高速切削技术及其应用

高速切削技术及其应用齐齐哈尔工程学院吕世伟任瑞新邹子军孙留洋【关键词】高速切削高速切削技术应用前言机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造方向发展。机械加工技术中，切削加工是应用最广泛加工方法。近年来，高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工主流和先进制造技术一个重要发展方向。一、高速切削加工的含义高速切削理论由德国物理学家Carl.J.Salomon在上世纪三十年代初提出的。他通过大量的实验研究得出结论：在正常的切削速度范围内，切削速度如果提高，会导致切削温度上升，从而加剧了切削刀具的磨损；然而，当切削速度提高到某一定值后，只要超过这个拐点，随着切削速度提高，切削温度就不会升高，反而会下降，因此只要切削速度足够高，就可以很好的解决切削温度过高而造成刀具磨损不利于切削的问题，获得良好的加工效益。随着制造工业的发展，这一理论逐渐被重视，并吸引了众多研究目光，在此理论基础上逐渐形成了高速切削技术研究领域，高速切削加工技术在发达国家的研究相对较早，经历了理论基础研究、应用基础研究以及应用研究和发展应用，目前已经在一些领域进入实质应用阶段。二、高速切削加工的优越性由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技术不仅提高了切削加工的生产率，和常规切削相比还具有一些明显的优越性：第一、切削力小：在高速铣削加工中,采用小切削量、高切削速度的切削形式,使切削力比常规切削降低30％以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少。既减轻刀具磨损，又有效控制了加工系统的振动，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高:采用高速切削，切削速度和进给速度都大幅度提高，相同时间内的材料切除率也相应大大提高。从而大大提高了加工效率。第三、工件热变形小:在高速切削时，大部分的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，因此加工表面的受热时间短，不会由于温升导致热变形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力学性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高:高速切削通常进给量也比较小，使加工表面的粗糙度大大降低，同时由于切削力小于常规切削，加工系统的振动降低，加工过程更平稳，因此能获得良好的表明质量，可实现高精度、低粗糙度加工。第五、绿色环保：高速切削时，工件的加工时间缩短，能源和设备的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同时由于高速切削可以实现干式切削，减少甚至不用切削液，减少污染和能耗。三、高速切削技术的发展我国高速切削加工技术研究起步较晚，比国外迟了好几十年，直到国外的高速加工技术从实验室走向大规模工业生产，我国的科研机构才开始涉足该领域的研究。上世纪八十年代，山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统的研究了A12O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破裂、加工表面质量等问题，并建立了有关切削力、切削温度模型。上海交大在研究高速切削硬铝合金时发现了切削温度和切削力的动态关系，只有切削速度超过720m/min时，切削温度和切削力才明显的降低。南京航空航天大学进行了高速切削机理、高速切削力的研究而且完善优化了Won-sooYun瞬态切削力模型。西北工业大学联合相关的工厂开创了钛合金等难加工材料高速切削研究的先河，系统的研究了薄壁件高速铣削精度控制、不同刀具材料和工件材料的合理配伍、高速切削中切削参数的优化和铣削数据库等。华中科技大学在高速数控系统的研制方面取得了突破性的进展，成功的开发出了完全自主知识产权的五轴五联动高速数控系统，打破了欧美国家在该领域的垄断。高速切削发展趋势和未来研究方向归纳起来主要有：a.新一代高速大功率机床的开发与研制；b.高速切削动态特性及稳定性的研究；c.高速切削机理的深入研究；d.新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究；e.进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围；f.开发适用于高速切削加工状态的监控技术；g.建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术；h.基于高速切削工艺，开发推广干式（准干式）切削绿色制造技术；i.基于高速切削，开发推广高能加工技术。四、高速切削刀具材料高速切削正是由于刀具材料的不断发展进步而逐渐发展成熟起来的。近30年来世界各工业发达国家都在大力发展能适应高速切削条件的先进切削刀具。目前国内外用于高速切削的TiC(N)基硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、金刚石和CBN刀具各有优点，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大：在资源、价格和性能等方面，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优势，因其主要成分在自然界是取之不尽的，因此，陶瓷刀具将会得到更大的发展：超硬刀具的应用将会越来越广泛。随着技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多地被采用。因此，高速切削刀具材料的发展应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。同时，由于可持续发展的要求，要求切削时不污染环境，因此，能适应高速干切削的刀具材料将会得到进一步发展。总之，具有“三高”(即：高可靠性、高强度、高抗热震性)性能刀具材料的研究开发将是今后高速切削刀具材料研究开发的重点。纳米复合与涂层、梯度功能和多种增韧补强机制协同作用的刀具材料的设计与开发将是高速切削刀具研究发展的方向。五、高速切削技术的应用目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业、模具行业、航空航天行业，尤其是在加工复杂曲面的领域、工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能。国内高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，应用于模具、航空航天和汽车工业。高速切削技术是一门可以和数理统计等学科相互结合的现代制造技术。比如运用四因素、三水平的正交试验，对高速加工得到的表面粗糙度进行了系统的研究。通过对正交试验所得数据的极差分析，高速加工铝合金材料LY12时，影响高速加工表面粗糙度因素的主次顺序为：冷却方式→主轴转速→进给速度→切削深度。同时对该材料进行了单因素试验，分别得出了表面粗糙度同切削参数（主轴转速、进给速度、轴向切深）之间的定量关系，推导出了表面粗糙度的经验公式。对于高速切削过程，由于实际条件的限制，可以通过abaqus、ansys等软件进行建模可以进一步的研究高速切削技术的切削过程。如通过深入研究有限元建模过程中有限元模型的建立、材料本构关系、切屑分离准则、材料失效准则、切削热动态耗散与热传导等关键技术。可以采用热力耦合分析和绝热分析对钛合金Ti6Al4V的加工过程进行正交切削有限元模拟。通过有限元建模，可以获得切削过程中的应力分布、温度分布、切削力曲线。另一方面，通过高速切削技术和虚拟技术相结合等方式可以降低高速切削技术的成本，同时提高高速切削技术的可观性和可行性。结束语高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一。它会随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。但也应清醒的看到。高速切削技术自身也存在着一些亟待解决的问题，这些都在一定程度上制约和阻碍了高速切削技术的发展，我们需要找准问题所在，认真研究并真正加以解决。因此未来高速切削理论的研究应向高速加工基本规律、高速切削过程和切削成形机理以及高速切削虚拟技术等方面进行深入发展。参考文献【1】杨忠良.高速切削的发展及应用领域[J].机械工程师.2010，（4）【2】姜学耕、谢国如.高速切削在难加工材料中的应用[J].机械工程与自动化.2010，8（4）【3】胡绕脖.高速切削工艺数据库的研究开发[D].同济大学硕士学位论文.2007【4】谢婧.高速切削加工在机械制造中的应用[J].机械设计与制造.2006,6（6）【5】张宁菊.高速切削刀具研究[J].机械设计与制造.2005,12（12）【6】罗巍.高速切削技术要点及其在我国的发展趋势[J].科技信息【7】H.舒尔茨著，高速加工发展概况，王志刚译，机械制造与自动化[J].2002（1）【8】孙文诚高速切削加工模具的关键技术研究[J].-机械制造与自动化2008(5)【9】艾兴，高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社，2003【10】刘战强，高速切削技术的研究与应用[D].山东大学博士后论文，2001[11]张雅琼，薄壁零件车工夹具设计[J].中国高新技术企业，2010（8）