速切削的关键技术及应用

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，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。在数控机床出现以前，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时间超过工件加工总工时的70%；以数控机床为基础的柔性制造技术的发展和应用，大大降低了工件加工的辅助时间，切削所占时间比例越来越大。因此，实现高速切削成为提高机床生产效率的重要技术手段之一。目前，高速切削技术在航空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获得广泛应用，并产生了巨大的经济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高速切削作为一种新的切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。本文作者着重研究了高速切削的关键技术——机床技术、刀具技术和工艺技术及其应用。　　1．高速切削技术概述　　1.1高速切削的概念　　高速切削（HighSpeedCutting）是一个相对概念，迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5倍～10倍的切削加工，有时也称为超高速切削（Ultra2 high Speed Cutting）。也有将主轴转速达到10000r/min～60000r/min，快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min以上，加速度大于1g的切削加工定义为高速切削。对于不同的工件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加工的线速度，单位m/min）范围也不同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工工艺划分，高速切削速度范围为：车削700m/min～7000m/min，铣削300m/min～6000m/min，钻削200m/min～1100m/min，磨削5000m/min～10000m/min。　　高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）于1931年提出的，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。他认为，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，一定的工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率。　　1.2高速切削技术的特点　　高速切削速度较之常规切削速度几乎高出1个数量级，其切削机制异于常规切削。由于切削机制的改变，使得高速切削技术具有如下特点。　　1.2.1切削力小　　由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，从而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，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。　　1.2.2工件热变形小　　在高速切削时，90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少，工件温升不会超过3℃，基本保持冷态，不会由于温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变的工件。　　1.2.3材料切除率高　　随切削速度的提高，进给速度也相应提高5倍～10倍，单位时间内的材料切除率可达常规切削的3倍～6倍，适用于材料切除率要求大的场合，在航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工整体构件最理想的制造技术。在2001年德国汉诺威举办的欧洲机床展览会（EMO）上展出的荷兰Unisign公司制造的Unipro25型五轴立式加工中心（X行程1000mm、Y行程800mm），电主轴功率100kW，最高转速25000r/min，最大扭矩90N•m，其铣削铝合金的材料切除率已达8000cm3/min～10000cm3/min。1.2.4工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工　　在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超出了“机床—刀具—工件”工艺系统的固有频率范围（50Hz～300Hz），使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的精加工工序。例如，瑞士DIXI机械公司生产的DHP50高精度卧式加工中心，工作台500mm×500mm，双托盘，行程为700mm×700mm×700mm，主轴转速为12000r/min，功率为25kW，刀库容量65把，换刀时间4s（T2T），6s（C2C），定位精度4μm，重复定位精度2μm（按ISO23022标准），测量分辨率0.5μm。高速切削尤其适合于光学等领域的加工。　　1.2.5可加工难加工材料　　难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料和耐磨铸铁等的切削加工不仅切削效率低，而且刀具寿命短。高速切削时，由于切削力小，切屑变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材料。例如，航空制造业中大量采用的镍基合金、钛合金材料，强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削温度高，刀具磨损严重，在常规切削中一般采用很低的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到100m/min～1000m/min，不但能大幅度提高机床生产效率，而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。　　1.2.6高速干切削可以实现加工过程的绿色制造　　高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响。目前，能实现高速干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。　　2．高速切削的关键技术　　高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。　　2.1高速切削机床技术　　性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提和关键，而具有高精度的高速主轴和控制精度高的高速进给系统，则是高速切削机床技术的关键所在。2.1.1高速主轴　　高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削的加工中心其主轴最高转速一般都大于10000r/min，有的高达60000r/min～100000r/min，为普通机床的10倍左右；主电动机功率15kW～80kW，以满足高速车削、高速铣削之要求。　　随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的快速发展，高速数控机床主传动的机械结构得到极大简化，取消了齿轮传动和带传动，采用机床主轴与主轴电机一体化的传动结构形式（即所谓的电主轴），实现了机床的“零传动”。　　轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点，在电主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时，润滑极为重要，目前，电主轴主要采用两种润滑方式：油脂润滑和油-气润滑。油雾润滑尽管价廉，但因其污染环境、损害操作工人健康，不符合绿色制造和可持续发展原则，国外电主轴公司已不再使用。流体静压轴承（包括气体静压轴承和液体静压轴承）为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高和阻尼特性好等优点。气体静压轴承电主轴转速可高达100000r/min～200000r/min，缺点是刚度差，承载能力低；液体静压轴承刚度高，承载能力强。磁悬浮轴承又称磁力轴承，也为非接触式轴承，没有磨损，无需任何润滑。　　目前，生产磁悬浮轴承电主轴的厂家有德国GMN公司、瑞士IBAG公司及中国洛阳轴承研究所等。　　2.1.2高速进给系统　　控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。　　传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其进行技术改进和技术创新，才能适应高速切削的要求。主要技术措施有：（1）丝杠采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（2）为降低高速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传动系统的精度。（3）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列，可有效降低高速运行时的噪声。（4）改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（5）采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺母与驱动电机的转子集成为一体，由转子直接驱动。该结构由于丝杠固定不动，螺母作高速旋转的同时作轴向移动，故可消除丝杠临界转速的限制。　　高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为（0.5～1.0）g，行程范围≤6m，用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其加速度可高达（2～10）g，行程范围不受限制，用于高档高速数控机床和高速加工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（1）高速响应性。由于系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。（2）速度和加速度高。最大进给速度可达80～180m/min，加速度可高达（2～10）g。（3）定位精度高。直线电机进给驱动系统常用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，因而定位精度可高达0.1μm～0.01μm。直线电机伺服系统的价格约是高速滚珠丝杠伺服系统的2.5倍，但在加速度大于1g的情况下，前者仍是高速进给系统的唯一选择。　　2.2高速切削刀具技术　　刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。　　2.2.1高速切削刀具材料　　高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高强度和耐磨性；高韧度、良好的耐热冲击性；高热硬性、良好的化学稳定性。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金刚石（PCD）材料等。　　2.2.1.1涂层刀具　　目前，用于高速切削刀具的涂层主要有两类：一类是“硬”涂层，如TiC、TiN和Al2O3等涂层刀具，其优点是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂层刀具具有很强的抗后刀面磨损能力，TiN涂层刀具则具有理想的抗月牙洼功能。一类是“软”涂层，如MoS2、WS等涂层刀具，这类刀具也称为“自润滑刀具”，刀具、工件和切屑之间的摩擦因数很低，只有约0.01，能降低切削力和切削温度。航空航天工业用材如高强度硬质合金、钛合金等的加工就不适合采用“硬”涂层刀具；采用“软”涂层刀具，可防止刀刃上产生积屑瘤，提高工件表面加工质量，延长刀具寿命。2.2.1.2陶瓷刀具　　陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。可用于高速切削的陶瓷刀具包括金属陶瓷（Cermet）、氧化铝陶瓷（Al2O3）和氮化硅陶瓷（Si3N4）等。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，适于加工HRC50～65的高硬度材料；高温性能好，在1200℃的高温下仍能进行切削；具有良好的抗粘结性能，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好。但陶瓷刀具抗冲击载荷能力差、抗热冲击性能差，因此，用陶瓷刀具进行切削时，不宜使用切削液，适于进行高速干切削。　　2.2.1.3立方氮化硼（CBN）　　立方氮化硼（CBN）材料的硬度仅次于金刚石，高达HV3200～4000，具有很高的耐磨性、热稳定性和化学稳定性，最适于高硬度淬火钢、高温合金、硬化轴承钢（HRC60～62）、工具钢（HRC57～60）、高速钢（HRC62）等材料的高速切削。　　2.2.1.4　聚晶金刚石（PCD）　　聚晶金刚石（PCD）材料的硬度约为CBN的2倍，其导热性好、热膨胀系数小、摩擦因数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料的高速切削，是实现高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度切削加工的重要刀具。PCD刀具主要用于轻金属及其合金、新型陶瓷材料及难加工材料的高速切削，用于精密、超精密及光学元件的精加工。2.2.2　高速切削刀具系统　　刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具约小10°，后角大5°～8°。　　刀具在高速旋转时，会承受很大的离心力，其大小远远超过切削力，成为刀具的主要载荷，足以导致刀体破碎，造成重大事故。以高速铣刀为例，提高刀具设计的安全性技术有：（1）高速铣刀大多采用HSK空心短锥刀柄与机床主轴连接，有时做成整体式结构，以提高刚性和安装的重复定位精度。（2）在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。对安装在高速主轴上的旋转刀具来说，高精度的动平衡是至关重要的。德国于1994年起草的《高速旋转铣刀的安全性要求》标准规定，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试。　　2.3高速切削工艺技术　　高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程；而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程的加工工艺。在进行高速切削时，工件材料不同，所选用的切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同。下面着重研究轻金属、钢和铸铁的高速切削工艺技术。　　2.3.1高速切削轻金属技术　　铝合金因具有良好的耐蚀性，较高的比强度，导电性及导热性好等优点，在汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。铝镁合金大多使用铸件，这些轻合金的最大优点就是其固有的易切特性。轻合金可采用很高的切削速度和进给速度进行加工，切削速度可高达1000m/min～7500m/min，高速切削使95%～98%的切削热被切屑迅速带走，工件保持室温状态，热变形小，加工精度高。　　高速铣削轻金属时，由于加工过程存在较大的冲击载荷，PCD和CBN刀具的寿命特性并不好。当切削速度达到1000m/min时，可使用K型硬质合金刀具；当切削速度达到2000m/min时，可使用金属陶瓷刀具；当切削速度更高时，可使用PCD刀具；高速铣削铝镁合金时，可使用K10硬质合金刀具。　　2.3.2高速切削钢和铸铁技术　　高速铣削钢和铸铁时，遇到的主要问题是刀具的磨损。　　高速铣削钢材时，刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。刀具的磨损与工件材料的力学性能有关。如工件材料的抗拉强度增大，则刀具磨损增加，因此应减少每齿的进给量。表1给出了钢的切削速度和每齿进给量。高速铣削铸铁时，切削速度的选择取决于刀具材料。提高切削速度和减少每齿进给量，可提高工件表面加工质量。表2给出了铸铁的切削速度和每齿进给量。　　3．高速切削技术的应用　　3.1高速切削在航空航天工业中的应用　　航空航天工业中许多零件采用薄壁、细筋结构，由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，高速切削成为此类零件加工工艺的唯一选择。　　飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成的部件，改用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。有的整体构件的材料去除率高达90%，采用高速切削可大大提高生产效率和产品质量，降低制造成本，这也是高速切削技术在飞机制造业获得广泛应用的主要原因。例如，波音公司在生产波音F/15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。　　3.2高速切削　　在汽车制造业中的应用以高速加工技术为基础的敏捷柔性自动生产线被越来越多的国内外汽车制造厂家使用。国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min；上海大众桑塔纳轿车自动生产线等。国外如美国GM发动机总成工厂的高速柔性自动生产线、福特汽车公司和Ingersoll机床公司合作研制的以HVM800卧式加工中心为主的汽车生产线等。　　4．结束语　　高速切削技术已经成为切削加工的主流，高速切削技术对于机械制造业来说是一场深刻的技术革命，必将对机械制造业产生重要而深远的影响。高速切削技术的发展和应用是一项复杂的系统工程，它涉及到刀具、机床、工艺、材料、敏捷生产、网络化、智能化和故障诊断等诸多领域的技术发展和创新。　　为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求，高速切削和高速加工技术必将在生产工艺离散型和混合型企业（如模具、船舶、汽车和航空航天等制造企业）中得到进一步发展和应用。未来高速切削机床结构将会具有更高的刚度和抗振性；随着机床技术、刀具技术和工艺技术的发展，刀具寿命将会更长，工件上下料、测量和换刀等辅助时间将会更短。