第6章 超高速、微细加工技术

•第一节超高速加工技术•一、超高速加工的概念与内涵•超高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义。概括地说，超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术，其切削速度通常比常规高10倍左右。•德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)博士于1931年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。图3-19所示为“萨洛蒙曲线”。在常规切削速度范围内(图3-19中A区)，切削温度随着切削速度的增大而提高。图3-19萨洛蒙曲线在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。Salomon的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”(图3-19中B区)在超高速区内(图3-19中C区)进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。表6-3不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围加工工艺切削速度范围/(m/min)加工材料切削速度范围/(m/min)车削700～7000铝合金2000～7500铣削300～6000铜合金900～5000钻削200～1100钢600～3000磨削5000～10000铸钢800～3000拉削30～75耐热合金＞500铰削20～500钛合金150～1000锯削50～500纤维增强塑料2000～9000应当指出的是，超高速加工的切削速度不仅是一个技术指标，而且是一个经济指标。也就是说，它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度，而且必须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度。没有经济效益的高切削速度是没有工程意义的。目前定位的经济效益指标是：在保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90％，同时将加工费用减少50％，以此来衡量高切削速度的合理性。•二、超高速加工技术的现状及发展趋势•自20世纪30年代德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到20世纪90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；21世纪初，高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。•在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件。超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。•目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)及聚晶立方氮化硼(PCBN)。切削速度亦随着刀具材料的创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要采用刚玉系、碳化硅系材料，美国GE公司于20世纪50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。20世纪90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。因此有人认为，随着新刀具(磨具)材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。•在超高速切削技术方面，近年来，高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。•世界许多著名公司的加工中心，如美国的Cincinnati和Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司，其标准主轴转速配置可达8000～10000r/min，可选的20000r/min以下的主轴单元已处于商品化阶段。采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到40～60m/min，加速度达到1g，工作进给可达到30m/min以上，定位精度达到20～25μm。采用直线电机的进给驱动系统，快速进给可以达到160m/min，进给加速度达到2.5g以上，定位精度高达0.05～0.5μm甚至更高。这些加工中心的刀具到刀具的换刀时间小于1s，切削到切削的换刀时间小于2.4s，托盘交换时间小于10s。日本日立精机的HG400III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36～40m/min。•高速磨削在20世纪60年代初，砂轮磨削速度曾一度达到90m/s，但更多的还是在45～60m/s之间。德国居林公司1983年制造出了当时世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨床，即HEDG磨床，其主轴功率为60kW，砂轮直径为400mm，砂轮转速为10000r/min，vs达到100～180m/s。Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域(如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应的研究成果。50m/s高速磨削研究起始于1958年，近20年来其发展十分缓慢。实验室超高速磨削速度曾达到250m/s，但离产业化还有一段距离。目前工业应用的磨削速度未能超过100m/s。显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差距很大。•三、超高速加工技术的优势1.超高速切削加工的优越性(1)加工效率高。(2)切削力小。(3)热变形小。(4)加工精度高。(5)工艺系统振动减小。(6)减少后续加工工序。(7)良好的技术经济效益。•2.超高速磨削加工的优越性(1)可以大幅度提高磨削效率。(2)磨削力小，零件加工精度高。(3)可以获得低粗糙度表面。(4)可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化。(5)可以改善加工表面的完整性。•四、超高速切削的相关技术图6-20超高速切削的相关技术•1.超高速切削的刀具技术•1)超高速切削的刀具材料•(1)涂层刀具材料。•涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800℃。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。(2)金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC＋Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC＋TaC＋WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN＋NbC)等。金属陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。(3)陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁等。(4)PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有较高的抗弯强度和韧性。PCD材料还具有高导热性和低摩擦系数。另外，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一，因此得以广泛应用。PCD刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属，与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋利刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质合金刀具10～500倍。•(5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，它的突出优点是热稳定性(140℃)好，化学惰性大，在1200～1300℃下也不发生化学反应。•CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件，是超高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。•PCBN的制造方法与PCD相同。PCBN主要用于加工黑色金属等难加工材料，特别适于切削HRC45～65的淬硬钢、耐热合金、高速钢(HSS)、灰铸铁等。PCBN、PCD是超高速切削中工作寿命最长的刀具，但PCBN、PCD对振动比较敏感，在应用中机床结构和工件夹持状况对刀具寿命有很大影响。•2)超高速切削刀具的结构•超高速切削刀具的结构主要从加工精度、安全性、高效方面考虑，如超高速刀具的几何结构和刀具的装夹结构。为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力，刀具的几何角度必须选择最佳数值。如超高速切削铝合金时，刀具最佳前角数值为12°～15°，后角数值为13°～15°；超高速切削钢材时，对应的是0°～5°和12°～16°，铸铁对应的是0°和12°，铜合金是8°和16°；超高速切削纤维强化复合材料时，最佳前角数值为20°，后角为15°～20°。用于超高速切削(n＞6000r/min)的可转位面铣刀由于刀体和可转位刀片均受很大的离心力作用，通常不允许采用摩擦力夹紧方式，而必须采用带中心孔的刀片，用螺钉夹紧，并控制螺钉在静止状态下夹紧刀片时所受预应力的大小。刀片、刀座夹紧力方向最好与离心力方向一致。刀体的设计应减轻质量，减小直径，增加高度，选用比重轻、强度高的材料。铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中；还应减少机夹零件的数量；刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线。超高速回转刀具还应提出动平衡要求。•高速切削不仅要求刀具本身具有良好的刚性、韧性、动平衡性和可操作性，同时对刀具与机床主轴间的连接刚性、精度和可靠性都提出了严格的要求。当主轴转速超过15000r/min时，由于离心力的作用将使主轴锥孔扩张，刀柄与主轴的连接刚度会明显降低，径向跳动精度会急剧下降，甚至出现颤振。为了满足高速旋转时不降低刀柄的接触精度，一种新型的双定位刀柄已在高速切削机床上得到应用。这种刀柄的锥部和端面同时与主轴保持面接触，定位精度明显提高，轴向定位重复精度可达0.001mm。这种刀柄结构在高速转动的离心力作用下会更牢固地锁紧，在整个转速范围内保持较高的静态和动态刚性。图3-21所示的德国HSK刀柄就采用这种结构。图3-21HSK刀柄结构(a)刀柄结构原理；(b)刀柄结构型式HSK刀柄结构采用1∶10锥度，刀柄为中空短柄，如图3-21所示。其工作原理是靠锁紧力及主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙。由于中空刀柄自身有较大的弹性变形，因此对刀柄的制造精度要求可低一些。但中空刀柄结构也使其刚度和强度受到一定影响。HSK整体式刀柄采用平衡式设计，刀柄结构有A型、B型、C型、D型、E型、F型等六种型式，如图3-21(b)所示。•2.超高速切削机床•1)超高速切削的主轴系统•超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现高速加工最关键的技术之一。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。高速主轴单元在结构上分为两类，即分离式高速主轴与内装式电主轴。分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、装配及调整，主轴单元冷却系统的设计及主轴单元的试制等。•内装式电主轴采用电机直接驱动方式，主轴电机与机床主轴合二为一，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，因