切削加工仍是當(dāng)個主要的機(jī)械加工方法，在機(jī)械制造業(yè)中占據(jù)著重要地位。據(jù)估計，機(jī)械制造業(yè)中30%～40%的工作量是切削加工，全世界每年切削加工耗費(fèi)約2500億美元。
超高速切削技術(shù)是近年來發(fā)展起來的集高效、優(yōu)質(zhì)和低耗為一身的先進(jìn)制造技術(shù)。它借助于自身獨(dú)特的加工機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)，具有極高的加工效率、極高的加工質(zhì)量。很低的加工成本以及拓寬的應(yīng)用范圍等一系列的優(yōu)越性，使切削技術(shù)發(fā)生了徹底的改革性進(jìn)步。
1 超高速切削加工的主要特點(diǎn)
超高速切削加工不僅可大幅度縮短加工時間，提高加工效率，降低加工成本，而且可以使零件的表面加工質(zhì)量和加工精度達(dá)到更高的水平。超高速切削加工具有以下主要特點(diǎn)：
工件熱變形減少 在超高速切削加工中，由于切屑在極短時間內(nèi)被切除，切削熱絕大部分被切屑帶走，因而工件溫度并不高，不僅受熱變形的可能性減小，而且可避免熱應(yīng)力、熱裂紋等表面缺陷。有利于保證零件的尺寸、形位精度在超高速切削加工中，單位切削力由于切削層材料軟化減少，從而減少零件加工的變形，這對于加工薄壁類剛性差的零件特別有利。
可獲得較好的加工表面質(zhì)量 超高速切削加工可減小表面硬化層深度，減小表面層殘余應(yīng)力及表面層微觀組織的熱損傷，從而減少零件表面層材質(zhì)的機(jī)械、物理及化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化的可能性，保證已加工表面的內(nèi)在質(zhì)量，確保零件的使用性。粗精加工工序復(fù)合加工，幾乎不需要在加工后消除內(nèi)應(yīng)力，例如模具表面的超高速硬銑削，可以部分取代電火花成形加工。
工藝系統(tǒng)振動減小 在超高速切削加工中由于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高，激振頻率遠(yuǎn)離機(jī)床固有頻率，因而使工藝系統(tǒng)振動減小，提高了加工質(zhì)量。
顯著提高材料切除率 在提高切削速度的同時可提高進(jìn)給速度，從而顯著提高材料切除率。例如超高速銑削，當(dāng)保持切削厚度不變(每齒進(jìn)給量和切深不變)，進(jìn)給速度比常規(guī)銑削可提高5～10倍，從而達(dá)到很高的材料切除率。超高速銑削已廣泛用于汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)和模具制造業(yè)，加工鋁、鎂等輕金屬合金、鋼材及鑄鐵。例如汽車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、減速器殼體，飛機(jī)的整體鋁合金薄壁零件，淬硬模具鋼以及鎳基會金、鈦合金等難加工材料。提高材料切除率的策略已由強(qiáng)力而緩慢轉(zhuǎn)向快速而輕便，機(jī)床由強(qiáng)力型(提高力學(xué)特性參數(shù))轉(zhuǎn)向高速型(提高速度特性參數(shù))。
2 超高速切削加工對機(jī)床系統(tǒng)的主要要求
高速切削機(jī)床是實現(xiàn)高速及超高速切削的必要條件之一。超高速切削對機(jī)床的主要要求如下：
有一個適應(yīng)于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸部件及其驅(qū)動系統(tǒng) 主軸的變速范圍完全由變頻調(diào)速交流主軸電機(jī)來實現(xiàn)，并使電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一，構(gòu)成所謂的電主軸。由于電主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好，并且避免振動與噪聲，因而是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。
高速主軸單元的核心是高速精密軸承。高速主軸可采用的軸承包括空氣軸承、靜壓軸承、動壓軸承、滾動軸承和磁浮軸承。目前空氣軸承受到切削載荷較小及較小過載能力的限制，靜壓軸承則由于摩擦熱及有關(guān)功率損失而使轉(zhuǎn)速受限，故這兩種軸承應(yīng)用有限。動靜壓混合軸承采用流體動力和流體靜力有機(jī)結(jié)合的方法，使主軸在油膜支撐中旋轉(zhuǎn)，具有徑向和軸向跳動精度高、剛度好、阻尼特性好、粗精加工均適用、軸承壽命無限長等優(yōu)點(diǎn)，受到Ingersoll公司的大力推崇。
經(jīng)多年努力現(xiàn)已研究開發(fā)成功了兩種適宜超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的新型軸承——陶瓷滾動軸承和磁浮軸承。
在高速轉(zhuǎn)動條件下，滾動軸承中滾動體的離心力和陀螺力短將急劇增大。為了減少滾珠離心力，一般采取兩個措施：①減小滾珠直徑。②采用氯化硅陶瓷材料做滾珠(Si3N4)。用這種材料做成的陶瓷軸承具有高速、高剛度、低溫升、長壽命的優(yōu)點(diǎn)，是使用廣泛而經(jīng)濟(jì)的高速軸承。目前在高速機(jī)床主軸上主要采用混合陶瓷球軸承(氯化硅滾珠與鋼制軌道)，滾道可進(jìn)行涂層或其他表面處理。
磁浮軸承是用電磁力將主軸無機(jī)械接觸懸浮起來的新型智能化軸承，高速性能好、精度高、易實現(xiàn)實時診斷和在線控制，是高速加工機(jī)床主軸理想的支承元件，相繼被許多國家用于高速加工機(jī)床上。
另外還要合理地選擇潤滑方式。主軸承潤滑為高速主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用。特別是滾動軸承，采用油空氣潤滑或噴油潤滑是不可避免的課題。采用油空氣潤滑后，軸承的dn值將比脂潤滑提高30%～50%。噴油潤滑的軸承極限轉(zhuǎn)速可達(dá)(2.3～2.5)×106r/min。
有一個快速反應(yīng)的數(shù)控伺服系統(tǒng)和進(jìn)給部件超高速機(jī)床是精密的數(shù)控機(jī)床。在進(jìn)行超高速切削時，為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅度提高。目前，高速加工中心和NC銑床工作臺的進(jìn)給量(進(jìn)給速度)已達(dá)到20～30m/min，快速空程速度高達(dá) 40～60m/min，加速度達(dá) 25m/s2，因而對進(jìn)給部件的動態(tài)特性提出了非常高的要求。主要措施有：①大幅度減輕移動部件的重量。②采用多線螺紋行星滾柱絲杠代替目前的滾珠絲杠。國外生產(chǎn)的某些高速加工中心(例如法國Ex-cell-O公司的XHC－240型臥式加工中心)，已在其X、Y、Z三個坐標(biāo)方向采用了直線伺服電機(jī)，省去了滾動絲杜等中間傳動環(huán)節(jié)，把機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)縮至最短。這種直接傳動的最大優(yōu)點(diǎn)是可得到很高的瞬時加(減)速度，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，從而可大大提高工作臺進(jìn)結(jié)和快速行程速度(高達(dá)60～80m/min)，提高定位精度(0.004mm)，并可減少插補(bǔ)時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。當(dāng)用20m/min的進(jìn)給速度銑削圓孔時，其形狀誤差＜0.004mm。③采用快速反應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)。
大流量噴射冷卻系統(tǒng) 在超高速切削時，單位時間內(nèi)將產(chǎn)生大量的熱切屑，必須把它迅速從工作臺清除，以免妨礙高速切削的正常進(jìn)行，避免產(chǎn)生機(jī)床、刀具和工件的熱變形。解決這個問題的主要方法是：①開發(fā)新型的高壓噴射裝置，把壓力為7MPa、流量為60L/min左右的高壓切削液射向機(jī)床的切削部位。②以“瀑布”方式將大量切削液從機(jī)床頂部淋向機(jī)床工作臺，把大量的熱切屑立即沖離工作臺，始終保持工作臺面的清潔，并形成一個恒溫的小環(huán)境，保證加工精度。③用防護(hù)罩把切削區(qū)完全封閉起來，以防止切屑和切削液到處飛濺，污染工作環(huán)境。在高速旋轉(zhuǎn)的刀具周圍，用足夠厚的優(yōu)質(zhì)鋼板和防彈玻璃做安全罩和觀察窗，以確保人身和設(shè)備的安全。
有一個“三剛”(靜剛度、動剛度、熱剛度)特性都很好的機(jī)床支承元件如用聚合物混凝土(polymer concrete)，即所謂的“人造花崗巖”制成的超高速機(jī)床的床身或立柱，其阻尼特性比鑄鐵高7～10倍，而密度只有鑄鐵的1/3。提高機(jī)床剛性的一個措施是改革床體結(jié)構(gòu)，例如美國 Giddings & Lewis公司在其RAM高速加工中心的設(shè)計上，大膽地將立柱和底座合為一整體。
據(jù)Ingersoll公司稱，高速加工對支承固有頻率的要求比常規(guī)機(jī)床高出3倍以上。該公司推出的HVM800臥式加工中心的床身采用鋼板焊接件，其內(nèi)腔充滿阻尼材料。
3 超高速切削加工刀具
高速切削刀具是實現(xiàn)高速切削及超高速切削的必要條件之二，同時它也是實現(xiàn)高速及超高速切削的重要條件。刀具材料的突破由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔10年幾乎提高一倍。高速和超高速加工正是基于這一重要前提，對刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐熱性(紅硬性)好，又要求韌性好、耐沖擊。近30年來，刀具材料所取得的突破，使得這一難題得到了很好的解決：①隨著增強(qiáng)陶瓷刀具和涂層技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了刀具的硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韌性的基體。②聚晶立方氮化硼刀片(PCBN)，硬度達(dá)3500～4500HV，已成為高速切削淬硬鋼的首選刀具。③同樣用聚晶方法得到的聚晶金剛石(PCD)刀片，硬度可達(dá)6000～10 000HV，已應(yīng)用于車刀、銑刀、鉆頭等，進(jìn)入了高速切削有色金屬領(lǐng)域，有時也應(yīng)用于切削黑色金屬。
高速加工用的刀具材料，必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言，陶瓷、金屬陶瓷及PCBN刀具等，適用于對鋼、鐵等黑色金屬的高速加工；PCD和CVD等刀具材料，適用于對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工。
刀具的結(jié)構(gòu) 采用物美價廉的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、涂層材料制造的可轉(zhuǎn)讓刀片和整體刀具，并用集成平衡裝置和相應(yīng)結(jié)構(gòu)對付離心力使刀具產(chǎn)生的高應(yīng)力。
PCBN和PCD均是先制成0.5～1mm的薄片，然后燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上，達(dá)到兼有高硬度和高韌性的目的，同時也節(jié)約了成本。刀刃形狀刀具切削刃形狀對加工質(zhì)量也有很大影響。例如金剛石刀具切削刃有適當(dāng)結(jié)晶方位時，能極大地改善刀具壽命和加工表面的粗糙度等。刀具的形狀正向著高剛性、復(fù)合化、多刃化和表面超精加工方向發(fā)展。隨著新型刀具材料和超硬磨料磨具的實用化以及機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步，切削加工的高參數(shù)化是永無止境的。目前及今后一段時間，高速化仍將具有明顯優(yōu)勢。
4 結(jié)束語
高速及超高速切削加工是正在發(fā)展的一項先進(jìn)制造工藝。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，實現(xiàn)高速及超高速切削的代價還比較昂貴。可以預(yù)期，隨著世界范圍內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)、高等院校、公司開發(fā)部門對高速切削的深入研究和開發(fā)應(yīng)用，高速切削加工的相關(guān)技術(shù)必將得到長足的發(fā)展。
