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当 前机械制造业为实现高生产率和追求利润 ,先进制造技术的应用越来越广泛而深入。超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分 ,也已被积极地推广使用。 2 0世纪 2 0年代德国人Saloman最早提出高速加工 (HighSpeedCutting,简称HSC)的概念 ,并于 1931年申请了专利。 5 0年代末及 6 0年代初 ,美国和日本开始涉足此领域 ,在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展 ,使得刀具切削速度得到很大提高 ,70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在 80年代初期 ,因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。自 80年代中后期以来 ,商品化的超高速切削机床不断出现 ,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。超高速磨削技术在近 2 0年来也得到长足的发展及应用。德国GuehringAutomation公司在 1983年制造出了当时世界第一台最具威力的 6 0kW强力立方氮化硼 (CBN)砂轮磨床 ,vs 达到 140～ 16 0m s。当今 ,超高速加工已经在汽车、航空航天等领域获得应用。1 超高速加工技术的概念、内容及特点超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具 ,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工是实现高效率制造的核心技术 ,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说 ,超高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前 ,一般认为 ,超高速加工各种材料的切削速度范围为 :铝合金已超过 16 0 0m min ,铸铁为 15 0 0m min ,超耐热镍合金达 30 0m min ,钛合金达 15 0～ 10 0 0m min ,纤维增强塑料为 2 0 0 0～ 90 0 0m min。各种切削工艺的切速范围为 :车削 70 0～ 70 0 0m min ,铣削 30 0～6 0 0 0m min ,钻削 2 0 0～ 110 0m min ,磨削 2 5 0m s以上等等。超高速加工技术主要包括以下内容〔4 ,5〕:(1)超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超 高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。(2)超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发 ;主轴系统动态特性及热态性研究 ;柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究 ;主轴系统的润滑与冷却技术研究 ;主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究 ;主轴换刀技术研究。(3)超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制 ;精密交流伺服系统及电机的研究 ;系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究 ;机械传动链静、动刚度研究 ;加减速控制技术研究 ;精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。(4 )超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工 (包括难加工材料 )用刀具磨具材料及制备技术。(5 )高速CNC控制系统 :超高速加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能化特性 ,以保证加工复杂曲面轮廓时 ,具有良好的加工性能。还要具有高速插补及超前处理能力 ,防止刀具轨迹偏移和突发事故。(6 )超高速加工在线检测与控制技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术 ,对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。超高速加工的优点在于 :①提高加工表面精度 ;②工件热变形小 ;③加工能耗低、节省制造资源 ;④缩短生产工艺流程 ,提高生产效率。2 超高速加工技术现状〔3 ,4〕(1)加工设备方面①高速主轴系统 :高性能的电主轴是实现超高速加工的基础 ,要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩。新近开发的加工中心主轴Dn值 (主轴直径与每分钟转速之积 )大都已超过 10 0万。在主轴系统中主要采用重量轻于钢制品的陶瓷球轴承 ,轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速加工领域 ,目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴合并构成的磁气 空气混合主轴。②高速进给机构 :超高速加工要求进给系统能够完成高速进给运动 ,所用的进给驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机 ,其最高加速度在 2G以上 ,最高进给速度可超过 16 0m min。③高速切削刀具 :超高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼 (CBN) ,端面铣削使用CBN刀具时 ,其切削速度可高达 5 0 0 0m min。用金刚石刀具端面铣削铝合金时 ,5 0 0 0m min的切削速度已达到实用化水平。CBN和金刚石刀具只能用于一定的加工领域 ,尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。目前 ,涂层技术是一项既能作到价格低廉、性能优异 ,又可有效降低加工成本的技术。现在超高速加工用的立铣刀 ,大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理。如在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时 ,DLC (DiamondLikeCarbon)涂层刀具就受到人们极大的关注 ,预计其市场前景十分可观。④刀具夹持系统 :刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术 ,目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有 :HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系统。在高速切削的情况下 ,刀具与夹具回转平衡性能的优劣 ,不仅影响到加工精度和刀具寿命 ,而且也会影响到机床的使用寿命。因此 ,在选择工具系统时 ,应尽量选用平衡性能良好的产品。⑤安全保护措施 :进行高速切削时 ,由于刀具高速回转 ,切屑的速度也相当高。在对钢材或铸件进行高速铣削时 ,其切屑带着火花四处飞溅 ,因此 ,必须采取措施 ,使切屑沿着一定的方向排出。目前 ,三菱综合材料公司已开发出一种”Q -ing铣刀” ,可控制排屑方向 ,大大提高了高速铣削加工的安全性。3 超高速加工今后的发展动向(1)难加工材料的超高速加工难加工材料的使用越来越广泛 ,由于材料的切削加工性能极低 ,导热性差 ,刀具磨损快 ,为此只能采用很低的切削速度。通过深入研究这类材料的切削特性 ,提高刀具稳定性 ,研制新型刀具材料及制作工艺 ,开发出相应的刀具系统 ,将使切削速度范围有较大的提高。(2 )刀具夹紧机构设计对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具来说 ,刀具夹紧机构的安全可靠性是至关重要的。在高速端面铣削加工时 ,由于离心力作用 ,可转位刀片有可能被甩出 ,因此 ,应采取相应措施加以预防。最近 ,工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧装置 ,刀片甩出问题有望得到妥善解决。(3)相关工艺设计主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设 备的加工能力 ,必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。由于各类产品从开发到生产的各个环节都将实现高效率化 ,因此 ,应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。(4 )节省能源 ,实现绿色加工当前 ,许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的 2 0 %～ 30 %;而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容。采用干式切削方式 ,会从根本上改善切削的环境状态 ,节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。因此 ,希望开发出更加节省能源的机床 ,开发出更加实用的干式切削加工技术。(5 )高精度定位系统采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时 ,机床的运动性能将直接影响到其加工精度。因此 ,要求机床在大进给速度条件下 ,应具有高精度定位功能和高精度插补功能。
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