现代切削技术

现代切削技术超高速切削技术⒈超高速切削技术简介20世纪30年代初,德国著名的机械切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)分析和总结了大量的切削加工试验速度与温度的曲线,首次提出了超高速切削加工的理论。他指出:在常规的切削速度范围内切削温度确实随着切削速度的增大而升高;而且在超过一定的切削速度后,由于切削温度的升高超过了刀具的承受能力,刀具的硬度会剧烈降低,刀具发软并出现剧烈磨损,使切削加工无法继续进行。但是,当切削速度继续增大,达到甚至超过一定的数值后,如果再增加切削速度,此时的切削温度不但不会升高,反而会降低,甚至会低于刀具可以承受的温度,这样就可能重新利用现有的刀具进行超高速加工,大幅度地减少切削加工的时间,提高设备的生产效率,这便是超高速切削加工的概念。⒉超高速切削速度⒊超高速切削特点①设备的加工效率高超高速切削加工比常规切削加工的主轴运转速度高出5~6倍,进给速度也相应提高5~10倍,这样,在单位时间内,刀具对材料的切除速度可以提高3~6倍,因而零件的加工时间通常可以缩短到原来的1/3,甚至1/5,从而极大地提高了设备的加工效率和设备利用率,缩短了产品的生产周期,可实现对产品进行快速制造。这一特点在新产品开发过程中显得尤其重要。既缩短了研制周期,又增强了企业的竞争力。②加工时切削力小与常规的切削加工相比,超高速切削加工时的切削力至少可以降低30%甚至40%,这对于诸如细长轴、薄壁件等低刚度、精微零件来讲,其意义相当重大。超高速切削可以减少零件在加工过程中的变形,提高零件的加工精度。不仅如此,采用超高速切削加工时,单位功率材料切除率可以提高40%以上,刀具的使用寿命可以提高70%以上。刀具使用寿命的延长,不仅可以节省生产成本,还可以节约加工时间,同时也避免了频繁更换刀具所带来的刀具装夹定位误差,对提高零件的加工精度有极大的意义。③工件的热变形小由于超高速切削加工的过程极为迅速,95%以上的切削热来不及传给工件,而是被切屑直接而迅速地带走,零件不会由于温度的升高产生弯翘或膨胀变形。因而,超高速切削加工特别适用于加工容易发生热变形的零件。④工件的加工精度高、加工质量好由于超高速切削加工的切削力和切削热影响小,使刀具和工件的热变形小,工件表面的残余应力小,这样就可保持尺寸的精确性。同时,由于切屑被飞快地切离工件,可以使工件达到极高的表面质量。⑤设备在加工过程中状态稳定由于超高速旋转刀具切削加工时的激振频率高,已经远远地超出了机床--工件--刀具加工工艺系统的固有频率范围。因此,不会造成上述加工工艺系统的振动,使整个加工过程平稳,有利于提高加工精度和表面质量。⑥创造良好的技术经济效益采用超高速切削加工能取得常规的切削加工无法获得的技术经济效益,如缩短加工时间、提高生产率;可以加工低刚度的零件;零件加工精度高、表面质量好;提高刀具寿命和机床利用率;节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。⒋超高速切削加工的关键技术a超高速切削加工设备的主轴系统由于超高速切削加工设备的主轴系统是在超高速条件下运转的,传统的齿轮变速和带传动方式已明显不能适应其要求,取而代之的是具有宽调速功能的交流变频电动机。这种电动机通常将其空心转子直接套装在机床的主轴上,取消了从主电动机到机床主轴的一切中间传动环节,使机床主传动的机械结构得到了极大地简化,形成了一种新型的功能部件主轴单元。为了适应切削加工的超高速特点,主轴单元具有很大的驱动功率和转矩,具有较宽的调速范围,同时还有一系列监控主轴振动、轴承和电动机温度升高等运行参数的传感器、测试控制和报警系统,以确保主轴单元在超高速运转下的可靠性和安全性。b超高速切削加工设备的进给系统超高速切削加工设备的进给系统是超高速加工设备的重要组成部分,是评价超高速加工设备性能优劣与否的重要指标之一,是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。超高速切削在提高主轴速度的同时,必须提高进给速度,并且要求进给运动能够做到既可以瞬时达到高速,也可以瞬时停车等动作。否则,不但无法发挥超高速切削加工的优势,还会使刀具处于恶劣的工作条件下,加剧刀具的磨损。另外,由于进给系统的跟踪误差对加工精度的影响很大,这就要求超高速切削加工的进给系统还应具有较大的加速度和较高的定位精度。c超高速轴承技术为了适应主轴系统的超高速运转,必须采用与之相匹配的高速精密轴承。由于业已存在的诸多优点,滚动轴承成为目前国内外的科技人员在设计和制造超高速机床时的首选。为了提高滚动轴承的极限转速,科技人员纷纷采用提高轴承的制造精度,合理选择高硬度、耐高温的轴承材料以及改进轴承结构等方法,使超高速轴承技术得到了很大的发展。据了解,目前最先进的超高速轴承技术可以满足50000~100000r/min以上的主轴转速。d超高速切削加工的刀具技术由于超高速切削加工自身的超高速特点,要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小,并且具有优异的力学性能、热稳定性、抗冲击性和极高的耐磨性能。进入21世纪以来,正是由于切削刀具材料的迅猛发展,才使超高速切削加工技术能够得以实施。目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有涂层材料、金属陶瓷材料、聚晶金刚石、立方氮化硼等,特别是聚晶金刚石刀具和聚晶立方氮化硼刀具的发展和应用,极大地推动了超高速切削加工的发展,使之走向更加广泛的应用领域。5.工程应用中航工业洪都公司为提高经济效益和飞机制造水平，多年来一直致力于高速铣削的研究与在生产中的推广，特别是在加工飞机薄壁件和大樑中广泛应用高速切削技术，使生产效率和产品质量都大大提高。干式切削首先，要了解切削液在传统切削过程中的作用。切削液通常是大多数机加工中不可缺少的生产要素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率具有重要作用。随着全球环境意识的增强以及环保法规的要求越来越严格，切削液对环境的负面作用也越来越明显。切削液是造成环境污染的主要来源，在我国，据不完全统计仅机械行业废乳化液的日排放量已达近亿吨，可见问题的严重。对环境无污染的绿色制造被认为是可持续发展的现代制造业模式。而在加工过程中不用任何切削液的干切削正是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去了切削液及其处理等大量费用，可进一步降低生产成本。据统计，二十年前，切削液的费用不到工件成本的3%左右，目前，在高生产率的生产企业，切削液的供给、保养及回收处理费用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具费用仅占2%-5%。在与切削液有关的总费用中，有22%左右是切削液的处理费用。据估计，如果20%的切削加工采用干式切削加工，总的制造成本可降低1.6%。3。干式切削可以摆脱切削液的弊端，降低成本。因此，未来切削加工的方向是不用或用尽量少的切削液。随着耐高温刀具材料和涂层技术的发展，使得干加工在机械制造领域变为可能。干切削技术就是在这样的历史背景下应运而生，并从九十年代中期以来迅速发展起来的，其发展历史至今不过十年，是先进制造技术的一个前沿研究课题。干式切削的特点（1）切屑干净清洁无污染，易于回收和处理（2）省去了切削液传输，回收，过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本（3）省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备。机床结构紧凑，减少占地面积（4）不会产生环境污染（5）不会产生与切削液有关的安全事故及质量事故。干切削的主要条件采用新型的刀具材料干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。超细硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。陶瓷刀具(Al203,Si3N4)等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达HV3200~HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高，可达HV7000~HV8000，热导率可达2100W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。干式切削采用涂层技术涂层刀具分两大类:一类是“硬”涂层刀具，如TiN,TIC和Al203等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如:MOS2,WS等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2。切削实验表明:未涂层丝锥只能加工20个螺孔;用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MoS2涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAlN涂层和Mo2软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。干式切削刀具几何参数设计干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。干切削的主要效果经切削实验表明：高速切削时采用干切削，刀具寿命不低于湿切削，因为浇注切削液会产生不均匀性及不易渗入切削区：用硬质合金钻头等在提高速度、减少进给量情况下加工表面质量相同于湿切削；涂覆的硬质合金钻头、拉刀产生的力与力矩与湿切削相同。干切削工程应用日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的)倍，可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀，采用MACH7高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间为50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低和几何精度也大大提高，加工精度可达AGMA12～13级。该公司生产的GP系列滚齿机，以其独特的设计，使其干切质量能与湿切质量媲美。其床身设计成大角度斜坡，以利切屑流动。床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一系列滚齿机，滚切转速可达3000r/min。硬切削