1、高速切削(HSC)技術、裝備及應用初探【摘要】高速切削技術是當前各高校研究的重要課題之一，文章從高速切削的提出、所用裝備和應用等方面較詳細的介紹了高速切削的一些根本知識。【關鍵詞】高速切削；技術裝備當前以高速切削為代表的干切削、硬切削等新的切削工藝已經顯示出很多的優點，成為制造技術進步加工效率和質量、降低本錢的主要途徑。一、高速切削技術一高速切削的提出1931年，德國切削物理學家薩洛蒙(arl.J.Saln)博士提出一個假設，即同年申請德國專利(ahineithhighut?鄄tingspeeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個臨界切削速度，在切削速度到達臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著

2、切削速度增大而增大，當切削速度到達普通切削速度的56倍時，切削刃口的溫度開場隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減校切削塑性材料時，傳統的加工方式為“重切削，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但進給速度低，切削力大。理論證明隨著切削速度的進步，切屑形態從帶狀、片狀到碎屑狀開展，所需單位切削力在初期呈上升趨勢，而后急劇下降，這說明高速切削比常規切削輕快，兩者的機理也不同。二現代高速切削技術的概念所羅門原理出發點是用傳統刀具進展高速度切削，從而進步消費率。到目前為止，其原理仍未被現代科學研究所證實。但這一原理的成功應該不只局限于此。高速切削技術是切削技術的重要開展方向之一，從現代科學技

3、術的角度去確切定義高速切削，目前還沒有獲得一致，因為它是一個相對概念，不同的加工方式，不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數。這里包含了高速軟切削、高速硬切削、高速濕切削和高速干切削等。事實上，高速切削技術是一個非常龐大而復雜的系統工程，它涵蓋了機床材料的研究及選用技術，機床構造設計和制造技術，高性能N控制系統、通訊系統，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統，高精度快速進給系統，高性能刀具夾持系統，高性能刀具材料、刀具構造設計和制造技術，高效高精度測試測量技術，高速切削機理，高速切削工藝，合適高速加工的編程軟件與編程策略等諸多相關的硬件和軟件技術。只有在這些技術充分開展的根底上，建立

4、起來的高速切削技術才具有真正的意義。所以要發揮出高速切削的優越性能，必須是AD/A系統、N控制系統、數據通訊、機床、刀具和工藝等技術的完美組合。三高速切削技術的開展現狀與優點該項新技術始于20世紀80年代初期，美、德、法等國處于領先地位，英、日、瑞士等國亦追蹤而上，至上世紀80年代后期，在上述國家里已形成了新興的產業，年產值已達數十億美元，并正在逐年上升。近期我國臺灣省亦已起步，但大陸尚屬空白。同濟大學現代制造技術研究所已跟德國Darstadt大學建立了工程合作關系，并獲得初步成果。按目前看，工業興旺國家的航空、汽車、動力機械、模具、軸承、機床等行業首先受惠于該項新技術，使上述行業的產品質量明

5、顯進步，本錢大幅度降低，獲得了市場競爭優勢。超高速切削技術是將來切削加工的方向，也是時代開展的產物。二、高速切削的技術裝備一高速切削機床高速機床是實現高速加工的前提和根本條件。在現代機床制造中，機床的高速化是一個必然的開展趨勢。在要求機床高速的同時，還要求機床具有高精度和高的靜、動剛度。為了適應粗精加工，輕重切削和快速挪動，同時保證高精度定位精度0.005，性能良好的機床是實現高速切削的關鍵因素。其關鍵技術有以下幾項：1高速主軸。高速主軸是高速切削機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能到達的切削速度、加工精度和應用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設計方法、材料、構造、軸承、光滑冷卻、動

6、平衡、噪聲等多項相關技術，隨著對主軸轉速要求的不斷進步，傳統的齒輪皮帶變速傳動系統由于本身的振動、噪音等原因已不能適應要求，取而代之的是一種新穎的功能部件電主軸，它將主軸電機與機床主軸合二為一，實現了主軸電機與機床主軸的一體化。電主軸采用了電子傳感器來控制溫度，自帶水冷或油冷循環系統，使主軸在高速旋轉時保持恒溫，一般可控制在2025范圍內某一設定溫度，精度為0.7，同時使用油霧光滑、混合陶瓷軸承等新技術，使主軸免維護、長壽命、高精度。2高速精細軸承。高速軸承是高速切削機床的核心，是決定高速主軸壽命和負載容量的最關鍵部件。1磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是用電磁力將主軸無機械接觸地懸浮起來，其轉速可達4

7、5000r/in，功率為20k，精度高，易實現實時診斷和在線監控，是理想的支承元件，但其價格較高。2液體動靜壓軸承。采用流體動、靜力相結合的方法，使主軸在油膜支撐中旋轉，具有徑、軸向跳動孝剛性好、阻尼特性好，適于粗、精加工，壽命長的優點。但其無通用性，維護保養較困難。3混合陶瓷軸承。用氮化硅制的滾珠與鋼制軌道相組合，是目前在高速切削機床主軸上使用最多的支承元件，在高速轉動時離心力小，剛性好，溫度低，壽命長，功率可達80k，轉速高達150000r/in，它的標準化程度高，便于維護，價格低。3高速伺服系統為了實現高速切削加工，機床不但要有高速主軸，還要有高速的伺服系統，這不僅是為了進步消費效率，也

8、是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件。1直線電機伺服系統。直線電機是使電能直接轉變成直線機械運動的一種推力裝置，將機床進給傳動鏈的長度縮短為零，它的動態響應性能敏捷、傳動剛度高、精度高、加減速度大，行程不受限制、噪音低、本錢較高，在加速度大于1g的情況下，是伺服系統的唯一選擇。2滾珠絲杠驅動裝置。滾珠絲杠仍是高速伺服系統的主要驅動裝置，用A伺服電機直接驅動，并采用液壓軸承，進給速度可達4060/in，其加速度可超過0.6g，本錢較低，僅為直線電機的1/2.5。轉貼于論文聯盟.ll.4高性能的N控制系統。二高速切削刀具刀具是機械加工重要的技術裝備之一。由于離心慣性力隨著轉速升高而迅速增大，高速

9、主軸端部同刀柄頭部的給合在構造和尺寸方面有許多特別之處。目前根本采用HSK形式和系列，需要根據機床主軸參數來確定刀柄參數，使它們相符吻合。由于切削和進給速度高，HS加工中刀具的壽命一般會降紙，需要從刀具材料、幾何參數、懸伸長度以及切削參數、切削幾何關系、走刀道路、光滑冷卻等各方面采取措施，盡可能減少壽命的降低。HS刀具與普通刀具前后角相比，一般HS比普通切削的前角約小10，后角約大58。同時HS刀具的切削部位應盡量短，以進步刀具的剛性和減小刀刃的破損率。HS刀具需選用能適應高速切削的材料。為了獲得較高的工件加工質量及最正確壽命時間，除硬質合金、金屬陶瓷、涂層切削材料和切削陶瓷外，還采用了單晶體

10、和多晶體的切削材料。這些切削材料除技術要求外，還應滿足占有重要位置的經濟和環保性能的要求。在HS加工中，選用PKD多晶體金剛石和BN立方氮化硼可顯著進步加工效率。除選擇適宜的刀具材料外，在刀具設計過程中，首先應考慮在離心力作用下刀具構件固定的可靠性，并注意符合“平衡的構造。需要對刀具進展最高轉速的試驗。此外，在制造刀具時，其良好的工藝性也是很重要的。有價值的和可靠的制造方法，對從刀具的預處理直至刀刃的制作都具有決定性的意義，特別是對帶有PKD或BN刀片的刀具更是如此。為了使在應用HS刀具時到達最高加工質量和最正確經濟性能，不僅應考慮刀具本身，同時也應考慮刀具和夾緊系統的接口局部，即主軸和刀具連

11、接面及工件安裝的穩定性。對接口局部和接長桿而言，特別重要的是徑向擺動精度、懸臂長度、振動性能和可換性。為了到達圓柱刀柄在精加工時對徑向擺動精度的要求，首先選用液壓夾頭、收縮夾頭和力壓縮夾頭的連接方式，這些夾頭和HS接口相配時，其徑向擺動精度可以到達0.003。三HS機床的配套裝備1為了縮短輔助工時，絕大多數HS機床都配有1530刀位以上的刀具庫和自動換刀裝置，成為HS加工中心；2冷卻光滑系統是不可少的配套裝備，其中包含自動對機床各部進展冷卻光滑的功能和排屑功能；3電子手輪和AD/A系統與高速N系統的接口，是影響到機床操作控制性能的必要配套裝置；4可以自動測量刀具的直徑、長度和進展破損檢測的激光

12、或紅外線系統；5測頭可以安裝到主軸上用以探測工件輪廓型面的紅外線測量裝置；6為了減少發生故障后，停機等待修復的時間，在機床臺數多、利用率高的情況下，備用一根高速主軸。HS機床的平安防護裝置，包括硬件和軟件，要保證即使在發生刀具破裂而高速彈飛出來的極端情況下，仍然可以可靠地保護操作使用者的人身平安，并且可以預防機床部件、刀具、工件之間產生意外的干預碰撞。三、高速切削目前主要應用領域一大批消費領域如汽車工業，如美國福特汽車公司與Ingersll公司合作研制的HV800臥式加工中心及鏜汽缸用的單軸鏜缸機床以實際用于福特公司的消費線。二工件本身剛度缺乏的加工領域如航空航天工業產品或其他某些產品，如Ingersll公司采用高速切削工藝所銑削的工件最薄壁厚僅為1。三加工復雜曲面領域如模具工具制造。四難加工材