【正文】 highspeed cutting concept schematic高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[5]：1）切削力小，切削溫度低；2）工件熱變形減少；3）加工效率高；4）加工精度高、加工質(zhì)量好；5）加工過程穩(wěn)定；6）加工成本降低；7）可實(shí)現(xiàn)綠色制造。高速切削不只是切削速度的提高，它的發(fā)展涉及到機(jī)床、刀具、工藝和材料等諸多領(lǐng)域的技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新。超高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，超高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會(huì)引起熱變形和高溫，所以必須嚴(yán)格控制，為此對(duì)超高速主軸提出以下性能要求：(1)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、可避免振動(dòng)和噪聲，具有良好的起、停性能；(2)足夠的剛性和高的回轉(zhuǎn)精度；(3)良好的熱穩(wěn)定性；(4)大功率；(5)先進(jìn)的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)；(6)可靠的主軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了適應(yīng)進(jìn)給高速化的要求，在超高速加工機(jī)床上主要采取了以下措施；(1)采用新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌；(2)采用更先進(jìn)、更高速的直線電機(jī)；(3)高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠，或粗螺距多頭滾珠絲杠；（4）高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)；（5）高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，使工作臺(tái)重量減輕但不降低其剛度。為了確保超高速下的插補(bǔ)精度，要有前饋和大數(shù)目超前程序段預(yù)處理功能，此外還可以采用NURBS插補(bǔ)、回沖加速、平滑插補(bǔ)、鐘形加減速等輪廓控制技術(shù)。高速回轉(zhuǎn)刀具由于高速引起離心力作用，會(huì)造成刀體和刀片夾緊結(jié)構(gòu)破壞以及刀片破裂或甩掉，所以刀體和夾緊結(jié)構(gòu)必須有高的強(qiáng)度與斷裂韌性和剛性，保證安全可靠。在高速切削的情況下，刀具與夾具平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響到加工精度和刀具壽命，而且也會(huì)影響到機(jī)床的使用壽命，因此高速回轉(zhuǎn)刀具必須進(jìn)行運(yùn)動(dòng)平衡試驗(yàn)，以滿足平衡品質(zhì)的要求。超高速切削加工時(shí)，采用常用的7：24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng)出現(xiàn)了許多問題，主要表現(xiàn)為：剛性不足：ATC(自動(dòng)換刀)的重復(fù)精度不穩(wěn)定：受離心力作用的影響較大；刀柄錐度大，不利于快速換刀及機(jī)床的小型化。兩面定位刀柄主要有兩類：一類是對(duì)現(xiàn)有的7：24錐度刀柄進(jìn)行的改進(jìn)性設(shè)計(jì)，如BIG—PLUS、WCU、ABSC等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設(shè)計(jì)的l：10中空短錐刀柄系統(tǒng)，有德國(guó)開發(fā)的HSK、美國(guó)開發(fā)的KM及日本開發(fā)的NC5等幾種形式。從總體上講，超高速切削加工的安全保障包括以下幾方面：（1)機(jī)床操作者及機(jī)床周圍現(xiàn)場(chǎng)人員的安全保障：（2）避免機(jī)床、刀具、工件有關(guān)設(shè)施的損傷；（3)識(shí)別和避免可能引起重大事故的工況。刀片，特別是由抗彎強(qiáng)度低的材料制成的機(jī)夾刀片，除結(jié)構(gòu)上防止由離心力作用下產(chǎn)生飛離傾向的保證外，還要做極限轉(zhuǎn)速的測(cè)定。機(jī)床及切削過程的監(jiān)測(cè)包括：切削力監(jiān)測(cè)以控制刀具磨損，機(jī)床功率監(jiān)測(cè)可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)以判別切削參數(shù)與進(jìn)給系統(tǒng)間關(guān)系：刀具破損監(jiān)測(cè)；主軸軸承狀況監(jiān)測(cè)；電器控制系統(tǒng)過程穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等。薩洛蒙認(rèn)為，與普通切削速度范圍內(nèi)切削溫度隨切削速度的增大而升高不同，當(dāng)切削速度增大至與工件材料的種類有關(guān)的某一速度Vε后隨著切削速度的增大切削溫度反而降低。在高磨除率條件下，隨著Vs 增大，磨削力在Vs=100m/s 前后的某個(gè)區(qū)間出現(xiàn)陡降約降低(約降低50%) ，這種趨勢(shì)隨著磨除率的提高而愈加明顯，且當(dāng)砂輪達(dá)到超高速磨削狀態(tài)后，工件表面溫度出現(xiàn)回落。在極短的時(shí)間內(nèi)完成的磨屑的高應(yīng)變率（可近似認(rèn)為等于磨削速度）形成過程與普通磨削有很大的差別，表現(xiàn)為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側(cè)因塑性流動(dòng)而形成的隆起高度變小，磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表面層硬化及殘余應(yīng)力傾向減小。圖6 磨削速度與磨削溫度的關(guān)系[8] Grinding speed and grinding temperature relations超高速磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)[9]：圖7列出了超高速磨削技術(shù)所需的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，其中高速軸承和高速砂輪的設(shè)計(jì)與制造是影響超高速磨削技術(shù)應(yīng)用的最重要因素。須配有連續(xù)自動(dòng)動(dòng)平衡裝置。具有高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性。3）高速磨削砂輪。圖10 高速砂輪典型結(jié)構(gòu) Highspeed grinding wheel typical structure4）冷卻潤(rùn)滑液。圖11 冷卻潤(rùn)滑液出口流速的影響 Effects of coolant exit flow velocitya) V液大于V砂 b) V液略大于V砂 c) V液 =V砂其加工特點(diǎn)：1）生產(chǎn)效率高；2）砂輪使用壽命長(zhǎng)；3）磨削表面粗糙度值低；4）磨削力和工件受力變形小，工件加工精度高；5）磨削溫度低；6）充分利用和發(fā)揮了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的優(yōu)異性能；7）具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并具有廣闊的綠色特性[10]。超精密切削是特指采用金剛石等超硬材料作為刀具的切削加工技術(shù)，其加工表面粗糙度 Ra可達(dá)到幾十納米，包括超精密車削、鏜削、銑削及復(fù)合切削(超聲波振動(dòng)車削加工技術(shù)等)。切削速度很高，但切深很小。因此，具有納米級(jí)刃口鋒利度的超精密切削刀具的設(shè)計(jì)與制造是實(shí)現(xiàn)超精密切削的關(guān)鍵技術(shù)之一。超精密車削加工的應(yīng)用范圍：1）用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用， 產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量）； 2）加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等；3）加工有機(jī)玻璃和各種塑料。超精密磨削采用較小修整導(dǎo)程和吃刀量修整砂輪，靠超微細(xì)磨粒等高微刃磨削作用進(jìn)行磨削?？杉庸じ鞣N高硬度、高脆性金屬及非金屬材料（鐵金屬用CBN）；耐磨性好，耐用度高，磨削能力強(qiáng)，磨削效率高；磨削力小，磨削溫度低，加工表面好。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削或拋光。有開式（圖12）和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等[13]。超精密砂帶磨削發(fā)展非?？欤巡幌抻趻伖舛l(fā)展為一種高效加工方法。砂帶磨削的加工效率比普通磨削高5~10 倍。采用的砂帶寬度可達(dá)5m ，切深可達(dá)5mm。電泳磨削的加工機(jī)理：利用超細(xì)磨粒的上述電泳特性，在加工過程中使磨粒在電場(chǎng)力作用下向磨具表面運(yùn)動(dòng)，并在磨具表面沉積形成一超細(xì)磨粒吸附層，利用磨粒吸附層對(duì)工件進(jìn)行磨削加工。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性。通過對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、液體及磨粒特性等影響因素加以控制，就可使磨粒層在加工過程中呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)：一種是在加工過程中使磨粒的脫落量與吸附量保持動(dòng)態(tài)平衡，這樣就可以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到一個(gè)表面不斷自我修整而尺寸不變的超細(xì)砂輪；另一種狀態(tài)是在加工過程中，使磨粒的吸附量超過脫落量，那么磨粒層厚度就會(huì)不斷增加，這樣就可以在機(jī)床無(wú)切深進(jìn)給的條件下實(shí)現(xiàn)磨削深度的不斷增加。圖14　電泳磨削原理 Electrophoresis grinding principle電泳磨削加工特點(diǎn)：磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性；同時(shí)，磨具每旋轉(zhuǎn)一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補(bǔ)充，使微刃始終保持鋒利尖銳。4 特種加工技術(shù)工作原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，工件材料被熔化和氣化。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去[16]（圖15）。圖16 電火花加工機(jī)床原理圖 Spark processing machine schematic電火花成形加工機(jī)理：電火花成形加工是通過工具電極的形狀和尺寸相對(duì)于工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，將工具電極的形狀和尺寸復(fù)制在工件上，從而加工出所需的零件，它包括：1）電火花型腔加工。電火花穿孔加工主要用于型孔(圓孔、方孔、多邊形孔、異型孔)、曲線孔、(彎孔、螺旋孔)、小孔和微孔的加工[17]。即瞬間放出的高溫迫使工件和工具表面在一定程度上被蝕除掉一小部分金屬，最后形成凹坑；脈沖電源7放電結(jié)束后，經(jīng)過脈沖間隔的休整期，工作液又恢復(fù)絕緣；隨著自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置4的進(jìn)給，脈沖電源7又開始第二次在工件和工具之間放電，當(dāng)滿足某一處間隙最小或絕緣強(qiáng)度最低的條件時(shí)，又開始重復(fù)前面的電腐蝕現(xiàn)象，形成又一個(gè)新的凹坑。即，工件的成形是由于電腐蝕現(xiàn)象一點(diǎn)點(diǎn)蝕除而成的，其表面都是由小凹坑組成。加工時(shí)候，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間基本沒有宏觀機(jī)械作用力參與，因此能用“軟”的工具電極加工“硬”的工件；2）“精密細(xì)微。 直接利用電能加工，便于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化、智能化，以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使工件的仿形加工更加逼真，直接減少了機(jī)械加工工序。電火花線切割加工原理：利用不斷移動(dòng)的線狀電極(鉬絲、鎢絲、銅絲等)，與工件之間形成脈沖性放電現(xiàn)象來(lái)去除金屬多余材料，滿足加工要求。圖18為高速走絲電火花線切割原理示意圖。這個(gè)反復(fù)的過程便合成各種曲線軌跡，把工件按加工要求切割成形[18]。應(yīng)用范圍：廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復(fù)雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。工件是通過浸泡在介質(zhì)液內(nèi)的負(fù)極磨輪與正極工件之間的火花放電作用來(lái)進(jìn)行磨削的。同時(shí),對(duì)于普通砂輪磨削容易產(chǎn)生熱變形的細(xì)而長(zhǎng)、薄而脆的精密金屬成形零件,采用電火花磨削更具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的基本原理：儲(chǔ)能電源通過電極以10～2000Ｈｚ的頻率在電極與工件之間產(chǎn)生火花放電,在105～106ｓ內(nèi)電極與工件接觸的部位即達(dá)到8000～25000℃的高溫,使該區(qū)域的局部材料熔化、氣化或等離子體化,將電極材料高速過度并擴(kuò)散到工作表面,形成冶金結(jié)合型牢固強(qiáng)化層。振動(dòng)器電源包括振動(dòng)電源和脈沖電源。原理示意圖如圖20所示:圖20　電火花表面強(qiáng)化工作原理圖 Spark surface hardening operation電火花表面強(qiáng)化具有如下特點(diǎn)：1）電火花強(qiáng)化是在空氣中進(jìn)行，不需要特殊、復(fù)雜的處理裝置和設(shè)備,如真空系統(tǒng)或特制的容器等，因此加工設(shè)備簡(jiǎn)單；2）熱輸入量小，被強(qiáng)化工件基體不產(chǎn)生退火或熱變形，減少了原有工件尺寸和物性改變而造成的諸多后果，更好地適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)零件拆裝配套的要求；3）既可以對(duì)零件表面進(jìn)行局部強(qiáng)化，也可以對(duì)一般幾何形狀的平面或曲面進(jìn)行強(qiáng)化,比如模具、刀具和機(jī)械零件、對(duì)刃口和易磨損部位進(jìn)行強(qiáng)化處理，就能達(dá)到提高硬度和耐磨性的目的；4）強(qiáng)化層與基體的冶金結(jié)合非常牢固，不會(huì)發(fā)生剝落；5）強(qiáng)化層厚度、表面粗糙度與脈沖電源的電氣參數(shù)以及強(qiáng)化時(shí)間等有關(guān)，控制簡(jiǎn)單；6）電極材料選擇范圍廣，容易實(shí)現(xiàn)異種材料強(qiáng)化層；7）不會(huì)使工件退火或熱變形；8）不需要復(fù)雜特殊的配套裝置，操作簡(jiǎn)單、靈活,設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用低等；9)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、操作人員技術(shù)要求低等優(yōu)勢(shì)。激光加工機(jī)理：激光是一種受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，當(dāng)激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用達(dá)到加工的目的。這些均是激光加工優(yōu)點(diǎn)。激光加工工藝及應(yīng)用1）激光打孔 可在任何材料上打微型小孔，如噴嘴、噴絲板、寶石軸承等，深徑比50:1；2）激光切割 可切割金屬、非金屬，更適宜于對(duì)細(xì)小部件作各種精密切割；3）激光焊接 以高功率聚焦激光束為熱源，無(wú)需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域‘熱熔’在一起就可以；4）激光表面處理 有相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等表面處理