高速切削加工綜述

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1、高速切削加工綜述劉強北京航空航天大學教授高速加工的概念高速切削加工是采用比常規(guī)切削速度高出5?10倍速度下進行的切削加工。高速切削的思想起源于20世紀20年代，德國學者CarlSalomon提出了高速切削假設：“當切削速度提高到一定程度時，切削溫度不升反降?！边@一假設啟發(fā)各國學者們進行了人量的機理研究和實驗。1980年之后，隨著高速數(shù)控機床和高性能切削刀具的成熟以及生產(chǎn)需要，高速切削首先在航空器結(jié)構(gòu)件、汽車模具等零件加工中得到實際應用,使得加工效率和加工質(zhì)量大幅度提高。需要注意的是，高速加工不是簡單地以是否使用

2、高速機床，或是所使川機床主軸的轉(zhuǎn)速來衡量。高速切削的本質(zhì)是，不同工件材料切削加工時的線速度進入到高速切削的速度區(qū)間，從而獲得優(yōu)于常規(guī)切削速度下的加工質(zhì)彊和效率，如圖1所示。圖中白色部分為常規(guī)加工切削速度范圍，藍色部分為高速加工切削速度范圍，常規(guī)和高速Z間可能會冇一段切削速度的屮間過渡范圍。、圖1典型工件材料的高速切削速度范由高速切削過程的基礎理論盡管在金屬切削理論中，己建立起了金屬切削過程中的切儲形成、切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損和耐用度、己加工表而完整性等基礎理論和規(guī)律。但由于高速切削與常規(guī)切削過程不同

3、，會出現(xiàn)許多不同的變化規(guī)律和效果，呈現(xiàn)出新的特性。當前，高速切削過程基礎理論研究的關(guān)鍵和熱點問題包括：（1）高速切削過程屮的切削變形理論。主要研究Johnson-Cook本構(gòu)方程、鋸齒狀切屑形成、切削過程變形區(qū)的計算機仿真等；（2）離速加工切削力建模。研究高速切削條件下的銃削/鉆削/車削等切削力數(shù)學模型、切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律以及高速加工切削力的特征分析。（3）高速加工熱力學建模。主要研究高速切削過程的“切屑-刀具-工件-周圍介質(zhì)”的生熱/傳熱/散熱等熱力學特性、切削熱源特性、切削溫度場特點等。（4）高速加

4、工動力學。主要研究高速加工過程中“主軸?刀具?工件”系統(tǒng)的動力學特性，重點解決以高速銃削為典型切削過程的切削穩(wěn)定性分析與求解，并且在加工過程動力學仿真基礎上避免切削顫振、進行切削參數(shù)優(yōu)化和機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化。（5）高速加工表而完整性。主要研究零件表面微觀幾何形狀特征以及表面特理力學性能，包括表而粗糙度、加工表而硬化、表層殘余應力及金相組織變化等，尤其是難加工材料（如鈦合金、高溫合金等）在高速切削時的表而完翳性。高速切削機床及其功能部件高速化是數(shù)控機床發(fā)展的一個重要趨勢，國內(nèi)外的數(shù)控機床制造企業(yè)都在致力于研制和生產(chǎn)各類

5、高速機床,高速切削機床般具有滿足如下的特征：1.高速主軸高速機床的主軸應能夠提供足夠的轉(zhuǎn)速和功率，以實現(xiàn)高速切削。通常，故大主軸轉(zhuǎn)速高于12000r/min稱為高速機床；在滿足轉(zhuǎn)速要求的同時，對于鋁合金一類輕合金切削的高速主軸應冇足夠的功率；而實現(xiàn)高強鋼、鈦合金等材料的高速切削主軸還應可提供足夠的扭矩，以適應切削過程屮所產(chǎn)生大切削力和扭短。高速主軸一般多采用電主軸，哄關(guān)鍵技術(shù)包括高速主軸軸承、無外殼主軸電動機及英控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具（或工件）動平衡等，傳統(tǒng)的高速低功率的電主

6、軸技術(shù)已經(jīng)十分成熟，國外可適用于鈦合金高速切削的高速大功率（大扭矩）的電主軸也已開發(fā)成功。2.具有島動態(tài)響應的禺制度進給系統(tǒng)高動態(tài)響應的進給系統(tǒng)是實現(xiàn)高速高效加工的期一個重耍基礎。一般直線進給軸速度可達30?60m/min,甚至達到1?2g,小型的數(shù)控機床可達更高。高性能數(shù)控機床采用直線電機驅(qū)動的直線軸運動和力矩電機驅(qū)動的擺動軸運動，以簡化機械傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)所謂“零傳動”，并在軸運動控制器中對速度、加速度和加速度變化率的控制曲線進行優(yōu)化，此外，還采用“雙邊同步驅(qū)動”、“重心驅(qū)動”等技術(shù)，從而可顯著抑制運動過程中

7、的諧振，獲得非常面的動態(tài)響應特性。3.高剛度主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)應具冇良好的靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度以及熱穩(wěn)定性。高的靜態(tài)剛度可以抵抗零部件重力和切削力引起的結(jié)構(gòu)變形，保證刀具相對于工件在切削過程中的靜態(tài)位移要求；優(yōu)良的動態(tài)特性可防止和減小動態(tài)切削過程產(chǎn)生的強迫振動和自激振動（顫振），以控制刀具相對于工件在切削過程中的動態(tài)位移；良好的熱穩(wěn)定性使得機床在加工過程中受到切削熱、環(huán)境溫度變化等作用時，熱變形量盡可能小并且均衡一致。最終，機床高靜動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性將使零件切削加工獲得好的表面質(zhì)量和高的切削效率。4?智

8、能化智能化是新一代數(shù)控機床的重耍特征。智能化主耍表現(xiàn)在兩個方面，一方面是機床控制的君能化，如在機床軸運動控制上引入前?饋控制、預測控制、魯棒控制等先進控制策略，在加工過程控制上引入自適應控制、學習控制等。另一方而是將專家系統(tǒng)、自動檢測及自動補償功能等嵌入數(shù)控系統(tǒng)，例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備自動編程與仿真、機床狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、刀具自動管理及補償、機床熱變形/振動監(jiān)測與補償?shù)裙δ?，使?shù)控機床