超高速切削的发展现状

超高速切削技及其新发展之我见I摘要：超高速切削技术已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。简述了超高速切削的机理与特点，介绍了该技术在国内外的发展及技术应用领域，分析了关键技术并展望了发展趋势。关键词：超高速切削；先进制造技术；切削刀具；应用超高速切削技及其新发展之我见IIAbstract：Ultrahighspeedcuttingisoneofthemaintrendsofcuttingmachineryandanimportantdevelopmentdirectionofadvancedmanufacturingtechnology.Themechanismandcharacteristicofultrahighspeedcuttingareintroducted,thedevelopmentandtheapplicationrealmsathomeandabroadarediscussed,thekeytechnologiesareanalyzed,andthedevelomenttechnologyofultrahighspeedcuttingisprospected.prospectedKeywords:Ultrahighspeedcutting；ATM（Advancedmanufacturingtechnology）；Cuttingtool；application超高速切削技及其新发展之我见III目录1超高速切削的机理与特点..........................................................................................-2-1.1超高速切削的机理...............................................................................................-2-1．2超高速切削的特点.............................................................................................-2-2超高速切削加工技术在国内外的发展和应用领域...................................................-3-2．1超高速切削加工技术的发展.............................................................................-3-2．1．1超高速切削技术在国外的发展...............................................................-3-2．1．2超高速切削技术在国内的发展...............................................................-3-2．2超高速切削加工技术的应用领域.....................................................................-4-2．2．1超高速切削技术在国外的应用...............................................................-4-2．2.2超高速切削技术在国内的应用................................................................-4-3超高速切削加工技术的关键技术..............................................................................-5-3．1超高速主轴系统................................................................................................-5-3．2快速进给系统....................................................................................................-5-3．3高速CNC控制系统.............................................................................................-6-3．4超高速切削刀具技术.........................................................................................-6-3．4．1超高速切削刀具材料和刀具结构...........................................................-6-3．4．2超高速切削刀柄系统...............................................................................-6-3．5超高速切削加工的安全防护与实时监控系统.................................................-7-4超高速切削加工技术的发展趋势展望......................................................................-7-5结束语..........................................................................................................................-8-超高速切削技及其新发展之我见-1-引言机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削加工是应用最广泛的加工方法。近年来，超高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。超高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。超高速切削是一种用比普通切削速度高得多的速度对零件进行加工的先进制造技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，有非常高的生产效率，超高速切削技术作为先进制造技术的重要组成部分，已被积极地推广应用。超高速切削技及其新发展之我见-2-1超高速切削的机理与特点1.1超高速切削的机理近十年来，超高速切削加工理论基础研究取得新的进展。主要是锯齿状切削的形成机理，超高速切削加工钛合金时切屑的形成机理，机床结构动态特性及切削颤振的避免，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及超高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配，进一步证实大部分切削热被切屑所带走。1．2超高速切削的特点(1)随着切削速度提高，单位时间内材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积，（v×f×ap)增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。(2)在超高速切削加工范围内，随着切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30％以上有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。(3)超高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在90％以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。(4)从动力学的角度，超高速切削加工过程中，切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此超高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。(5)超高速切削加工可加工硬度HRC(45—65)的淬硬钢铁件，如超高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。超高速切削技及其新发展之我见-3-2超高速切削加工技术在国内外的发展和应用领域2．1超高速切削加工技术的发展2．1．1超高速切削技术在国外的发展工业发达国家对超高速切削加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的主要有德国、日本、美国和意大利等国家。1976年美国Lockheed飞机公司首先研究了铝合金的超高速铣削试验。在高速立式铣床上用直径25.4mm立铣刀，主轴转速从4000r／min提高到20000r／min，切深及每齿进给量保持不变时，切削力下降30％，然而材料切除率却增加3倍。1979年美国国防高技术研究部署发起了一项“先进加工研究计划”研究超高速切削的科学依据，经过四年努力，其研究结果指出：随着切削速度提高，切削力下降，加工表面质量提高；刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性。德国在超高速切削试验研究方面得到了国家研究技术部的支持。1984年拨款1160万马克，组织以由Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)为首的41家公司参加的两项联合研究计划。PTW所长舒尔茨教授为首的研究人员全面系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关工艺技术，对各种工件材料(钢、铸铁、铝合金、碳纤维增强塑料等)的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，其研究成果已在德国工厂广泛应用，取得了良好的经济效益。自20世纪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。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG4001ll型加工中心，主轴最高转速达36000~40000r／min，工作台快速移动速度为3640m／min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心，进给移动速度为60m／min。2．1．2超高速切削技术在国内的发展我国超高速切削加工技术研究起步较晚，与国外有较大的差距。20世纪80年代初期，山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了，基陶瓷刀具超高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损和破损理论、加工表面质量变化规律等[4]。之后，北京理工大学研究了超高速切削的刀具寿命与切削力，沈阳工业大学超高速切削技及其新发展之我见-4-和重庆大学研究了超高速切削机理，天津大学和大连理工大学研究了超高速硬切削机理，上海交通大学与有关工厂研究了钛合金超高速铣削工艺、薄壁件超高速铣削精度控制、铝合金超高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金超高速钻削和铣削数据库等。广东工业大学研究了超高速主轴系统和快速进给系统，成都工具研究所研究了超高速切削刀具的发展和产业化。在超高速机床方面，目前我国与国外的主要差距在于机床的关键功能部件的研究开发落后于市场需求，如转速20000r/min以上的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的超高速加工中心基本上还是依赖进口，并已从国外引进了相当数量的超高速加工中心。在超高速切削刀具材料方面我国已取得了很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发超高速切削刀具的能力，但金刚石、立方氮化硼、TiCN基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和