陳世平，曾凡宇，謝世列

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

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高速切削關(guān)鍵技術(shù)與展望

陳世平，曾凡宇，謝世列

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

闡述了高速切削加工中的工具系統(tǒng)、機(jī)床支撐部件、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。介紹了高速切削加工技術(shù)在模具制造、汽車制造及航空制造等領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了高速切削加工技術(shù)未來的研究方向，指出了新型難加工材料的刀具技術(shù)、復(fù)合材料切削形成機(jī)理、高速切削數(shù)據(jù)庫等將是未來高速切削研究中的主要問題。

高速切削；模具制造

高速切削加工技術(shù)的概念是由德國Carl.J.Salomon博士提出。他認(rèn)為任何材料都有一個臨界切削速度，當(dāng)切削速度未達(dá)到臨界切削速度之前，隨著切削速度的提高，切削溫度將持續(xù)增大，同時對刀具的磨損也將持續(xù)增大[1],如圖1所示，這將對工件的表面加工質(zhì)量和刀具的壽命產(chǎn)生不利的影響。但是隨著切削速度的大幅增加，當(dāng)切削速度超過臨界速度之后，溫度反而會下降，刀具的磨損、單位切削力也會下降，從而使工件的表面加工質(zhì)量、刀具的壽命、生產(chǎn)效率等都能得到提高。

圖1　薩洛蒙曲線

高速切削沒有統(tǒng)一的定義，通常是用切削速度來進(jìn)行界定，它比常規(guī)切削速度高5～10倍左右[2]。但這也只是一個相對的概念，因為不同的材料具有不同的常規(guī)切削速度范圍，因而其高速切削范圍也不盡相同。例如，鋁合金常規(guī)切削速度為2 000～7 500 m/min,鋼常規(guī)切削速度為600～3 000 m/min，超耐熱鎳基合金常規(guī)切削速度為80～500 m/min。目前高速切削技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中的一種重要加工方式，是國內(nèi)外在加工領(lǐng)域中的重要研究對象，對它的深入研究以及對以后發(fā)展趨勢的探討，對我國的制造業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。

1　高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

1.1高速切削工具系統(tǒng)

高速切削工具系統(tǒng)指的是刀具與機(jī)床主軸的連接系統(tǒng)，包括機(jī)床主軸、刀柄、刀具以及夾緊機(jī)構(gòu)，其中最主要的部分是刀柄與刀具。

1.1.1刀柄

如圖2所示，是錐度為7∶24的實心BT刀柄，這是在普通加工中常用的刀柄。該刀柄在機(jī)床主軸安裝時僅通過錐面對刀柄(含刀具)進(jìn)行軸向、徑向的定位。但是在高速切削狀態(tài)下，主軸每分鐘轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)，離心力使得主軸孔與刀柄的膨脹存在差異，于是主軸與刀柄之間就會出現(xiàn)一定量的間隙，使主軸與刀柄的接觸面減少，導(dǎo)致刀柄的軸向、徑向定位精度下降。

圖2　BT刀柄工具變形

于是，針對BT工具系統(tǒng)在高速加工存在的問題，出現(xiàn)了HSK、NC5、KM等刀具系統(tǒng)來改善BT刀具系統(tǒng)在高速加工中出現(xiàn)的問題，其中，HSK刀具系統(tǒng)是最典型的技術(shù)改良。

如圖3所示，HSK刀柄采用的是1∶10的空心短刀柄結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)侗c主軸內(nèi)孔完全接觸時，錐面起到了定位的作用，此時刀柄法蘭面與主軸面之間還存在約0.1 mm的間隙。在夾緊力的作用下，拉桿向左移動，前端的彈性夾爪在錐面的作用下向兩側(cè)張開，此時，夾爪的外錐面頂在空心錐柄的內(nèi)孔30°的錐面上，刀柄法蘭面與主軸面的重合消除了約0.1 mm的間隙，實現(xiàn)了錐面與法蘭面的徑向與軸向的雙面定位[3]。

在機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)情況下，一方面，由于刀柄法蘭面的過定位解決了刀柄軸向串動的問題，所以使得刀具的軸向精度得到提高。另一方面，因為HSK刀柄空心結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得由離心力引起的刀柄與主軸孔膨脹差異得到減小，從而保證了主軸孔與刀柄之間不會出現(xiàn)間隙，于是，刀具的徑向精度也得到了提高。

圖3　HSK刀柄工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2刀具

由于高速切削加工的加工速度比常規(guī)速度高，所以，對刀具的各方面都有新的要求，如結(jié)構(gòu)、材料、幾何參數(shù)等。另一方面，零件的表面加工質(zhì)量和加工效率，很大程度上也都由刀具決定。

因為主軸的回轉(zhuǎn)速度高，所以要防止刀片飛出或者爆裂，以及高回轉(zhuǎn)速度下離心力引起的刀柄彎曲，來保證工人的生命安全。同時，刀具系統(tǒng)的剛度也要足夠高，剛度不足將會引起刀具的震顫、傾斜等，從而影響工件表面的加工質(zhì)量。隨著新材料的不斷出現(xiàn)，刀具也要適應(yīng)新材料的加工。研究發(fā)現(xiàn)[4]，高速切削一般加工的是一些難加工的材料，所以刀具的硬度要求達(dá)到HRC60以上，刀具的強(qiáng)度和耐磨性才會越好。目前，國內(nèi)外常用的高速切削刀具主要有：聚晶立方氮化硼刀具(PCBN)、聚晶金石刀具(PCD)、涂層硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具等[5-6]，他們各有特點(diǎn)。如航空工業(yè)上常用到的鈦合金，它高溫強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率小、彈性模量低以及化學(xué)活性高，使得加工非常困難[4]，就需要用涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工。

另外，在高速切削不同材料的時候，刀具的幾何參數(shù)也對工件的表面加工質(zhì)量和刀具的壽命有很大的影響。高速加工刀具前角比傳統(tǒng)刀具小，一般在10°左右，后角大5～8°左右，主、副切削刃連接處采用修圓刀尖或倒尖，以提高刀具的剛度，根據(jù)不同的加工材料選擇不同的刀具幾何參數(shù)。例如美國Carboloy公司推出的一種適用于干切削用的ME13硬質(zhì)合金刀片，就具有大前角(達(dá)到34°)。

1.2機(jī)床支撐部件

床身、立柱、刀架、工作臺、升降臺是機(jī)床的主要支撐部件。為了克服在高速加工下產(chǎn)生的振動[7]，減小刀具的顫振，抵抗熱變形，就要求支撐部件具有良好的抗振性、熱穩(wěn)定性，以及很好的剛度。對于床身、立柱這些基體一般采用灰鑄鐵，或者是熱膨脹系數(shù)比灰鑄鐵低1/3的高鎳鑄鐵。同樣，也有用單位質(zhì)量比鑄鐵輕的聚合混凝土等材料來制作。同時，對機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化設(shè)計，目前，對機(jī)床整體設(shè)計一般利用有限元或“多體系統(tǒng)”進(jìn)行動力仿真，最優(yōu)化設(shè)計出機(jī)床支撐部件的結(jié)構(gòu)，來提高機(jī)床支撐部件的整體穩(wěn)定性[8-9]。

1.3主軸系統(tǒng)

目前，高速切削機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速一般都可以達(dá)到 10 000 r/min,甚至有的加工工藝要求達(dá)到 60 000～100 000 r/min，主軸功率大于15 kW。對于回轉(zhuǎn)精度、主軸的剛度、熱變形都有嚴(yán)格的要求，并且要在短時間內(nèi)實現(xiàn)加速、準(zhǔn)停等。傳統(tǒng)的帶傳動、齒輪傳動等機(jī)械傳動的方式噪聲大、效率低、振動損耗大，無法滿足高速切削的要求。于是，集成電主軸就成為了現(xiàn)代高速機(jī)床的發(fā)展方向，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、傳動效率高的特點(diǎn)。主要有兩種集成形式，一種是把電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸合二為一，如圖4所示，直接把電機(jī)轉(zhuǎn)子作為主軸使用，沒有中間環(huán)節(jié)的傳動，使主軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到數(shù)十萬轉(zhuǎn)，同時，軸承采用電磁軸承、液體靜壓軸承、陶瓷軸承或者空氣軸承來對主軸進(jìn)行支撐，其中，電磁軸承能很好地滿足高速電主軸的速度要求。潤滑方式一般采用油氣潤滑或噴霧潤滑。對主軸的冷卻技術(shù)一般采用內(nèi)部循環(huán)水冷或氣冷。另一種集成方式是通過聯(lián)軸器直接把電機(jī)軸與主軸進(jìn)行連接，但是這樣的方式存在中間傳遞環(huán)節(jié)，使高速效果有所下降。

1.主軸箱體； 2.主軸前軸承； 3.主軸； 4.冷卻液進(jìn)口； 5.主軸前軸承座； 6.前軸承冷卻套； 7.定子； 8.轉(zhuǎn)子； 9.定子冷卻套； 10.冷卻液出口； 11.主軸后軸承。

圖4高速電主軸結(jié)構(gòu)

1.4進(jìn)給系統(tǒng)

高速機(jī)床要求進(jìn)給系統(tǒng)與主軸的轉(zhuǎn)速要有相匹配的高速進(jìn)給來保證順利、高效地完成高速加工。而傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)采用的是滾珠絲杠螺母副的方式，剛度、傳動效率都比較低。更重要的是，目前的高速機(jī)床一般都要求進(jìn)給加速度能達(dá)到1g～2g，有些機(jī)床甚至要求達(dá)到2g～10g，而滾珠絲杠的加速度不能很好地滿足高速機(jī)床的進(jìn)給要求。直線電動機(jī)進(jìn)給傳動系統(tǒng)的出現(xiàn)則很好地滿足了目前高速加工的要求。

直線電機(jī)可以看作是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的變形，如圖5所示?？梢栽O(shè)想，將一個旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿某一半徑剪開，將電機(jī)展開成直線，就形成了扁平的直線電機(jī)。這種形式的傳動優(yōu)點(diǎn)在于實現(xiàn)了“零傳動”，使傳動的精度變高，并且它的速度快、加速度高、響應(yīng)速度快、傳遞剛度高。但是也存在由電動機(jī)電流引起的發(fā)熱嚴(yán)重、移動部件質(zhì)量較重的缺點(diǎn)[10-11]。

圖5　直線電機(jī)展開原理

1.5冷卻潤滑系統(tǒng)

在進(jìn)行高速切削時，一方面，由于主軸極高的轉(zhuǎn)速，在切削區(qū)形成高溫高壓，使傳統(tǒng)的潤滑液難以形成潤滑油膜，對刀具進(jìn)行潤滑保護(hù)；另一方面，在離心力的作用下，切削液也很難到達(dá)切削加工的區(qū)域，不能達(dá)到很好的冷卻效果。因此，針對高速切削的特點(diǎn)，目前一般采用的是油氣潤滑冷卻的干式切削方式。通過7～12 MPa的高壓，將少量的潤滑液精準(zhǔn)的噴向切削區(qū)域，在高壓高速下，切削液迅速霧化成油氣在工件與刀具之間形成油膜，達(dá)到潤滑的效果，同時，高壓產(chǎn)生的氣流可以吹掉切屑，并且起到冷卻降溫的作用。通過調(diào)整壓力的大小，可以實現(xiàn)對切屑形狀、大小的控制[12],從而更進(jìn)一步對切屑形成的機(jī)理進(jìn)行研究。

2　高速切削技術(shù)的應(yīng)用

2.1在模具制造業(yè)上的應(yīng)用

隨著新型材料的不斷產(chǎn)生，模具已經(jīng)成為生產(chǎn)各種材料產(chǎn)品的重要工具，比如塑料、橡膠、合成材料，精沖加工等均需要模具來成形。目前的模具型面大多是由復(fù)雜的高次函數(shù)曲面組合而成，并且硬度較大，可以達(dá)到50HRC。模具傳統(tǒng)的加工方式是在工件進(jìn)行退火處理后進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行熱處理、電火花加工等，再進(jìn)行手工拋光打磨，需要一個復(fù)雜的流程[13]，而且，電火花加工的表面質(zhì)量不高，制造周期長，甚至對于一些復(fù)雜的曲面形狀結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行加工。但是，通過三軸或五軸聯(lián)動加工中心機(jī)床[14]，采用高速切削加工技術(shù)，能夠?qū)?fù)雜曲面進(jìn)行超精密加工，可以很好地解決模具加工中的一些問題。所以，在當(dāng)前模具制造業(yè)中，可以擴(kuò)大高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用，來適應(yīng)市場的發(fā)展。

2.2在汽車制造業(yè)上的應(yīng)用

高速切削加工技術(shù)在汽車零件制造方面的應(yīng)用，一方面體現(xiàn)在制造汽車零件毛坯的模具，例如生產(chǎn)車身和一些覆蓋件的沖壓模具[15]，生產(chǎn)曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛壓模具[16]，這些模具材料硬度較高，并且型腔比較復(fù)雜，通過高速切削加工技術(shù)能夠很好地對其進(jìn)行加工。另一方面，如汽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋這種箱體類零件孔系多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要高效、精密地對其進(jìn)行加工[17]。運(yùn)用高速切削技術(shù)對這些汽車典型零件進(jìn)行加工制造能很好地滿足質(zhì)量的要求。

2.3在航天航空業(yè)上的應(yīng)用

在航空工業(yè)中，鋁合金、鈦合金、超耐熱合金等材料的運(yùn)用不斷增多，所帶來的加工難度也同樣增大。傳統(tǒng)的航空零件是通過焊接和鉚釘而成[18]，為了提高零件的安全性能就必須要對這些零件進(jìn)行整體加工。高速切削技術(shù)最早運(yùn)用在航空制造業(yè)上，它的切削速度快、切削力小、切削溫度低這些特點(diǎn)能夠滿足航空零件的加工要求。航空零件一般是薄壁型的零件[19]，運(yùn)用的材料也屬于難加工的材料，高速切削不僅能高效地切除材料，同時也可以避免對零件造成加工變形。既可以提高零件的可靠性，也能減少零件的數(shù)量。因此，高速切削技術(shù)在航空工業(yè)上的運(yùn)用具有很大的優(yōu)勢。

3　高速切削技術(shù)的展望

高速切削技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)之一，在國際上發(fā)展歷史不長，而我國對它的研究時間也更短。所以，需要解決的各類難題還有很多，并且隨著新材料新工藝的不斷產(chǎn)生，目前對高速切削加工技術(shù)有著更多的發(fā)展要求：

1) 隨著新型難加工材料，如鈦合金、超耐熱合金等的不斷涌現(xiàn)，對它們進(jìn)行加工的刀具材料、磨損檢測、使用壽命是新的研究熱點(diǎn)與方向；

2) 在高速加工環(huán)境下，鋸齒形的切屑形成是其最典型的特征；然而，隨著新型材料的不 斷出現(xiàn)，目前對于復(fù)合材料的切削形成機(jī)理研究也是研究的趨勢與熱點(diǎn)；

3) 裝備制造業(yè)正在朝著節(jié)能、高效、綠色的方向發(fā)展[20]。因此，對冷卻潤滑技術(shù)的研究也將會是熱門方向，目前，微量潤滑技術(shù)(MQL)在工業(yè)上的運(yùn)用還不廣，因為在這種條件下切削存在著比較嚴(yán)重的黏結(jié)磨損，所以，對這方面的研究還有很大的挑戰(zhàn)；

4) 目前，國內(nèi)外的一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)針對不同的材料、刀具、零件等建立起了不同的切削數(shù)據(jù)庫，然而隨著材料、刀具、工藝的不斷更新，這些數(shù)據(jù)庫也具有較強(qiáng)的時效性，因此，當(dāng)下的云計算、大數(shù)據(jù)擬合可以建立起更加智能、柔性的切削數(shù)據(jù)庫，來滿足不同產(chǎn)業(yè)的加工需求。

4　結(jié)束語

高速切削技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中的新型制造技術(shù)，在以后將會對機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生更大的推動作用，在國家“2025中國制造”背景下，高速切削技術(shù)有著巨大的前景。但是，我國的高速切削技術(shù)所處的階段還比較低，與西方國家相比差距還較大，所以，在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和實際加工中還有待更深入的研究與突破?？傊咚偾邢骷庸ぜ夹g(shù)在今后必將有更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。

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(責(zé)任編輯楊文青)

Key Technology and Prospect of High Speed Cutting

CHEN Shi-ping, ZENG Fan-yu, XIE Shi-lie

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

The key technologies of high speed cutting, such as tool system, support components of machine tool, spindle system, feed system and cooling system were described. The application of high speed cutting technology in mould manufacture, automobile manufacture and aviation manufacturing were introduced. The future research direction of high speed cutting technology was prospected, and it pointed out that the cutting tool technology of new materials which is difficult to machine, the cutting mechanism of the composite material and the high speed cutting database will be the main problems in the future research of the high speed cutting technology.

high speed cutting; mould manufacture

2016-07-15

企業(yè)委托項目(2015Q158)

陳世平(1962—)，男，重慶人，教授，主要從事機(jī)械制造研究，E-mail：chenshiping@cqut.edu.cn。

format：CHEN Shi-ping, ZENG Fan-yu, XIE Shi-lie.Key Technology and Prospect of High Speed Cutting[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):71-75.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.011

TG506.1

A

1674-8425(2016)10-0071-05

引用格式：陳世平，曾凡宇，謝世列.高速切削關(guān)鍵技術(shù)與展望[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(10):71-75.