高速切削及其关键技术
高速切削及其关键技术综述
摘要
高速切削已成为先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削的应用将提高加工精度和生产率。本文介绍了高速切削的概念及特点，分析了高速切削的关键技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，说明了高速切削在航空、汽车工业与模具制造等领域的应用，并展望高速切削加工技术未来的发展方向。
关键词：高速切削，关键技术，应用领域，未来展望
Abstract: High-speed cutting technology has become an important development direction of advanced manufacturing technology. The application of high-speed cutting technology will improve the machining accuracy and productivity. 十大婚纱This paper introduces the concept and characteristics of high speed cutting, and analyzes the key technologies of high-speed cutting, including machine tool technology, cutting tool technology and process technology. It also illustrates the applications of the high speed cutting in the field of aviation, automobil
e industry and dies manufacturing, and prospects the future development direction of the high-speed cutting technology.
Key words: high-speed cutting, key technologies, application fields, future prospect
0. 引言
自20世纪30年代，高速切削概念首次提出以来，高速切削加工技术经历了多年理论与实践的研究和探索。近20年来，随着材料、信息、微电子、计算机等技术的迅速发展，大功率高速主轴单元、高性能伺服控制系统和超硬耐磨耐热刀具材料等关键技术的解决和进步，使其在德国、美国、日本等工业发达国家得到迅速发展，已经成为先进制造技术的一个的重要发展方向，并广泛应用于装备制造工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门[1]。
高速切削最终要达到的主要目标之一是要通过高速切削来提高生产率、降低生产成本并以此提高整体竞争实力[2]。
1. 高速切削的概念及特点
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1.1 高速切削的概念
高速切削概念的提出源于德国切削物理学家萨洛蒙（Carl J. Salomon）的著名切削实验及其物理引伸。他提出：被加工工件材料都有一个临界切削速度，其切削温度最高。在常规切削范围内（见图1A区），切削温度和刀具磨损随着切削速度的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削温度开始随切削速度增大而降低（见图1C区），刀具磨损随切削速度增大而减小。由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限。但是，他的思想给人们一个非常重要的启示：如果能越过图1中的B区，而在高速区（图1中的C区）进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大幅度地减少切削工时，大幅度地提高机床的生产率。经过后来研究者的不断努力，使这一想法得以实现。
1.2 高速切削的特点
高速切削在提高加工质量和加工效率2个方面实现了统一。以刀具线速度或机床主轴转速来描述高速切削。按照目前的生产和技术水平，国外学者提出：机床主轴转速为8000~12000r/min称为准高速切削，15000~50000r/min称为高速切削，大50000r/min称为超高速切削。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min 以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工工艺划分，高速切削速度范围为：车削700~ 7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削5000~10000m/min。
高速切削具有以下特点:
(1) 加工效率高
高速切削加工允许使用较大的进给率，进给速度范围达到2~25m/min[3]，比常规切削加工提高5~10倍，单位时间材料切除率可提高3~6倍，因而零件加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。
(2) 文明单位创建规划切削力小
同常规切削加工相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，极限剪切应力提高了7 ~ 9倍，减少了刀具与工件表面的接触时间[4]。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，提高零件的加工精度，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。
(3) 切削热对被加工工件的影响减少
高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削温度被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削加工具有重要意义。
(4) 加工精度高
高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得刀具与工件间的摩擦减少，从而切削破坏层变薄，残 余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
(5) 简化了加工工艺流程
常规铣加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决．高速铣可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除人工光整加工．
(6) 减少能耗，节约能源
高速加工以其单位时间内较高的材料去除率，大大缩短了零件的加工时间，从而直接减少能源消耗。有些高速加工免除了冷却液的使用，采用风冷及油雾冷却方式，降低了加工成本，如省去了润滑及冷却液的购置及回收处理费用，节省了工人清洗零件及处理废弃油屑的时间，同时减少了废弃物对环境产生的负面影响，真正响应了高效、低耗、环保的可持续发展战略要求[5]小学教师论文。
2. 高速切削机床技术
性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提和关键，高精度的高速主轴、高速进给系统、高速控制系统是高速切削机床的关键技术，是实现高速切削加工的基础。
2.1 高速主轴单元
高速主轴是高速切削机床的核心部件。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制[6]。因此，对高速主轴单元的要求是动平衡性高刚性好、回转精度高、良好的热稳定性、能传递足够的转矩和功率、能承受高的离心力、带有准确的测温装置和高效的冷却装置等。
高速主轴的类型主要有电主轴和气动主轴。气动主轴目前主要应用于精密加工，功率较小，其最高转速150000r/min，输出功率仅30kW，应用范围较小。高速电主轴在结构上全部采用内装交流伺服电机直接驱动的集成化结构，取消了齿轮传动和带传动，并配备有强力的冷却和润滑设计[7]。
由于集成化主轴组件结构的传动部件减少，轴承成为决定主轴寿命和负载能力的关键部件。为适应高速切削加工，高速主轴越来越多地采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承及液体动静压轴承[8]杜鹃花的养殖方法。
在高速主轴单元中，机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度要求。高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
2.2 高速进给系统
高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率，也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高，进给速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变；另一方面，由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长，一般只有几十毫米到几百毫米，进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给，除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副，最近几年又出现了采用直线电机驱动和基于并联机构的新型高速进给方式，从结构、性能到总体布局来看，3种方式都有很大的差别，形成了3种截然不同的高速进给系统[9]。
(1) 滚珠丝杠副传动系统
滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，进给加速度可以达到1g，进给速度可以达到40~60 m/min，定位精度可以达到20~25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统，采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制，能够实现的进给速度和加速度比较小。对于采用滚珠丝杠副的传动系统，为了提高进给加速度，可以采取以下措施。
a.加大滚珠丝杠直径以提高其刚度，且丝杠内部做成空心结构，这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。高速滚珠丝杠在运转时，由于摩擦产生温升，造成丝杠的热变形，将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术，对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用。
b.选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机，采用多头大导程滚珠丝杠。
c.对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。另外，为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度，可以采用小直径的氮化硅陶瓷球，并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来，减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压，减少丝杠的发热和引起的噪声。也
可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式，避免高速运转受临界转速的限制。改进后的滚珠丝杠其进给速度一般不超过60~80 m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。
采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比，可以大幅度降低成本。日本精工已经研制出进给速度高达100 m/min的滚珠丝杠。采取的改进措施主要有，采用16~32mm大导程，提高滚珠循环部分零件质量；采用多头螺纹以增加有效圈数，改进滚道形状等。从而，实现了进给系统的高速、高刚度以及高承载能力。
(2) 直线电机进给驱动系统
直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动，并具有极好的稳定性。直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开，然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床进给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的先进制造技术的特点“零传动”。

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