超高速加工技术的现状及发展趋势

目录

摘 要 .......................................................................1 1 引言 ......................................................................1 2 超高速加工技术简介 ........................................................1 2.1 超高速加工技术概况 ......................................................1 2.2 超高速加工技术分类 ......................................................2 2.3 超高速加工技术特点 ......................................................2 3 超高速加工技术现状 ........................................................3 3.1 超高速加工技术现状简述 ..................................................3 3.2 国外超高速加工技术发展 ..................................................4 3.3 国内发展情况 ............................................................5 4 超高速加工技术发展趋势 ....................................................5 谢 辞 ......................................................................8

超高速加工技术的应用和发展趋势

摘 要：本文介绍了超高速加工技术的概念、内容和发展现状，并分析了其发展动向。 关键词：高速加工技术、机械制造、应用、发展

1 引言

当前机械制造业为实现高生产率和追求利润,先进制造技术的应用越来越广泛而深入。超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分,也已被积极地推广使用。20世纪20年代德国人Saloman最早提出高速加工(High Speed Cutting, 简称HSC)的概念,并1931 年申请了专利。50年代末及60年代初,美国和日本开始涉足此领域,在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展,使得刀具切削速度得到很大提高,70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在80年代初期,因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。自80年代中后期以来, 商品化的超高速切削机床不断出现,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。超高速磨削技术在近20年来也得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司在1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kW强力立方氮化硼(CBN)砂轮磨床,Vs达到140~ 160m/s。当今, 超高速加工已经在汽车、航空航天等领域获得应用。

2 超高速加工技术简介

2.1 超高速加工技术概况

超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。

超高速加工是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说,超高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削 300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。

2.2 超高速加工技术分类

超高速加工技术主要包括以下内容：

（1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。

（2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发; 主轴系统动态特性及热态性研究; 柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究; 主轴系统的润滑与冷却技术研究; 主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究; 主轴换刀技术研究。

（3）超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制; 精密交流伺服系统及电机的研究; 系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究; 机械传动链静、动刚度研究; 加减速控制技术研究; 精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。

（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工(包括难加工材料) 用刀具磨具材料及制备技术。

（5）高速CNC控制系统:超高速加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能化特性,以保证加工复杂曲面轮廓时,具有良好的加工性能。还要具有高速插补及超前处理能力,防止刀具轨迹偏移和突发事故。

（6）超高速加工在线检测与控制技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术,对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。

2.3 超高速加工技术特点

超高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工,对高塑性等难磨材料也有良好的磨削表现。与普通磨削相比,超高速磨削显示出极大的优越性

（1）切削力降低30%左右，特别适合刚性差的工件。

（2）能实现对硬脆材料的延性域磨削,对高塑 性和难磨材料获得良好的磨削效果。由于加工时对刀具和工件进行了冷却润滑，减少了切削热对工件的影响，特别适合加工易热变形的工件。

（3）降低加工工件表面粗糙度值,易获得高光洁的加工表面。激振频率远远高于机床和工艺系统的固有频率，加工平稳，振动小，加工表面质量好。

（4）能极大地提高生产效率。但是，高速切削采用的高压大流量冷却方式会增加环境污染、提高生产成本、减少刀具的耐用度、加大机床腐蚀等一系列问题。

（5）明显降低磨削力,提高零件加工精度.（6）砂轮耐用度提高,使用寿命延长。 （7） 具有巨大的经济效益。

3 超高速加工技术现状

3.1 超高速加工技术现状简述

（1）高速主轴系统:高性能的电主轴是实现超高速加工的基础, 要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩。新近开发的加工中心主轴Dn值(主轴直径与每分钟转速之积)大都已超过100万。在主轴系统中主要采用重量轻于钢制品的陶瓷球轴承,轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速加工领域,目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴合并构成的磁气/空气混合主轴。

（2）高速进给机构:超高速加工要求进给系统能够完成高速进给运动,所用的进给驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机,其最高加速度在2G以上, 最高进给速度可超过160m/min。

(3)高速切削刀具:超高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼( CBN) , 端面铣削使用CBN 刀具时,其切削速度可高达5000m/min。用金刚石刀具端面铣削铝合金时, 5000m/min的切削速度已达到实用化水平。CBN和金刚石刀具只能用于一定的加工领域, 尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。目前, 涂层技术是一项既能作到价格低廉、性能优异, 又可有效降低加工成本的技术。现在超高速加工用的立铣刀, 大都采用TiAIN 系的复合多层涂镀技术进行处理。如在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时,DLC ( Diamond Like Carbon) 涂层刀具就受到人们极大的关注, 预计其市场前景十分可观。

(4)刀具夹持系统:刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术, 目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有: HSK、KM、Bigplus、NC

5、AHO 等系统。在高速切削的情况下, 刀具与夹具回转平衡性能的优劣, 不仅影响到加工精度和刀具寿命,而且也会影响到机床的使用寿命。因此,在选择工具系统时,应尽量选用平衡性能良好的产品。

(5)安全保护措施:进行高速切削时,由于刀具高速回转, 切屑的速度也相当高。在对钢材或铸件进行高速铣削时, 其切屑带着火花四处飞溅, 因此, 必须采取措施, 使切屑

沿着一定的方向排出。目前,三菱综合材料公司已开发出一种“ Q- ing 铣刀”, 可控制排屑方向, 大大提高了高速铣削加工的安全性。

3.2 国外超高速加工技术发展

3.2.1 欧洲的发展情况

欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早。1979年德国 Bremen大学的Werner P G教授撰文预言了高效深磨区存在的合理性,由此开创了高效深磨的概念。1983年德国 Bremen大学出资由德国Guhring Automation公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床,砂轮圆周速度达到了209 m/ s。德国 Guhring Automation公司于1992 年成功制造出砂轮线速度为140～160m/s的CBN 磨床,并正在试制线速度达180m/ s 的样机。德国Aachen大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果。据Aachen工业大学实验室的Koeing和Ferlemann 宣称,该实验室已经采用了圆周速度达到 500 m/s的超高速砂轮,这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。瑞士Studer公司开发的CBN砂轮线速度在60m/s 以上, 并向120～130m/s方向发展。目前在试验室内正用改装的S45型外圆 磨床进行线速度280m/s的磨削试验。 3.2.2 美国的发展情况

美国20世纪60年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度。辛辛那提-米拉克隆公司到1969 年已生产了100多台高速磨床,其中有80m/s的无心磨床。本迪克斯公司1970年生产了91 m/s的切入式高速磨床。1971年,美国Carnegie-Mellon大学制造了一种无中心孔的钢质 轮,在其周边上镶有砂瓦,其试验速度可达185m/s,工作速度达到125m/s,用于磨削不锈钢锭和切断,也可用于外圆磨削。1993年,美国的 Edgetek Machine 公司首次推出的超高速磨床,采用单层CBN砂轮,圆周速度达到203m/s ,用以加工淬硬锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国Connecticut大学磨削研究与发展中心的无心外圆磨床,最高磨削速度可达 250m/。2000年美国马萨诸塞州立大学的Malkin S等人,以149m/s砂轮速度,使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅研究砂轮的地貌和磨削机理。 3.2.3 日本的发展情况

日本在20世纪70年代中期,不少工厂生产磨削速度为45m/s和60m/s的磨床,三井精机于1972年生产了磨削速度为80m/s的高速磨床,切入成型磨铸铁工件,加工时间仅为59s。1985年前后,在凸轮和曲轴磨床上,磨削速度达到了80m/s。1990年10月底在第五届“日本国际机床展览会”上,日本推出了磨削速度为120m/s的高速磨床。之后,开始开发 160m/s 以上的超高速磨床。1993年前后,使用单颗粒金刚石进行了250m/s超高速磨削试

验研究。1996年日本又推出了125m/s CBN砂轮平面磨床。至2000年,日本已进行500m/s 超高速磨削试验。Shinizu等人为了获得超高磨削速度,利用改制的磨床,将两根主轴并列在一起；一根作为砂轮轴,另一根作为工件主轴,并使其在磨削点切向速度相反,取得了相对磨削速度为VS + V W的结果,砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s。

3.3 国内发展情况

国内高速超高速磨削的发展自1958年,我国开始推广高速磨削技术。1964年,磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验,在机床改装和工艺 等方面获得一定成果。1975年10月,河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年,上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所等组成高速磨削试验小组对80、100m/s 高速磨削工艺进行了试验研究。1982年10月,湖南大学进行了60 m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究,为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年,汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮,进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。在 2000年中国数控机床展览会上,湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至今,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW、最高砂轮线 速度达250m/s的超高速试验磨床。东北大学先后进行超高速磨削热传递机制研究,高速单颗粒磨削机理研究,200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造,超高速磨削温度场研究,磨削摩擦系数的研究,超高速磨削砂轮表面气流的研究,超高速磨削机理分子动力学的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果达到国际先进水平。

4 超高速加工技术发展趋势

（1）难加工材料的超高速加工。难加工材料的使用越来越广泛,由于材料的切削加工性能极低,导热性差,刀具磨损快,为此只能采用很低的切削速度。通过深入研究这类材料的切削特性,提高刀具稳定性,研制新型刀具材料及制作工艺,开发出相应的刀具系统,将使切削速度范围有较大的提高。

（2）刀具夹紧机构设计。对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具来说,刀具夹紧机构的安全可靠性是至关重要的。在高速端面铣削加工时,由于离心力作用,可转位刀片有可能被甩出,因此,应采取相应措施加以预防。最近,工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧

装置,刀片甩出问题有望得到妥善解决。

（3）相关工艺设计。主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设备的加工能力,必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。由于各类产品从开发到生产的各个环节都将实现高效率化,因此,应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。

（4）节省能源,实现绿色加工。当前,许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的20%~30%；而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容。采用干式切削方式,会从根本上改善切削的环境状态,节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。因此,希望开发出更加节省能源的机床,开发出更加实用的干式切削加工技术。

（5）高精度定位系统。采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时,机床的运动性能将直接影响到其加工精度。因此,要求机床在大进给速度条件下,应具有高精度定位功能和高精度插补功能。

参考文献

[1]宋贵亮,巩亚东,蔡光起.超高速磨削及应用[J].航空精密制造技术,2000,36(3):16 - 20.[2]荣烈润.高速磨削技术的现状及发展前景[J].机电一体化,2003,(1):6-10.54第4 期

高兴军等.高速超高速磨削加工技术的发展及现状 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net [3]赵恒华,冯宝富,高贯斌,蔡光起.超高速磨削技术在机械制造领域中的应用[J].东北大学学报:自然科学版,2003,24(6):564-568.[4]冯宝富,蔡光起,邱长伍.超高速磨削的发展及关键技术[J].机械工程师,2002,(1):5-9.[5]蔡光起,冯宝富,赵恒华.磨削磨料加工技术的最新进展[J].航空制造技术,2003,(4):31-40.

Application and Development Trend of Ultra- high Speed

Machining Technology

Sun Ying (Mechanical and Electronic Engineering Department of Dezhou University, Dezhou Shandong, 253023) Abstract: In this paper, the concept, content and status of ultra- high speed machining technology are introduced, and its developmenttrend is analyzed.

Keywords: Ultra- high speed machining technology; Machinery ; Development trend

谢

辞

另外，感谢学校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。

超精密加工与超高速加工技术

我国机械加工技术的现状及未来发展趋势

国外茶叶加工现状及发展趋势

汽油发动机技术现状及发展趋势

天然气管道技术现状及发展趋势

浅谈钻井技术现状及发展趋势

LED路灯技术应用现状及发展趋势

中国地源热泵技术现状及发展趋势

ARM技术应用领域的现状及发展趋势

机电一体化技术的现状及发展趋势