床的主軸結(jié)構(gòu)對高速切削加工的適應(yīng)性。所謂 DN值即“主軸直徑與每分鐘轉(zhuǎn)速之積”。新近開發(fā)的加工中心主軸 DN 值大都已超過 100 萬。為了減輕軸承的重量，還釆用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承；軸承潤滑方式大都 釆用油氣混合潤滑方式。在高速切削加工領(lǐng)域，目前已開發(fā)空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構(gòu)成的磁氣 /空氣混合主軸。 在機床進給機構(gòu)方面，高速切削加工所用的進給驅(qū)動機構(gòu)通常都為大導(dǎo)程、多頭高速滾珠絲槓，滾珠釆用小直徑氮化硅（ Si3N4）陶瓷球，以減少其離心力和陀螺力矩；釆用空心強冷技術(shù)來減少高速滾珠絲槓運轉(zhuǎn)時由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲槓熱變形。 近幾年來，用直線電機驅(qū)動的高速進給系統(tǒng)問世，這種進給方式取消了從電動機到工作臺溜板之間的一切中間機械傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了機床進給系統(tǒng)的零傳動。由于直線電機沒有任何 旋轉(zhuǎn)元件，不受離心力的作用，可以大大提高進給速度。直線電機的另一大優(yōu)點是行程不受限制。直線電機的次極是一段一段連續(xù)鋪在機床的床身上。次極鋪到哪里，初極工作臺就可運動到哪里，而且對整個進給系統(tǒng)的剛度沒有任何影響。釆用高速絲槓或直線電機，能夠大大提高機床進給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。直線電機最高加速度可達 210G(G為重力加速度 )，最大進給速度可達 60200m/min或更高。 2021年舉世矚目的上海浦東磁懸浮列車工程中的磁浮軌道鋼梁加工，釆用沈陽機床控股有限公司集團中捷友誼公司廠生產(chǎn)的超長進給系統(tǒng)高速大型加工中心實現(xiàn)。該機床的進給系統(tǒng)為直線導(dǎo)軌和齒輪齒條傳動，工作臺最大進給速度 60m/min，快速行程 100m/min，加速度 2g，主軸最高轉(zhuǎn)速 20210r/min，主電機功率 80kW。其X軸的行程長達 30m，切削 25m長的磁浮軌道鋼梁誤差小于 ，為磁懸浮列車工程的順利竣工提供了有力的技術(shù)保證。 此外，機床的運動性能也將直接影響加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切 削加工中，主要釆用小切深大進給的加工方法。要求機床在大進給速度條件下，應(yīng)具有高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補。圓弧加工是釆用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時，必不可少的加工方法。 刀具材料的發(fā)展：高速切削技術(shù)發(fā)展的歷史，也就是刀具材料不斷進步的歷史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼（ CBN）。端面銑削使用 CBN刀具時，其切削速度可高達 5000m/min，主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石（ PCD） 刀具被稱之為 21世紀的刀具，它特別適用于切削含有 SiO2的鋁合金材料，而這種金屬材 料重量輕、強度高，廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車發(fā)動機、電子裝置的殼體、底座等方面。目前，用聚晶金剛石刀具端面銑削鋁合金時， 5000m/min的切削速度已達到實用化水平，此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工； 涂層刀具： CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能，但成本相對較高。釆用涂層技術(shù)能夠使切削刀具既價格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本?，F(xiàn)在高速加工用的立銑刀，大都釆用 TiAIN系的復(fù)合多層涂鍍技術(shù)進行處理，如目前在對鋁合金或有色金屬材料進行干式切削時， DLC（ Diamond Like Carbon）涂層刀具就受到極大的關(guān)注，預(yù)計其巿場前景十分可觀； 刀具夾持系統(tǒng)：刀具的夾持系統(tǒng)是支撐高速切削的重要技術(shù)，目前使用最為廣泛的是兩面夾緊式工具系統(tǒng)。已作為商品正式投放巿場的兩面夾緊式工具系統(tǒng)主要有： HSK、 KM、 Bigplus、 NC AHO等系統(tǒng)。 在高速切削的情況下，刀具與夾具回轉(zhuǎn)平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響加工精度和刀具壽命，而且也會影響機床的使用壽命。因此，在選擇工具系統(tǒng)時，應(yīng)盡量選用平衡性能良好的產(chǎn)品。 高速加工的切削速度為常規(guī)切速的 10 倍左右。為了使刀具每齒進給量基本保持不變，以保證零件的 加工精度、表面質(zhì)量和刀具的耐用度，則進給量也必須相應(yīng)提高 10倍左右，達到 60m/min以上，有的甚至高達 120m/min。因此，高速切削加工通常是釆用高轉(zhuǎn)速、大進給和小切深的切削工藝參數(shù)。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很輕，把切削時產(chǎn)生的熱量很快帶走；若釆用全新耐熱性更好的刀具材料和涂層，釆用干切削工藝也是高速切削加工的理想工藝方案。 用高速加工中心組成高效率的柔性生產(chǎn)線 (FTL或 FML)，具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內(nèi)容等顯著特點。圖 2為上汽集團某發(fā)動機公司利用該生產(chǎn)線加工發(fā)動機 機體、汽缸蓋、濾清器座等工件的實例。 為了盡快適應(yīng)新車型的需要，汽車車身覆蓋件模具和樹脂防沖擋的成形模具等，均必須縮短制作周期和降低生產(chǎn)成本，因此，必須下大力推進模具生產(chǎn)高速化的進程。上汽集團所屬各公司認為：與過去的精加工相比，進一步實現(xiàn)高精度化；同時必須滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此應(yīng)施以適當?shù)氖止ぞ藜庸?，由于切削速度的極大提高，與過去的精加工工序相比，加工周期應(yīng)大幅度縮短。 為了發(fā)揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術(shù)和自動換刀功能的優(yōu)勢，提高加工效率，對復(fù)雜零件的加工應(yīng)盡可 能釆用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實現(xiàn)多道工序的集中加工，淡化傳統(tǒng)的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，充分發(fā)揮設(shè)備和刀具的高速切削功能，是當前提高數(shù)控機床效率、加快產(chǎn)品開發(fā)的有效途徑。為此，對刀具提出了多功能的新要求，要 求一種刀具能完成零件不同工序的加工，減少換刀次數(shù)，節(jié)省換刀時間，以減少刀具的數(shù)量和庫存量，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆－銑螺紋－倒角等刀具。與此同時，在批量生產(chǎn)線上，使用針對工藝需要開發(fā)的專用刀具、復(fù)合刀具或智能刀具，可以提高加工效率 和精度，減少投資。在高速切削條件下，有的專用刀具可將零件的加工時間降至原來的 1/10以下，效果十分顯著。 高速切削具有相當多的好處，例如：有大量材料需要切除的工件，具有超細、薄結(jié)構(gòu)的工件，傳統(tǒng)上需要花相當長的機動工時加工的工件以及設(shè)計變更快速、產(chǎn)品周期短的工件，均能顯示出高速切削所帶來的優(yōu)點。