我国高速切削工艺的发展

高速切削技术因大幅度节省切削工时并实现高效精密生产,被视为现代制造技术的里程碑。

1高速切削技术国外研究现状

高速切削技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的。德国Darmstadt工业大学PTW所以舒尔茨教授为核心的科研小组和日本京都大学工学研究科以垣野教授为核心的课题组均已研制出商品化的高速切削机床,在德国和日本的企业界,都分别享有较高的声誉。

舒尔茨教授在德国政府强有力的资助下,联合18家企业,共同攻关,从1984年到1989年,完成高速切削机床各相关硬件与软件的开发,研究水平超过了当时居领先地位的美国。1993年,直线电机的出现拉开了高速进给的序幕,从而也使高速切削技术走向成熟应用阶段。目前,PTW所研制的高速机床已在德国许多企业里应用。高速立式铣削加工中心是该所特色产品,实用化的主轴转速为60,000r/min,最快进给速度X、Y、Z轴均为60m/min,加速度为2.5g,重复定位精度±1μm。

PTW所在研制高速切削机床的同时,还在高速切削工艺方面进行深入研究,在有色轻金属、复合材料、铸铁及模具钢等高速切削机理研究方面形成系统理论,以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性为目标,对高速切削工艺进行优化,对指导高速切削生产起到很大作用。研究内容有各种材料高速切削过程中切屑形成机理,刀具材料及切削参数优化,面向高速切削过程的CAD/CAM系统开发,刀夹系统安全性设计,刀具结构设计及动平衡,刀具空间位姿及走刀路径控制,少量气束喷雾冷却技术等。该所高速切削研究成果已应用于汽车发动机、飞机框架构件及涡轮叶片的制造。

垣野教授联合9家企业,于1996年研制出日本第一台商品化卧式高速切削加工中心,该加工中心主轴转速30000r/min,最大进给速度80m/min,加速度为2g,重复定位精度±1μm。同时也致力于高速切削工艺研究,主要内容包括高速切削工艺数据库,高速切削刀具磨损破损机理,切屑控制,高速切削过程CAD/CAM系统开发及质量控制等,从而加速高速切削技术产业化进程。目前,垣野研究室研究成果在日本企业界甚至在国际上均产生重大影响。

2国内高速切削研究成果及存在问题

我国在90年初开始有关高速切削机床及工艺的研究。研究内容包括水泥床身、超高速主轴系统、全陶瓷轴承及磁悬浮轴承、快速进给系统、有色金属及铸铁超高速切削机理与适应刀具等方面。通过我国科技工作者的艰苦工作,各项关键技术都取得了显著进展。部分单项技术指标可达国际先进水平。然而高速切削机床是诸多高新技术的高度集成,并且在一定的市场需求驱动下才能真正发展起来。

目前,真正应用于工业生产的完全由我国自行开发的国产高速切削机床还没有。从在北京举办的1998年第4届中国机床工具商品展览交易会的机床展品中,可以看出国产机床概况:车床的最高转速小于3000r/min,加工中心40号主轴的转速小于6000r/min,50号主轴的转速小于4000r/min,进给速度小于20m/min,无内藏式电机主轴及直线电机的机床样品展出,展出的加工中心均无实物加工展示。

高速切削是建立在制造技术全面发展的基础上的,一方面是数控机床的主机结构和数控系统具备了更高的刚性、更快的运动速度和精度,另一方面是各种刀具材料性能显著改善,以及新型刀具材料和涂层工艺的开发和推广应用,性能更耐磨、更可靠,价格相对低廉的刀具材料成为发展高速切削的可靠保证。

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