超高速切削的技術體系、技術現狀和發展趨勢

趙 鵬 ，趙 旭

1.中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410012

2.燕山大學，湖南 長沙 410012

現代工業技術的發展技術不斷發展，車床加工的工藝也逐漸向精細化、自動化發展。在這種環境下，機床材料與結構、機床設計、快速給進系統、自動化制造技術、高性能刀架系統、高速軸承系統、高性能切削技術、高性能刀具等多方面的軟硬件技術充分發展，以此為基礎綜合發展而出現了較為復雜的工業系統工程的高速切削技術。

1 超高速切削技術的優越性

在現代工業科學技術的不斷發展進步中，高速與超高速切削刀具與機床設備等關鍵技術取得了突破性的進展，使得朝高速切削工藝逐漸走向成熟。超高速切削工藝技術不斷進步，切削速度范圍不斷擴展，在實際的生產應用過程中，鋁合金的超高速切削速度已經能夠達到每分鐘1500m～5500m，鑄鐵的超高速切削速度為每分鐘750m～4500m，普通剛的切削速度為每分鐘600m～800m，給進速度達到每分鐘20m～40m。隨著現代工藝的發展，超高速切削的技術還在不斷發展，實驗室中鋁合金的切削速度已經超過了每分鐘6000m，給進加速度已經能夠達到3倍重力加速度。超高速切削的具體特點與優勢包括以下幾點。

1.1 可提高生產效率

在機床加工的切削過程中，生產效率的提高是核心。而生產效率的主要影響因素包括加工系統的自動化程度、機床機械的動作時間與輔助加工時間。根據文獻資料，機床主軸給進與轉動的速度大幅度提高，使得加工時間減少一半，從而簡化了機床的機械結構，減少了1/4的零件數量，簡化了維護的過程。

1.2 可獲得較高的加工精度

現代機械技術的發展，減少了1/3以上的切削力，使得工件的加工精度增加。由于減少了變形程度，降低了切削熱量向工件的傳導，能夠使工件的溫度加熱程度減少，減少了熱變形程度，從而提高了加工精度。在大型薄板件、框架見、薄壁槽型件的加工過程中，要實現加工過程的高效率與高精度，主要的有效加工方式即為超高速切削。

1.3 能獲得較好的表面完整性

生產效率不斷提高的工藝改進中，能夠實現進給量的減少，以較小的進給量增加加工表面的光滑程度，同時切削力改變幅度降低且減少切削力的作用，工藝系統的固有頻率相比機床激振頻率小很多，所有振動對加工工件表面質量的影響較小，切削熱傳人工件的比率大幅度減少，加上表面的受熱時間短，切削溫度低，加工表面可保持良好的物理力學性能。

2 超高速磨削技術的現狀與發展趨勢

20世紀60年代初，高速磨削的砂輪速度曾一度達到90m/s，但更多的還是在45m/s～60m/s之間使用。20世紀70年代初，高速磨削在各工業發達國家得到較快的發展，砂輪圓周速度基本達到80m/s～90m/s，少數磨床砂輪線速度達到120m/s。高速磨削作為最早開發應用的一種高效磨削技術曾風靡一時，但是，高速磨削并未按原先預料的方向發展。通過研究，高速磨削時，一方面由于磨屑厚度變小，磨削能會增加，磨削熱增加；另一方面磨削液難以進入磨削區，使傳入工件的熱流比例增大。這就使工件受熱變形和表面燒傷等成為限制砂輪速度進一步提高的主要因素。此外，早期的高速磨削技術在當時技術水平下還受到了普通砂輪的強度、普通磨料的耐磨性、機床結構和成形砂輪修整等多方面因素的制約。高速磨削技術在一段時間內發展緩慢，只是在對磨削溫度沒有限制的高效磨中，砂輪速度發展到120m/s。在20世紀50年代末，德國的ELB磨床公司首創了另一種高效磨削加工方法——緩進給磨削，即砂輪的線速度保持普通磨削時的水平，而加大切削深度，降低工件進給速度，使砂輪像銑削那樣工作，從而提高材料去除率，獲得磨削的精度和表面粗糙度。緩進給磨削幾乎是同高速磨削同時發展起來的一種高效磨削技術。自1963年緩進給磨削機床正式投入工業應用以來，一直受傳統砂輪速度(u。＜35m/s)的限制。人們普遍認為高砂輪速度不適合于深磨場合，因為砂輪速度的提高會引起磨削溫度上升，導致磨削燒傷的危險性增加。

1979年，德國的P.G.Wemer博士預言了高效深磨區存在的合理性，Wemer在試驗基礎上將緩進給磨削的深磨機制推廣到高速磨削領域，提出了高效深磨的新概念。該磨床成功應用于螺桿齒輪、絲杠、工具溝槽、轉子槽、齒槽等零件的機械加工中，用磨削加工代銑加工。在這種情況下，外界才真正開始意識到HEDG技術的巨大能量，并受到全世界的極大關注。HEDG技術將傳統的磨削加工工藝提高到了難以想象的程度，材料去除率Q+達到50-1000m3/(mm·s)，磨削比一般在20000以上。這種技術能夠實現零件毛坯到成品的直接加工，同時結合粗加工與精加工，與傳統銑削、車削加工工藝相比較，極大程度提高了加工效率、縮短了加工時間。HEDG真正使磨削實現了高效優質的結合，因而被譽為磨削技術發展的高峰。近年來，隨著人造金剛石和立方氮化硼超硬磨料砂輪的推廣應用和高速磨削機制研究的進一步深入，高速磨削得以再度興起，并實現了砂輪線速度高于普通磨削5倍～6倍的超高速磨削。20世紀80年代末期，市場上已出現了80m/s～120m/s的磨床，實驗室的磨削速度已達230m/s。德國居林公司已制造出砂輪線速度為14m/s～160m/s的CBN磨床，現在工業上實用磨削速度已達到了150m/s～250m/s，實驗室中達到400m/s，并表現出非常優異的磨削效果。

3 結論

超高速切削對機床結構的要求是最基本的關鍵技術，其技術包括直線驅動告訴進給系統、主軸結構改進單元、數字控制與伺服驅動的高性能系統、超高速切削刀具技術工藝與配套系統、實時監控系統、穩定的安全裝置、高效的冷卻系統、高阻尼和高剛度的機床床體結構、方便可靠的換刀裝置、良好的動態特性和熱特性。

此外，超高速切削工藝也非常重要，忽視這點也很難實現高速與超高速切削。

[1]宋昌才.高速機床與高速切削在現代機械加工中的應用[J].新技術新工藝，2002(9):2-5.

[2]陳煒.現代機械加工中高速切削的應用[J].太原科技，2003(4):80-81，83.