超高速切削的技術(shù)體系、技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

趙 鵬 ，趙 旭

1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410012

2.燕山大學(xué)，湖南 長沙 410012

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展技術(shù)不斷發(fā)展，車床加工的工藝也逐漸向精細(xì)化、自動化發(fā)展。在這種環(huán)境下，機(jī)床材料與結(jié)構(gòu)、機(jī)床設(shè)計(jì)、快速給進(jìn)系統(tǒng)、自動化制造技術(shù)、高性能刀架系統(tǒng)、高速軸承系統(tǒng)、高性能切削技術(shù)、高性能刀具等多方面的軟硬件技術(shù)充分發(fā)展，以此為基礎(chǔ)綜合發(fā)展而出現(xiàn)了較為復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)工程的高速切削技術(shù)。

1 超高速切削技術(shù)的優(yōu)越性

在現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步中，高速與超高速切削刀具與機(jī)床設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，使得朝高速切削工藝逐漸走向成熟。超高速切削工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，切削速度范圍不斷擴(kuò)展，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用過程中，鋁合金的超高速切削速度已經(jīng)能夠達(dá)到每分鐘1500m～5500m，鑄鐵的超高速切削速度為每分鐘750m～4500m，普通剛的切削速度為每分鐘600m～800m，給進(jìn)速度達(dá)到每分鐘20m～40m。隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展，超高速切削的技術(shù)還在不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室中鋁合金的切削速度已經(jīng)超過了每分鐘6000m，給進(jìn)加速度已經(jīng)能夠達(dá)到3倍重力加速度。超高速切削的具體特點(diǎn)與優(yōu)勢包括以下幾點(diǎn)。

1.1 可提高生產(chǎn)效率

在機(jī)床加工的切削過程中，生產(chǎn)效率的提高是核心。而生產(chǎn)效率的主要影響因素包括加工系統(tǒng)的自動化程度、機(jī)床機(jī)械的動作時間與輔助加工時間。根據(jù)文獻(xiàn)資料，機(jī)床主軸給進(jìn)與轉(zhuǎn)動的速度大幅度提高，使得加工時間減少一半，從而簡化了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少了1/4的零件數(shù)量，簡化了維護(hù)的過程。

1.2 可獲得較高的加工精度

現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，減少了1/3以上的切削力，使得工件的加工精度增加。由于減少了變形程度，降低了切削熱量向工件的傳導(dǎo)，能夠使工件的溫度加熱程度減少，減少了熱變形程度，從而提高了加工精度。在大型薄板件、框架見、薄壁槽型件的加工過程中，要實(shí)現(xiàn)加工過程的高效率與高精度，主要的有效加工方式即為超高速切削。

1.3 能獲得較好的表面完整性

生產(chǎn)效率不斷提高的工藝改進(jìn)中，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給量的減少，以較小的進(jìn)給量增加加工表面的光滑程度，同時切削力改變幅度降低且減少切削力的作用，工藝系統(tǒng)的固有頻率相比機(jī)床激振頻率小很多，所有振動對加工工件表面質(zhì)量的影響較小，切削熱傳人工件的比率大幅度減少，加上表面的受熱時間短，切削溫度低，加工表面可保持良好的物理力學(xué)性能。

2 超高速磨削技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

20世紀(jì)60年代初，高速磨削的砂輪速度曾一度達(dá)到90m/s，但更多的還是在45m/s～60m/s之間使用。20世紀(jì)70年代初，高速磨削在各工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到較快的發(fā)展，砂輪圓周速度基本達(dá)到80m/s～90m/s，少數(shù)磨床砂輪線速度達(dá)到120m/s。高速磨削作為最早開發(fā)應(yīng)用的一種高效磨削技術(shù)曾風(fēng)靡一時，但是，高速磨削并未按原先預(yù)料的方向發(fā)展。通過研究，高速磨削時，一方面由于磨屑厚度變小，磨削能會增加，磨削熱增加；另一方面磨削液難以進(jìn)入磨削區(qū)，使傳入工件的熱流比例增大。這就使工件受熱變形和表面燒傷等成為限制砂輪速度進(jìn)一步提高的主要因素。此外，早期的高速磨削技術(shù)在當(dāng)時技術(shù)水平下還受到了普通砂輪的強(qiáng)度、普通磨料的耐磨性、機(jī)床結(jié)構(gòu)和成形砂輪修整等多方面因素的制約。高速磨削技術(shù)在一段時間內(nèi)發(fā)展緩慢，只是在對磨削溫度沒有限制的高效磨中，砂輪速度發(fā)展到120m/s。在20世紀(jì)50年代末，德國的ELB磨床公司首創(chuàng)了另一種高效磨削加工方法——緩進(jìn)給磨削，即砂輪的線速度保持普通磨削時的水平，而加大切削深度，降低工件進(jìn)給速度，使砂輪像銑削那樣工作，從而提高材料去除率，獲得磨削的精度和表面粗糙度。緩進(jìn)給磨削幾乎是同高速磨削同時發(fā)展起來的一種高效磨削技術(shù)。自1963年緩進(jìn)給磨削機(jī)床正式投入工業(yè)應(yīng)用以來，一直受傳統(tǒng)砂輪速度(u。＜35m/s)的限制。人們普遍認(rèn)為高砂輪速度不適合于深磨場合，因?yàn)樯拜喫俣鹊奶岣邥鹉ハ鳒囟壬仙瑢?dǎo)致磨削燒傷的危險性增加。

1979年，德國的P.G.Wemer博士預(yù)言了高效深磨區(qū)存在的合理性，Wemer在試驗(yàn)基礎(chǔ)上將緩進(jìn)給磨削的深磨機(jī)制推廣到高速磨削領(lǐng)域，提出了高效深磨的新概念。該磨床成功應(yīng)用于螺桿齒輪、絲杠、工具溝槽、轉(zhuǎn)子槽、齒槽等零件的機(jī)械加工中，用磨削加工代銑加工。在這種情況下，外界才真正開始意識到HEDG技術(shù)的巨大能量，并受到全世界的極大關(guān)注。HEDG技術(shù)將傳統(tǒng)的磨削加工工藝提高到了難以想象的程度，材料去除率Q+達(dá)到50-1000m3/(mm·s)，磨削比一般在20000以上。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)零件毛坯到成品的直接加工，同時結(jié)合粗加工與精加工，與傳統(tǒng)銑削、車削加工工藝相比較，極大程度提高了加工效率、縮短了加工時間。HEDG真正使磨削實(shí)現(xiàn)了高效優(yōu)質(zhì)的結(jié)合，因而被譽(yù)為磨削技術(shù)發(fā)展的高峰。近年來，隨著人造金剛石和立方氮化硼超硬磨料砂輪的推廣應(yīng)用和高速磨削機(jī)制研究的進(jìn)一步深入，高速磨削得以再度興起，并實(shí)現(xiàn)了砂輪線速度高于普通磨削5倍～6倍的超高速磨削。20世紀(jì)80年代末期，市場上已出現(xiàn)了80m/s～120m/s的磨床，實(shí)驗(yàn)室的磨削速度已達(dá)230m/s。德國居林公司已制造出砂輪線速度為14m/s～160m/s的CBN磨床，現(xiàn)在工業(yè)上實(shí)用磨削速度已達(dá)到了150m/s～250m/s，實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到400m/s，并表現(xiàn)出非常優(yōu)異的磨削效果。

3 結(jié)論

超高速切削對機(jī)床結(jié)構(gòu)的要求是最基本的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)包括直線驅(qū)動告訴進(jìn)給系統(tǒng)、主軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)單元、數(shù)字控制與伺服驅(qū)動的高性能系統(tǒng)、超高速切削刀具技術(shù)工藝與配套系統(tǒng)、實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)、穩(wěn)定的安全裝置、高效的冷卻系統(tǒng)、高阻尼和高剛度的機(jī)床床體結(jié)構(gòu)、方便可靠的換刀裝置、良好的動態(tài)特性和熱特性。

此外，超高速切削工藝也非常重要，忽視這點(diǎn)也很難實(shí)現(xiàn)高速與超高速切削。

[1]宋昌才.高速機(jī)床與高速切削在現(xiàn)代機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2002(9):2-5.

[2]陳煒.現(xiàn)代機(jī)械加工中高速切削的應(yīng)用[J].太原科技，2003(4):80-81，83.