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高速加工发展概况 |
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作者：Dr.-Ing.H.舒尔茨 来源：《机械制造与自动化》 |
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1 引言
高速加工技术是一项先进的制造工艺，并具有广阔的应用前景。但是，就像其它许多技术革新一样，经过相当长的时间，高速加工基础理论才用于生产。这一过程长达60年，一方面是因为工艺界对这一技术采取了谨慎的态度，另一方面是因为当时的生产设备不适合用来进行高速加工。
2 基本理论
1931年4月27日，Frienrich Krupp AG就金属加工方法和刀具加工材料的材料变化的相似性向德国专利局申请了专利，专利号为523594 。发明家C. Salomon对不同材料进行切削实验，实验切削速度如下：切削钢铁、非铁材料及轻金属材料，切削速度为44Om /min(1444ft/min) ；切削青铜，切削速度为1600m/min(5250ft/min)；切削紫铜，切削速度为2840m/min(9318ft/min)；切削铝，切削速度高达16500m/min(54133ft/min)。实验结果表明，当切削速度超过某一数值时，切削速度再增大，切削温度反而会降低(图1)。Salomon是用圆锯片来做实验研究的，这主要是因为当时还没有高速旋转的电机，因而只能通过加大圆锯片的直径来得到较高的切削速度(Vc=pdn/1000, m/min)。 
图1 Salomon博士的铣削速度与铣削温度理论
但是，对于加工大多数工件来说，却很少使用大直径的刀具。这意味着在实际应用中，高速切削主要是通过高速旋转来达到的。然而，这在当时是不可能做到的。
Salomon的基础研究表明，在一定的速度范围内，由于过高的温度导制加工无法进行(这在美国被称为“死区”)。正是因为这个原因，高速加工也可被定义为切削速度超过那个速度范围。按照现有的知识，PTW研究所定义的高速加工为切削速度超过传统加工速度的5～10倍。
3 弹射实验
大约20年后，也就是1950年初，更加集中的高速切削研究在世界范围内展开了。从那时起仍然不可能达到高旋转转速加工，于是就采用了弹射实验方法。这些实验，一部分是通过快速滑动使刀具通过工件加工表面，另一部分则是通过弹射工件使它通过静止的切削刃。从这些实验中发现，高速切削下切屑形状与常规切削条件下不同。同时，还建立了有关特殊切削压力和动态切削力的公式，并有史以来第一次科学的证实了在低速切削区，切削力随切削速度的提高而增大，但当切削速度大到一定程度后，切削力会急剧下降。此外，研究表明，随着切削速度的提高，切屑渐渐变得不连续。在用枪将工件沿固定的切削刃弹射出的实验中，发现材料超出了塑性特性区，切屑由于脆性断裂而成形。
20世纪60年代早期，美国大量的研究表明，只要解决切削过程中严重的刀具磨损和机床振动，生产效率会大大提高，生产成本也会显著降低。在一项研究中还发现，切削铝时切削速度超过6500m/min 很有研究价值。在日本，大部分研究集中在切屑变形理论和变形机理。到80年代早期，高速主轴用于加工中心之后，高速加工的理论不仅得到进一步发展，而且也能用于实际生产中。
图2 高速切削技术发展里程碑
4 高速主轴的应用
1977年，美国第一次通过铣削速度高达1980m/min的铣床证实了射击试验的结果与理论分析结论，同时试验结果也表明，切削表面质量明显提高。
这些试验中的另一重大发现是高速切削过程中产生的切削热大部分被切屑带走了。1979年，美国空军和通用电气公司(GE)合作研究高速切削各因素之间的关系以及如何将高速切削用于生产。研究表明，切削铝合金的最佳切削速度范围是1500～4500m/min。另外还建立了高速切削加工刀具的目录。
美国所开展的这些研究主要集中在对轻金属的高速加工，仅有少数几项试验用来研究钢及铸铁的高速加工。对其它一些材料如：加工性较差的钢、纤维增强型塑料等等的高速试验却很少。20世纪70年代末以前，缺乏从整体上对高速切削基础全面系统的研究，也没有对原因与效果之间的工艺关系的探索，对这项金属切削新技术对金属切削有关零件所造成的影响，也缺乏深人的研究。
5 欧洲的研究情况
Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)是欧洲第一个开展高速加工技术研究的研究中心。1979年该中心开展一合作研究项目——高速铣削过程特点研究，研究重点是磁悬浮轴承对高速转轴发展的技术支持，并在机床上进行实际测试。
通过使用这一由磁悬浮轴承支承的转轴，1980年终于实现了可用切削速度的重大突破。这一突破使得早期由射击试验得出的理论得到证实，并增加一些关于刀具及机床组件发展的内容。
经过不断的研究，现在在高速切削技术的理论和应用技术方面，PTW的研究水平超过了其它任何一个研究机构。1981年，所谓的“专家们”声称这一新切削技术根本没有应用前途，因为他们认为增加单位时间内金属去除率，刀具磨损会加大，这样加工过程的经济性不一定很好。现在我们看到当时对高速加工技术持否定观点的“专家们”都接受了这一技术，并积极支持这一技术的发展。
然而，大型合作项目——金属和非金属材料的高速铣削对宣传高速加工技术作用巨大。这一项目从1984 年开始，得到了国家研究技术部的鼎力支持，这一项目以PTW为首，共有41家公司紧密合作参与实际研究。
经过4年的努力，该研究取得了一定的成果，为现在高速加工技术的发展打下了重要的基础。
6 加工机床的整体发展
从一开始，PTW研究重点就放在保持技术工艺与机床及其部件之间同时发展。因此，在工艺与加工中心发展的相互影响及相互作用下，PTW生产出世界上第一台适合高速切削的机床。工艺的发展也包括工件材料、刀具材料以及新的加工策略的发展，相互影响CAD/CAM系统的发展(图3)。这意味着从一开始，研究就有的放矢，研究所取得的丰硕成果最终不仅加深了对这项新技术的理解，同时也为高速加工技术的发展提供了相应的机床和刀具。正是这一整体考虑使人们意识到高速加工技术的优点，进而为高速加工技术的应用打开了广阔的市场。高速加工技术的优点包括：随着切削速度的提高，切削力下降；切削产生的切削热绝大部分被切屑带走；加工表面质量提高了；在高速加工范围内机床的激振频率范围远离工艺系统的固有频率范围。
图3 高速加工技术的整体考虑
但是，随着切削速度的提高，刀具寿命会下降(图4)。所以现在仍需进一步研究来克服这一缺点。
图4 高速加工技术具有的共性
高速加工技术得以应用的主要原因是这一技术自身具有很多优点，高速加工的应用场合主要包括：模具业制造，飞机制造工业，光学和精密仪器加工，汽车制造工业以及家用设施生产(见表)。尽管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工领域取得了长足的进步，采用高速切削技术，表面加工质量可达Ra=0.2µm和Rz=3µm。附表高速加工技术的应用领域
| 技术特点 | 应用范围 | 应用实例 | | 高的金属切除率和高的进给速度 | 加工铝、镁等轻金属合金、普通钢材及铸铁材料 | 飞机和航空制造业，汽车制造工业中的发动机加工、模具制造业 | | 获得很好的已加工表面质量，表面粗糙度值很小 | 加工精密零件和特种精密表面要求的零件 | 光学及仪器制造工业，精密机械加工工业，螺旋压力机精密零件 | | 单位切削力小 | 加工薄壁类和薄板类工件，加工刚性差的工件 | 飞行器与航空工业中的薄壁零件，汽车工业与家用电器中的薄板类零件 | | 机床具有极高的强迫振荡频率 | 加工复杂的且刚性差的零件 | 光学和精密制造工业 | | 切削热绝大部分由切屑带走 | 加工不耐热工件，加工对热和温度十分敏感的零件 | 精密机械工业，加工镁及合金 |
7 安全处理
很遗憾，即使现在我们仍过低估计高速加工过程中的潜在危险。这些危险包括：飞溅的切屑和崩刃以及变松的刀具夹紧系统都具有很高的动能，另外加工过程中还存在轴向动态力。这意味着高标准的主动和被动的防护措施是必需的。比如不可缺少的部分除了电子监测系统外，还应当有适合吸收能量的空腔。
此外，高速加工刀具的标定、测试指导和设计建议必须尽可能快的加到安全标准中，在PTW领导下，现在已开展了这方面的工作(图5)。
图5 高速旋转刀具安全操作标准(DIN6589-1)
对生产过程加工链全面考虑表明，由于高速加工后工件表面质量很好，通常情况下可以不需要精加工或只在部分场合下需要精加工值得一提的是涡轮的制造，现在涡轮的叶片通过高速铣削加工就可以了，不需要进一步进行磨削加工：另一个典型的例子是模具的制造，高速加工后模具表面质量、尺寸和形位公差可以达到常规情加工的加工精度。这也大大地降低了手工工作时间。在手工劳动上节约时间可达到80% ，成本降低到原来的30%。
如果一个加工表面仍需进一步进行磨削加工，提高待加工表面质量会大大降低磨削时间。以前在高速加工领域的研究都集中在铣削，通过不断扩展PTW的研究领域，在高速钻削、扩、车削及车铣削方面也可获得重要的知识。
8 机床及其部件
虽然，在80年代中期与加工技术、刀具、机床组件相关的结果也会公布于众，但这一技术在实践中的广泛应用花了相当长的时间。90 年代的经济萎缩迫使公司采取改革，这大大促进了机床工业的发展。
现在，各类高速切削机床在商业上已趋于成熟，因为高速的总体趋势还在继续，紧随高速机床之后，标准机床的切削速度也越来越快。主轴转速已达到12000r/min ，进给量已达到25m/min ，特别在切削加工钢和铸铁时，高速切削速度范围还可进一步提高。关于对高速铣削机床的需求从侧面反映了待加工工件及高速铣削技术的需求(图6)。 
图6 铣削机床进给与速度的关系
这就是为什么会有二个有区别的市场范围：高速切削范围下限的高速机床以大的金属去除率为主；另一市场是真正的高速加工，具有中等的金属去除率，但切削速度很高。因此，高速加工机床适用于轻金属、铜、铅以及塑料的初、精加工；但在加工钢及铸铁中，常适用于精加工和半精加工现在直线电机的研究取得飞跃的发展，使得高速加工机床进给速度可达100m/min，进给加速度可达30m/s2，直线电机特别适合用在加工轻金属的加工中心上。
9 结论
由图2可得，世界上很多研究机构对高速加工技术开展了研究，PTW经常与它们展开国际交流和合作。1998年4月，DFG(Deutsch Forschungs-gemeinschaft)组织开展了一项新研究，目的是对金属去除区域的基本条件进行进一步的研究。
但是，现在已不再怀疑高速加工的经济性了，进一步提高刀具寿命会大大扩大高速切削技术的应用领域。常规的机床工业也从这一趋势中收益匪浅。例如，因为最初专为高速加工机床的马达具有很多优点，它们也可用于低速的普通机床。快速的CNC控制系统和大功率驱动系统用于现有的普通CNC 机床上也会大大改善其性能。
本文作者：德国Darmstadt 工业大学生产工程与机床研究所(PTW) Dr. -Ing.H.舒尔茨(end)
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(投稿)
(1/15/2007) |
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