超高速切削技术的发展现状及趋势

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河北大学工商学院 数控技术结课论文 超高速切削技术的发展现状及趋势

学 部 信息科学与工程学部

学科门类 工学

专 业 XXXXXX 学 号 XXXXXXXXXX 姓 名 XXXXXX 指导教师 XXXX

20XX 年XX 月XX 日 题目:

超高速切削技术的发展现状及趋势

摘 要

当前机械制造业领域中先进制造技术的应用越来越广泛而深入,超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分, 也已被积极地推广使用。本文主要针对于先进制造技术中超高速切削这一方面做了广泛的调查研究,阐述了什么是超高速切削技术以及超高速切削技术的发展现状,并对超高速切削技术在国内和国外的发展做了具体仔细的分析比较,就超高速切削技术的未来发展趋势做了简明的分析。

关键词:先进制造;高速切削;数控机床;发展现状

The present status and development trend of high speed cutting

technology

ABSTRACT

Application of the current field in mechanical manufacturing industry and advanced manufacturing technology more widely and deeply, ultra high speed cutting technology is an important part of advanced manufacturing technology, has also been actively promoting the use of. In this paper, aiming at the super advanced manufacturing technology of high speed cutting this has done extensive research, mainly expounds what is ultra high speed cutting technology and the high speed cutting technology development status, and make a specific careful analysis on the two aspects of high speed cutting tool and the high speed cutting technology of high speed cutting technology, the future development trend ultra high speed cutting technology has made the concise analysis.

Key words:Advanced manufacturing;High speed cutting;CNC machine tool;Development Status

目 录

引言 . .................................................... 3 1 超高速切削技术简介 ..................................... 3

1.1 超高速切削技术概况 ....................................... 3

1.2 超高速切削技术分类 ....................................... 3

1.3 超高速切削技术特点 ....................................... 4 2 超高速切削技术现状 ..................................... 4

2.1 超高速切削技术现状简述 ................................... 4

2.2 国外超高速切削技术发展情况 ............................... 6

2.3 国内超高速切削技术发展情况 ............................... 7 3 超高速切削技术发展趋势 ................................. 7

3.1 难加工材料的超高速切削 ................................... 7

3.2 刀具夹紧机构设计 ......................................... 7

3.3 节省能源, 实现绿色加工 .................................... 8 结论 ..................................................... 8 参考文献 . ................................................ 9

引 言

伴随着世界经济日益国际化,更兼并着科学技术的不断发展与突飞猛进,工业化的发展程度,成为一个国家在世界地位中凸显的重要标志之一。其高效高质量制造技术被广泛应用于工业制造领域,并对一个国家的、经济、航空航天、国防事业作出重大贡献,逐步成为推动世界先进技术向高端技术发展重要标志。高速切削技术是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术,由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应技术要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发展。

1 超高速切削技术简介

1.1 超高速切削技术概况

超高速切削技术是指采用超硬材料的刃具,通过极大地提高切削速度和进给速度来提

高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术

超高速切削是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很

高的生产效率。可以说,超高速切削是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速切削的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。[1]

1.2 超高速切削技术分类

超高速切削技术主要包括以下内容:

(1)超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现

象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。

(2)超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发;主轴系

统动态特性及热态性研究;柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究;主轴系统的润滑与冷却技术研究;主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究;主轴换刀技术研究。[2]

(3)超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制;精密交流伺服系统及

电机的研究;系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究;机械传动链静、动刚度研究;加减速控制技术研究;精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。

(4)超高速切削用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速切削(包括难加工材料) 用刀具磨具材料及制备技术。

(5)高速CNC 控制系统:超高速切削要求CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高功

能化特性,以保证加工复杂曲面轮廓时,具有良好的加工性能。还要具有高速插补及超前处理能力,防止刀具轨迹偏移和突发事故。

(6)超高速切削在线检测与控制技术研究。对超高速切削机床主轴单元、进给单元

系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术。

1.3 超高速切削技术特点

超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工,对高塑性等难磨材料也有良好的磨

削表现。与普通磨削相比,超高速磨削显示出极大的优越性。

表1.1 常见工件材料的超高速铣削速度与常用铣削速度

[3]

(1)切削速度快,铣削速度一般是普通铣削速度的五到十倍。

(2)能实现对硬脆材料的延性域磨削,对高塑性和难磨材料获得良好的磨削效果。

由于加工时对刀具和工件进行了冷却润滑,减少了切削热对工件的影响,特别适合加工易热变形的工件。

(3)降低加工工件表面粗糙度值,易获得高光洁的加工表面。激振频率远远高于机

床和工艺系统的固有频率,加工平稳,振动小,加工表面质量好。

(4)能极大地提高生产效率。但是,高速切削采用的高压大流量冷却方式会增加环

境污染、提高生产成本、减少刀具的耐用度、加大机床腐蚀等一系列问题。

(5)明显降低磨削力,提高零件加工精度。

(6)砂轮耐用度提高,使用寿命延长,具有巨大的经济效益。

2 超高速切削技术现状

2.1 超高速切削技术现状简述

(1)高速主轴系统:高性能的电主轴是实现超高速切削的基础,要求具有很高的转

速及相应的功率和扭矩。新近开发的加工中心主轴Dn 值(主轴直径与每分钟转速之积) 大都已超过100万。在主轴系统中主要采用重量轻于钢制品的陶瓷球轴承,轴承润滑方式大都

采用油气混合润滑方式。在高速加工领域,目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴合并构成的磁气/空气混合主轴。

(2)高速进给机构:超高速切削要求进给系统能够完成高速进给运动,所用的进给

驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机,其最高加速度在2G 以上,最高进给速度可超过160m/min。[4]

图2.1 超高速切削技术结构

(3)高速切削刀具:超高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼( CBN) , 端面铣

削使用CBN 刀具时,其切削速度可高达5000m/min。用金刚石刀具端面铣削铝合金时, 5000m/min的切削速度已达到实用化水平。CBN 和金刚石刀具只能用于一定的加工领域, 尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。

目前,涂层技术是一项既能作到价格低廉、性能优异,又可有效降低加工成本的技术。

现在超高速切削用的立铣刀,大都采用TiAIN 系的复合多层涂镀技术进行处理。如在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时,DLC( Diamond Like Carbon) 涂层刀具就受到人们极大的关注,预计其市场前景十分可观。

(4)刀具夹持系统:刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术,目前使用最为广泛

的是两面夹紧式工具系统。作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有:HSK 、KM 、Bigplus 、NC5、AHO 等系统。在高速切削的情况下,刀具与夹具回转平衡性能的优劣, 不仅影响到加工精度和刀具寿命,而且也会影响到机床的使用寿命。因此,在选择工具系统时,应尽量选用平衡性能良好的产品。

(5)安全保护措施:进行高速切削时,由于刀具高速回转,切屑的速度也相当高。在

对钢材或铸件进行高速铣削时,其切屑带着火花四处飞溅,因此,必须采取措施,使切屑沿着一定的方向排出。目前,三菱综合材料公司已开发出一种铣刀,可控制排屑方向,大大提高了高速铣削加工的安全性。

2.2 国外超高速切削技术发展

2.2.1 欧洲的发展情况

欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早。1979年德国 Bremen大学的Werner P G

教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性,由此开创了高效深磨的概念。1983年德国 Bremen 大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床,砂轮圆周速度达到了209 m/s。德国 Guhring Automation 公司于1992 年成功制造出砂轮线速度为140~160m/s的CBN 磨床,并正在试制线速度达180m/s 的样机。[5]

德国Aachen 大学、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。

据Aachen 工业大学实验室的Koeing 和Ferlemann 宣称,该实验室已经采用了圆周速度达到500m/s的超高速砂轮,这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。瑞士Studer 公司开发的CBN 砂轮线速度在60m/s以上,并向120~130m/s方向发展。目前在试验室内正用改装的S45型外圆磨床进行线速度280m/s的磨削试验。

2.2.2 美国的发展情况

美国20世纪60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度。辛辛那提-米拉克隆公司到1969

年已生产了100多台高速磨床,其中有80m/s的无心磨床。本迪克斯公司1970年生产了91m/s的切入式高速磨床。1971年,美国Carnegie-Mellon 大学制造了一种无中心孔的钢质 轮,在其周边上镶有砂瓦,其试验速度可达185m/s,工作速度达到125m/s,用于磨削不锈钢锭和切断,也可用于外圆磨削。1993年,美国的 Edgetek Machine 公司首次推出的超高速磨床,采用单层CBN 砂轮,圆周速度达到203m/s,用以加工淬硬锯齿等可以达到很高的金属切除率。

美国Connecticut 大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床,最高磨削速度可达

250m/s。2000年美国马萨诸塞州立大学的Malkin S 等人,以149m/s砂轮速度,使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅研究砂轮的地貌和磨削机理。

2.2.3 日本的发展情况

日本在20世纪70年代中期,不少工厂生产磨削速度为45m/s和60m/s的磨床,三井

精机于1972年生产了磨削速度为80m/s的高速磨床,切入成型磨铸铁工件,加工时间仅为59s 。1985年前后,在凸轮和曲轴磨床上,磨削速度达到了80m/s。1990年10月底在第五届“日本国际机床展览会”上,日本推出了磨削速度为120m/s的高速磨床。之后,开始开发 160m/s 以上的超高速磨床。1993年前后,使用单颗粒金刚石进行了250m/s超高速磨削试验研究。1996年日本又推出了125m/s CBN砂轮平面磨床。

至2000年,日本已进行500m/s超高速磨削试验。Shinizu 等人为了获得超高磨削速

度,利用改制的磨床,将两根主轴并列在一起;一根作为砂轮轴,另一根作为工件主轴,并使其在磨削点切向速度相反,取得了相对磨削速度为V S + V W的结果,砂轮和工件间的

磨削线速度实际接近1000m/s。

2.3 国内超高速切削技术发展情况

国内高速超高速磨削的发展自1958年,我国开始推广高速磨削技术。1964年,磨料

磨具磨削(三磨) 研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验,在机床改装和工艺 等方面获得一定成果。1975年10月,河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年,上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所等组成高速磨削试验小组对80、100m/s 高速磨削工艺进行了试验研究。

1982年10月,湖南大学进行了60 m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究,为发展高速

强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年,汉江机床厂使用陶瓷CBN 砂轮,进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。

在 2000年中国数控机床展览会上,湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮

轴磨床。从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计。

20世纪90年代至今,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功

了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kw 、最高砂轮线 速度达250m/s的超高速试验磨床。东北大学先后进行超高速磨削热传递机制研究,高速单颗粒磨削机理研究,200m/s电镀CBN 超高速砂轮设计与制造,超高速磨削温度场研究,磨削摩擦系数的研究,超高速磨削砂轮表面气流的研究,超高速磨削机理分子动力学的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果达到国际先进水平。

3 超高速切削技术发展趋势

3.1 难加工材料的超高速切削

难加工材料在工业和军事上的使用越来越广泛,由于材料的切削加工性能极低、导热性差、刀具磨损快,为此只能采用很低的切削速度。通过深入研究这类材料的切削特性,提高刀具稳定性,研制新型刀具材料及制作工艺,开发出相应的刀具系统,将使切削速度范围有较大的提高。[6]

3.2 刀具夹紧机构设计

对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具来说,刀具夹紧机构的安全可靠性是至关重要的。在高速端面铣削加工时,由于离心力作用,可转位刀片有可能被甩出,因此,应采取相应措施加以预防。

最近,工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧装置,刀片甩出问题有望得到妥善解决。主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC 时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设备的加工能力,必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。由于各

类产品从开发到生产的各个环节都将实现高效率化。因此,应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。

3.3 节省能源,实现绿色加工

当前,许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的20%~30%;而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容。采用干式切削方式,会从根本上改善切削的环境状态,节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。因此,希望开发出更加节省能源的机床,开发出更加实用的干式切削加工技术。

3.4高精度定位系统

采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时,机床的运动性能将直接影响到其加工精度。因此,要求机床在大进给速度条件下, 应具有高精度定位功能和高精度插补功能。

结 论

发展先进制造技术,振兴我国制造业,迎接新世纪的挑战乃是建立强大工业国家的根本。高速切削技术是先进的制造技术,有广阔的应用前景。推广应用高速切削技术不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量,降低成本,而且可以带动一系列高新技术产业的发展。我们应该加强高速切削技术的基础研究,建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准,提高机床和工具行业的开发创新能力,加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与产业化,把我国高速切削加工技术的应用推进到一个新水平。

参考文献

[1] 宋贵亮. 超高速磨削及应用[J].航空精密制造技术,2007,36(3):16 - 20.

[2] 荣烈润. 高速磨削技术的现状及发展前景[J].机电一体化,2005,(1):6-10.54第4期

[3] 于信汇,赵仲义,诸乃雄. 超高速切削技术的特点与发展过程[M].上海:同济大学,2008.

[4] 赵恒华,冯宝富,高贯斌等. 超高速磨削技术在机械制造领域中的应用[J].东北大学学报:

自然科学版,2010,24(6):564-568.

[5] 蔡光起,邱长伍. 超高速磨削的发展及关键技术[J].机械工程师,2006,(1):5-9.

[6] 冯宝富,赵恒华. 磨削磨料加工技术的最新进展[J].航空制造技术,2008,(4):31-40.


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