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高速切削（HSC）技術(shù)、裝備及應(yīng)用初探
高速切削（HSC）技術(shù)、裝備及應(yīng)用初探
來(lái)源：中國(guó)刀具商務(wù)網(wǎng)
       
核心提示：高速切削技術(shù)是當(dāng)前各高校研究的重要課題之一，文章從高速切削的提出、所用裝備和應(yīng)用等方面較具體的介紹了高速切削的一些基本知識(shí)。
當(dāng)前以高速切削為代表的干切削、硬切削等新的切削工藝已經(jīng)顯示出很多的優(yōu)點(diǎn)，成為制造技術(shù)提高加工效率和質(zhì)量、降低成本的主要途徑。

一、高速切削技術(shù)

高速切削的提出

1931年，德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙博士提出一個(gè)假設(shè)，即同年申請(qǐng)德國(guó)**的所羅門原理：被加工材料都有一個(gè)臨界切削速度，在切削速度達(dá)到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5～6倍時(shí)，切削刃口的溫度開(kāi)始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小。切削塑性材料時(shí)，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但進(jìn)給速度低，切削力大。實(shí)踐證實(shí)隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀發(fā)展，所需單位切削力在初期呈上升趨勢(shì)，而后急劇下降，這說(shuō)明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機(jī)理也不同。

現(xiàn)代高速切削技術(shù)的概念

所羅門原理出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行高速度切削，從而提高生產(chǎn)率。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學(xué)研究所證實(shí)。但這一原理的成功應(yīng)該不只局限于此。高速切削技術(shù)是切削技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的角度去確切定義高速切削，目前還沒(méi)有取得一致，因?yàn)樗且粋€(gè)相對(duì)概念，不同的加工方式，不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數(shù)。這里包含了高速軟切削、高速硬切削、高速濕切削和高速干切削等。

事實(shí)上，高速切削技術(shù)是一個(gè)非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涵蓋了機(jī)床材料的研究及選用技術(shù)，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高性能CNC控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統(tǒng)，高精度快速進(jìn)給系統(tǒng)，高性能刀具夾持系統(tǒng)，高性能刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高效高精度測(cè)試測(cè)量技術(shù)，高速切削機(jī)理，高速切削工藝，適合高速加工的編程軟件與編程策略等諸多相關(guān)的硬件和軟件技術(shù)。只有在這些技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，建立起來(lái)的高速切削技術(shù)才具有真正的意義。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能，必須是CAD/CAM系統(tǒng)、CNC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、機(jī)床、刀具和工藝等技術(shù)的**組合。

高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點(diǎn)

該項(xiàng)新技術(shù)始于20世紀(jì)80年代初期，美、德、法等國(guó)處于**地位，英、日、瑞士等國(guó)亦追蹤而上，至上世紀(jì)80年代后期，在上述國(guó)家里已形成了新興的產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)值已達(dá)數(shù)十億美元，并正在逐年上升。近期我國(guó)臺(tái)灣省亦已起步，但大陸尚屬空白。同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所已跟德國(guó)Darmstadt大學(xué)建立了項(xiàng)目合作關(guān)系，并獲得初步成果。

按目前看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的航空、汽車、動(dòng)力機(jī)械、模具、軸承、機(jī)床等行業(yè)首先受惠于該項(xiàng)新技術(shù)，使上述行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。超高速切削技術(shù)是未來(lái)切削加工的方向，也是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。

二、高速切削的技術(shù)裝備

高速切削機(jī)床

高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。在現(xiàn)代機(jī)床制造中，機(jī)床的高速化是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。在要求機(jī)床高速的同時(shí)，還要求機(jī)床具有高精度和高的靜、動(dòng)剛度。

為了適應(yīng)粗精加工，輕重切削和快速移動(dòng)，同時(shí)保證高精度，性能良好的機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵因素。其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾項(xiàng)：

1．高速主軸。高速主軸是高速切削機(jī)床的核心部件，在很大程度上決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設(shè)計(jì)方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤(rùn)滑冷卻、動(dòng)平衡、噪聲等多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，隨著對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求的不斷提高，傳統(tǒng)的齒輪———皮帶變速傳動(dòng)系統(tǒng)由于本身的振動(dòng)、噪音等原因已不能適應(yīng)要求，取而代之的是一種新奇的功能部件———電主軸，它將主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一，實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。電主軸采用了電子傳感器來(lái)控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持恒溫，一般可控制在20°～25°范圍內(nèi)某一設(shè)定溫度，精度為±0.7°，同時(shí)使用油霧潤(rùn)滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使主軸免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、高精度。

2．高速精密軸承。高速軸承是高速切削機(jī)床的核心，是決定高速主軸壽命和負(fù)載容量的*關(guān)鍵部件。

磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是用電磁力將主軸無(wú)機(jī)械接觸地懸浮起來(lái)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)45000r/min，功率為20kW，精度高，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷和監(jiān)控，是理想的支承元件，但其價(jià)格較高。

液體動(dòng)靜**承。采用流體動(dòng)、靜力相結(jié)合的辦法，使主軸在油膜支撐中旋轉(zhuǎn)，具有徑、軸向跳動(dòng)小、剛性好、阻尼特性好，適于粗、精加工，壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但其無(wú)通用性，維護(hù)保養(yǎng)較困難。

混合陶瓷軸承。用氮化硅制的滾珠與鋼制軌道相組合，是目前在高速切削機(jī)床主軸上使用*多的支承元件，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)離心力小，剛性好，溫度低，壽命長(zhǎng)，功率可達(dá)80kW，轉(zhuǎn)速高達(dá)150000r/min，它的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于維護(hù)，價(jià)格低。淘寶網(wǎng)女裝春裝新款面膜曬后修復(fù)產(chǎn)品潤(rùn)唇**肉堿哪個(gè)牌子好好用晚霜哪種好曬后*好的肌膚清潔是哪個(gè)

3．高速伺服系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，機(jī)床不但要有高速主軸，還要有高速的伺服系統(tǒng)，這不僅是為了提高生產(chǎn)效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件。

直線電機(jī)伺服系統(tǒng)。直線電機(jī)是使電能直接轉(zhuǎn)變成直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種推力裝置，將機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能靈敏、傳動(dòng)剛度高、精度高、加減速度大，行程不受限制、噪音低、成本較高，在加速度大于1g的情況下，是伺服系統(tǒng)的**選擇。

滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置。滾珠絲杠仍是高速伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)裝置，用AC伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并采用液**承，進(jìn)給速度可達(dá)40～60m/min，其加速度可超過(guò)0.6g，成本較低，僅為直線電機(jī)的1/2.5。

4．高性能的CNC控制系統(tǒng)。

高速切削刀具

刀具是機(jī)械加工重要的技術(shù)裝備之一。由于離心慣性力隨著轉(zhuǎn)速升高而迅速增大，高速主軸端部同刀柄頭部的給合在結(jié)構(gòu)和尺寸方面有許多非凡之處。目前基本采用HSK形式和系列，需要根據(jù)機(jī)床主軸參數(shù)來(lái)確定刀柄參數(shù)，使它們相符吻合。由于切削和進(jìn)給速度高，HSC加工中刀具的壽命一般會(huì)降紙，需要從刀具材料、幾何參數(shù)、懸伸長(zhǎng)度以及切削參數(shù)、切削幾何關(guān)系、走刀路線、潤(rùn)滑冷卻等各方面采取措施，盡可能減少壽命的降低。

HSC刀具與普通刀具前后角相比，一般HSC比普通切削的前角約小10°，后角約大5°～8°。同時(shí)HSC刀具的切削部位應(yīng)盡量短，以提高刀具的剛性和減小刀刃的破損率。

HSC刀具需選用能適應(yīng)高速切削的材料。為了獲得較高的工件加工質(zhì)量及*佳壽命時(shí)間，除硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、涂層切削材料和切削陶瓷外，還采用了單晶體和多晶體的切削材料。這些切削材料除技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足占有重要位置的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能的要求。在HSC加工中，選用PKD和CBN可顯著提高加工效率。

除選擇合適的刀具材料外，在刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)考慮在離心力作用下刀具構(gòu)件固定的可靠性，并注重符合“平衡”的結(jié)構(gòu)。需要對(duì)刀具進(jìn)行*高轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)。此外，在制造刀具時(shí)，其良好的工藝性也是很重要的。有價(jià)值的和可靠的制造方法，對(duì)從刀具的預(yù)處理直至刀刃的制作都具有決定性的意義，非凡是對(duì)帶有PKD或CBN刀片的刀具更是如此。

為了使在應(yīng)用HSC刀具時(shí)達(dá)到*高加工質(zhì)量和*佳經(jīng)濟(jì)性能，不僅應(yīng)考慮刀具本身，同時(shí)也應(yīng)考慮刀具和夾緊系統(tǒng)的接口部分，即主軸和刀具連接面及工件安裝的穩(wěn)定性。對(duì)接口部分和接長(zhǎng)桿而言，非凡重要的是徑向擺動(dòng)精度、懸臂長(zhǎng)度、振動(dòng)性能和可換性。為了達(dá)到圓柱刀柄在精加工時(shí)對(duì)徑向擺動(dòng)精度的要求，首先選用液壓夾頭、收縮夾頭和力壓縮夾頭的連接方式，這些夾頭和HSC接口相配時(shí)，其徑向擺動(dòng)精度可以達(dá)到0.003mm。

HSC機(jī)床的配套裝備

1．為了縮短輔助工時(shí)，絕大多數(shù)HSC機(jī)床都配有15～30刀位以上的刀具庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，成為HSC加工中心；
2．冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)是不可少的配套裝備，其中包含自動(dòng)對(duì)機(jī)床各部進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑的功能和排屑功能；
3．電子手輪和CAD/CAM系統(tǒng)與高速CNC系統(tǒng)的接口，是影響到機(jī)床操作控制性能的必要配套裝置；
4．能夠自動(dòng)測(cè)量刀具的直徑、長(zhǎng)度和進(jìn)行破損檢測(cè)的激光或紅外線系統(tǒng)；
5．測(cè)頭能夠安裝到主軸上用以探測(cè)工件輪廓型面的紅外線測(cè)量裝置；
6．為了減少發(fā)生故障后，停機(jī)等待修復(fù)的時(shí)間，在機(jī)床臺(tái)數(shù)多、利用率高的情況下，備用一根高速主軸。

HSC機(jī)床的**防護(hù)裝置，包括硬件和軟件，要保證即使在發(fā)生刀具破裂而高速?gòu)楋w出來(lái)的極端情況下，仍然能夠可靠地保護(hù)操作使用者的人身**，并且能夠預(yù)防機(jī)床部件、刀具、工件之間產(chǎn)生意外的干涉碰撞。

三、高速切削目前主要應(yīng)用領(lǐng)域

大批生產(chǎn)領(lǐng)域
如汽車工業(yè)，如美國(guó)福特汽車公司與Ingersoll公司合作研制的HVM800臥式加工中心及鏜汽缸用的單軸鏜缸機(jī)床以實(shí)際用于福特公司的生產(chǎn)線。
工件本身剛度不足的加工領(lǐng)域
如航空航天工業(yè)產(chǎn)品或其他某些產(chǎn)品，如Ingersoll公司采用高速切削工藝所銑削的工件*薄壁厚僅為1mm。
加工復(fù)雜曲面領(lǐng)域
如模具工具制造。
難加工材料領(lǐng)域
如Ingersoll公司的“高速模塊”所用切削速度為：加工航天航空鋁合金2438m/min，汽車鋁合金1829m/min，鑄鐵1219m/min，這均比常規(guī)切削速度高出幾倍到幾十倍。

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