高速切削工艺发展若干问题的探讨

作者：陈明 袁人炜 严隽琪

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 高速切削技术因大幅度节省切削工时并实现高效精密生产，被视为现代制造技术的里程碑。 1 高速切削技术国外研究现状 高速切削技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的。德国Darmstadt工业大学PTW所以舒尔茨教授为核心的科研小组和日本京都大学工学研究科以垣野教授为核心的课题组均已研制出商品化的高速切削机床，在德国和日本的企业界，都分别享有较高的声誉。 舒尔茨教授在德国政府强有力的资助下，联合18家企业，共同攻关，从1984年到1989年，完成高速切削机床各相关硬件与软件的开发，研究水平超过了当时居领先地位的美国。1993年，直线电机的出现拉开了高速进给的序幕，从而也使高速切削技术走向成熟应用阶段。目前，PTW所研制的高速机床已在德国许多企业里应用。高速立式铣削加工中心是该所特色产品，实用化的主轴转速为60,000r/min，最快进给速度X、Y、Z轴均为60m/min，加速度为2.5g，重复定位精度±1μm。PTW所在研制高速切削机床的同时，还在高速切削工艺方面进行深入研究，在有色轻金属、复合材料、铸铁及模具钢等高速切削机理研究方面形成系统理论，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性为目标，对高速切削工艺进行优化，对指导高速切削生产起到很大作用。研究内容有各种材料高速切削过程中切屑形成机理，刀具材料及切削参数优化，面向高速切削过程的CAD/CAM系统开发，刀夹系统安全性设计，刀具结构设计及动平衡，刀具空间位姿及走刀路径控制，少量气束喷雾冷却技术等。该所高速切削研究成果已应用于汽车发动机、飞机框架构件及涡轮叶片的制造。 垣野教授联合9家企业，于1996年研制出日本第一台商品化卧式高速切削加工中心，该加工中心主轴转速30000r/min，最大进给速度80m/min，加速度为2g，重复定位精度±1μm。同时也致力于高速切削工艺研究，主要内容包括高速切削工艺数据库，高速切削刀具磨损破损机理，切屑控制，高速切削过程CAD/CAM系统开发及质量控制等，从而加速高速切削技术产业化进程。目前，垣野研究室研究成果在日本企业界甚至在国际上均产生重大影响。 2 国内高速切削研究成果及存在问题 我国在90年初开始有关高速切削机床及工艺的研究。研究内容包括水泥床身、超高速主轴系统、全陶瓷轴承及磁悬浮轴承、快速进给系统、有色金属及铸铁超高速切削机理与适应刀具等方面。通过我国科技工作者的艰苦工作，各项关键技术都取得了显著进展。部分单项技术指标可达国际先进水平。然而高速切削机床是诸多高新技术的高度集成，并且在一定的市场需求驱动下才能真正发展起来。目前，真正应用于工业生产的完全由我国自行开发的国产高速切削机床还没有。从在北京举办的1998年第4届中国机床工具商品展览交易会的机床展品中，可以看出国产机床概况：车床的最高转速小于3000 r/min，加工中心40号主轴的转速小于6000 r/min，50号主轴的转速小于4000 r/min，进给速度小于20 m/min，无内藏式电机主轴及直线电机的机床样品展出，展出的加工中心均无实物加工展示。 高速切削是建立在制造技术全面发展的基础上的，一方面是数控机床的主机结构和数控系统具备了更高的刚性、更快的运动速度和精度，另一方面是各种刀具材料性能显著改善，以及新型刀具材料和涂层工艺的开发和推广应用，性能更耐磨、更可靠，价格相对低廉的刀具材料成为发展高速切削的可靠保证。 国内在高速切削工艺研究方面取得了许多成果，尽管不能形成系统理论，但毕竟为推动高速切削技术的应用做出了贡献。目前我国在陶瓷刀具材料、细颗粒和超细粒牌号的硬质合金、涂层硬质合金及陶瓷、金刚石薄膜涂层刀具和CVD沉积厚膜刀具、立方氮化硼刀具等方面，开发及应用均形成一定规模，为实现高速切削提供适用的刀具。本课题组为某汽车公司发动机高速切削生产线刀具国产化做了有益的工作，直接经济效益非常可观；为某飞机公司平尾上壁板铝合金构件的高速铣削工序设计研制专用的立铣刀，取得了稳定可靠的高质量和显著的经济效益。在铝合金结构件的数控加工中，常规的铣削用量是转速4500～6000r/min，进给速度1000mm/min，径向切深5～30mm，轴向切深5mm，刀具为普通立铣刀YG6；使用本课题组提供的专用立铣刀YG6时，铣削用量为转速12000～15000r/min，进给速度2400mm/min，径向切深5～30mm，轴向切深10mm。加工质量完全符合图纸要求，刀具具有良好切削性能，生产率提高1.6倍，实际工时节约62.5%，刀具寿命按加工量计算提高约30%，该工序每年节约150万元。 由于高速切削具备一系列显著优点，因而首先受到航空航天、汽车、模具等行业的青睐，这些部门进口的高速切削机床已颇具规模。然而，由于国内缺乏高速切削基础理论体系和工艺技术应用系统研究，因而高速切削生产中缺乏可靠的技术指导，生产中工艺不尽合理，没有充分发挥高速切削所固有的高效精密的优势。其原因归纳如下： 1) 高速切削技术在切削原理上是对常规切削的重大突破，在切削加工工艺安排、切削用量选择及刀具应用等方面有较大的特殊性，普通切削工艺及传统刀具不能满足高速切削技术要求，而这一点往往没有被实际操作人员认识。 2) 生产实际中缺乏较全面的实用化的高速切削工艺数据库。 3) 高速切削刀具未形成系列化、标准化。 3 高速切削工艺的战略地位 在各个国家的生产力构成中，制造技术的作用往往占60％左右，各种高科技只有通过制造技术才能形成产品。由于历史的原因，我国的制造技术发展曾受到一些冷遇，尤其是工艺知识没有被重视，产品质量得不到保证，我国的许多产品在国际市场上缺乏竞争能力。近年来，国际国内形势的发展给我国机械制造业带来了机遇，尤其是给高速切削工艺的应用提供了有利条件。主要体现在以下几方面： 1) 各种高尖新产品不断涌现，产品能否占领市场主要取决于产品的性能价格比。高效率生产出高质量的产品是赢得竞争的惟一途径。高速切削工艺的优势，也体现在高效率、高精度等方面。 2) 随着我国经济实力的不断提高，激烈的市场竞争，迫使目前我国拥有的高速切削机床的规模还要扩大，这必将要求有较为成熟的高速切削工艺与之相匹配，使之充分发挥作用。 3) 航空部门大型整体薄壁飞机结构件加工将普遍采用高速铣削工艺，减轻整机重量，提高飞机整机性能。 4) 模具制造业中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高进给速度、小切深、小走刀步距、能连续长路程切削的模具加工新工艺，对淬硬钢的高速铣削成为缩短模具开发周期、降低制造成本的主要途径。 5) 汽车制造业将更加积极地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生产。 6) 干式(准干式)切削的绿色制造技术将给高速切削工艺的应用提供极好的机会。 7) 高速切削工艺范围，能满足从粗加工到精加工的全部加工要求，并且能显著减少抛光工时，提高高速切削工艺同其它加工工艺竞争的能力。 4 高速切削工艺研究内容 合理的高速切削工艺将使得昂贵的高速切削机床充分发挥作用。而切削工艺和刀具的优化，必然依赖于对各种工件材料高速切削机理的基础研究和各种刀具材料的磨损破损机理的研究。基于可持续发展思想的绿色制造技术的重要内容就是干式(准干式)切削加工技术，高速切削工艺为该技术的实现提供了条件。基于误差分离补偿技术的精密加工理论，将使得高速切削工艺在加工效率、加工精度以及表面完整性方面进一步提高，工艺应用范围实现从粗加工至超精加工。另外在飞机、汽车及模具生产中，高速切削工艺的连续长路程切削加工特点，决定了切削刀具及机床设备应具有更高的可靠性，切削加工过程监控技术急需进一步完善。基于上述认识，高速切削工艺研究内容有如下几方面： 1) 高速切削机理研究，尤其是模具钢、钛合金、高温合金等难加工材料高速切削机理研究。 2) 高速切削工艺数据库。 3) 高速切削刀具系列化、标准化研究。 4) 干式(准干式)切削技术研究。 5) 加工误差综合动态补偿技术研究。 6) 高速切削刀具状态监控及工况监测技术。 5 高速切削技术研究基地建设 高速切削技术作为先进制造技术之一，是机械制造业发展的必然趋势。在我国发展高速切削技术必须紧密结合我国国情，有针对性、有步骤地分阶段进行，从全局出发，协同发展。选择一些研究技术力量雄厚、科研梯队合理的科研院所和大学为研究基地，这些科研机构必须具备如下条件： 1) 已具备基本的试验研究设备和方法。 2) 已取得关于高速切削技术的研究成果，并有一定的技术积累。 3) 与生产单位有密切的联系，确保研究成果既有先进性又有实用性。 我国目前的国情是，在航空、汽车和模具等生产部门，已进口相当规模的高速切削机床，而且进口高速切削机床数量还将进一步上升。要使这些昂贵的设备充分发挥作用，针对各种材料的高速切削机理，开发出合理的高速切削工艺规范是当务之急。但从长远规划来看，依靠我国科技力量，研制我国国产的高速切削机床是必然趋势和根本要求。机床研制要求诸多专业生产厂家协同合作，齐头并进。德国Darmstadt工业大学PTW所和日本京都大学垣野研究室所取得的成功经验对我们也是一个很好的启迪。当然在市场上，在相当长的一段时间内，国产高速切削机床无法与进口高速切削机床抗争，但随着技术的积累以及良好的分工合作，我国国产的高速切削机床在市场上的占有份额必将增大，从而从根本上增强我国的机械制造实力，为国民经济的迅速稳定发展奠定雄厚的物质技术基础。不论是工艺研究还是机床研制，应用厂家、高校与研究单位的“产、学、研”协作应为最佳的形式。 为了使国家投入的有限科研经费充分发挥作用，使科研成果直接转化为生产力，走“产、学、研”相结合的道路非常重要。在进行科学研究过程中没有实际生产应用部门的配合和支持是不行的。生产部门的生产经验和需求对于科研成果的先进性和实用性至关重要。高速切削生产实际急需较为成熟的高速切削工艺规范。因此，进行高速切削工艺研究的基本政策是，在全国范围内全面规划，结合行业特点和地区特点，选择已具备基本研究试验条件的，且已有一定技术积累的科研单位为基地，进行高水平的科研活动。各个研究基地应分工协作，优势互补。只有这样才能在较短的时间内改变我国高速切削工艺落后的面貌，充分发挥我国已颇具规模的进口高速切削机床的作用。这必将带动高速切削相关技术的迅速发展，有利于我国国产高速切削机床研制成功，从根本上振兴我国的机械制造业。 上海交通大学 陈明 袁人炜 严隽琪 西北工业大学 张明贤 史兴宽(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/18/2006)