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高速切削加工的發(fā)展及需求
（作者未知） 2010/5/18
高速切削加工的發(fā)展及需求
高速切削加工是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，擁有高效率、高精度及高表面質(zhì)量等特征。本文介紹此技術(shù)的定義、發(fā)展現(xiàn)狀、適用領(lǐng)域以及中國的需求情況。
高速切削加工是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。
高速切削是實(shí)現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率�？梢哉f，高速切削加工是一種不增加設(shè)備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術(shù)。高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高生產(chǎn)效率、提高加工精度及降低切削阻力。
有關(guān)高速切削加工的含義，目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識，通常有如下幾種觀點(diǎn)：切削速度很高，通常認(rèn)為其速度超過普通切削的5-10倍；機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高，一般將主軸轉(zhuǎn)速在10000-20000r/min以上定為高速切削；進(jìn)給速度很高，通常達(dá)15-50m/min，最高可達(dá)90m/min；對于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含義也不盡相同；切削過程中，刀刃的通過頻率(Tooth Passing Frequency)接近于“機(jī)床－刀具－工件”系統(tǒng)的主導(dǎo)自然頻率(Dominant Natural Frequency)時，可認(rèn)為是高速切削�？梢姼咚偾邢骷庸な且粋�綜合的概念。
1992年，德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)的H. Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵蓋的范圍，如圖1所示。認(rèn)為對于不同的切削對象，圖中所示的過渡區(qū)(Transition)即為通常所謂的高速切削範(fàn)圍，這也是當(dāng)時金屬切削工藝相關(guān)的技術(shù)人員所期待或者可望實(shí)現(xiàn)的切削速度。
高速切削加工對機(jī)床、刀具和切削工藝等方面都有一些具體的要求。下面分別從這幾個方面闡述高速切削加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。
現(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，一般釆用高柔性的高速數(shù)控機(jī)床、加工中心，也有釆用專用的高速銑、鉆床。這些設(shè)備的共同之處是：必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)材料切削過程的高速化。高速切削與傳統(tǒng)切削最大的區(qū)別是，“機(jī)床－刀具－工件”系統(tǒng)的動態(tài)特性對切削性能有更強(qiáng)的影響力。在該系統(tǒng)中，機(jī)床主軸的剛度、刀柄形式、刀長設(shè)定、主軸拉刀力、刀具扭力設(shè)定等，都是影響高速切削性能的重要因素。
在高速切削中，材料去除率(Metal Removal Rate，MRR)，即單位時間內(nèi)材料被切除的體積，通常受限于“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)是否出現(xiàn)“顫振”。因此，為了滿足高速切削加工的需求，首先要提高機(jī)床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性。現(xiàn)階段高速切削之所以能夠成功，一個很關(guān)鍵的因素在于對系統(tǒng)動態(tài)特性問題的掌握和處理能力。
為了更好地描述機(jī)床主軸的剛度特性，工程上提出新的無量綱參數(shù)—DN值，用以評價機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)對高速切削加工的適應(yīng)性。所謂DN值即“主軸直徑與每分鐘轉(zhuǎn)速之積”。新近開發(fā)的加工中心主軸DN值大都已超過100萬。為了減輕軸承的重量，還釆用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承；軸承潤滑方式大都釆用油氣混合潤滑方式。在高速切削加工領(lǐng)域，目前已開發(fā)空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構(gòu)成的磁氣/空氣混合主軸。
在機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)方面，高速切削加工所用的進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)通常都為大導(dǎo)程、多頭高速滾珠絲槓，滾珠釆用小直徑氮化硅（Si3N4）陶瓷球，以減少其離心力和陀螺力矩；釆用空心強(qiáng)冷技術(shù)來減少高速滾珠絲槓運(yùn)轉(zhuǎn)時由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲槓熱變形。
近幾年來，用直線電機(jī)驅(qū)動的高速進(jìn)給系統(tǒng)問世，這種進(jìn)給方式取消了從電動機(jī)到工作臺溜板之間的一切中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的零傳動。由于直線電機(jī)沒有任何旋轉(zhuǎn)元件，不受離心力的作用，可以大大提高進(jìn)給速度。直線電機(jī)的另一大優(yōu)點(diǎn)是行程不受限制。直線電機(jī)的次極是一段一段連續(xù)鋪在機(jī)床的床身上。次極鋪到哪里，初極工作臺就可運(yùn)動到哪里，而且對整個進(jìn)給系統(tǒng)的剛度沒有任何影響。釆用高速絲槓或直線電機(jī)，能夠大大提高機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。直線電機(jī)最高加速度可達(dá)2-10G(G為重力加速度)，最大進(jìn)給速度可達(dá)60-200m/min或更高。
2002年舉世矚目的上海浦東磁懸浮列車工程中的磁浮軌道鋼梁加工，釆用沈陽機(jī)床控股有限公司集團(tuán)中捷友誼公司廠生產(chǎn)的超長進(jìn)給系統(tǒng)高速大型加工中心實(shí)現(xiàn)。該機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)為直線導(dǎo)軌和齒輪齒條傳動，工作臺最大進(jìn)給速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g，主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，主電機(jī)功率80kW。其X軸的行程長達(dá)30m，切削25m長的磁浮軌道鋼（未完，下一頁）
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