高速高效加工理论与技术

高速高效加工理论与技术1=- 1 =1概论高速高效加工是近年来迅速发展起来的集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术，是机械加工 技术的重要发展方向，其主要目的就是提高生产效率、加工质量和降低成本，在航空、航天、汽车、模具、 高速机车等行业中应用已取得重大经济效益，对提高加工技术水平，推动机械制造技术的进步具有深远的 意义。大力发展高速高效加工理论和技术，对于我国在机械加工领域摆脱以往的落后局面，促进我国装备 制造业发展具有重要的意义。相对于传统的机械加工来说，高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念，随着切削加工技术的 不断发展其速度范畴也发生着变化，对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的 切削速度也不相同。从切削速度方面，一般以高于510倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加 工。从切削机理上，高速切削加工可以定义为：切削加工过程通过能量转换，高硬刀具(切削部分)对工件 材料的作用，导致其表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为，形 成的热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。高速切削过程具有非线性、时变、大应变、高应变率、高温、 高压及多场耦合等特点。它包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工、高速 与超高速磨削、高效深切磨削、快速点磨削和缓进给深切磨削等1。2高速高效加工技术研究现状目前，对于高速高效加工理论的研究主要集中在两个方面：一是对高速高效加工机理的研究，二是对 于高速高效加工装备制造技术的研究。下面，我们就这两个方面分别做出介绍。2.1高速高效加工机理研究高速切削技术起源可追溯到上个世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl J. Salomon)博士 于1929年进行了超高速模拟实验，1931年发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。Carl J .Salomon的理论指出，在常规的切削速度范围内，在初期切削温度会随着切削速度的增加而提高，但是 温度升到一个峰值后，随着切削速度的继续增加而会下降，同时切削力也大幅下降，但该切削速度值与工件 材料的种类有关。图1为Salomon高速切削加工理论的示意图。I 600I 200颇400060() I 200 I SOO 2 4003 ()0()切削速度 Mm * min-1)图1 Salomon高速切削加工理论示意图1979年美国国防工程研究局开始一项为期4年的现代加工技术研究计划。该项研究的主要结论是：随 着切削速度提高，切削力降低，而切削温度随切削速度升高至工件材料熔点时，仍没有出现Salomon声称 的当切削速度超过临界速度时，切削温度开始降低的情况。19791988年德国达姆施达特(Darmstadt)工业 大学主要研究高速铣削加工特点，进行高速铣削铝合金、高速铣削铁系和非铁系材料的基础理论研究及高 速切削刀具和机床技术、高速切削工艺和高速切削加工技术的实际应用探索，获得了许多有价值的重要成 果3-4，为高速切削加工技术的发展和应用奠定了重要基础。近一段时间，人们的研究方向一直集中在高速高效切削过程中断屑形成机理方面的研究。高速切削切 屑形成试验研究表明：按照被加工材料的类型和工艺条件，对切削力和切屑变形的影响是不同的，存在着 连续切屑和断续切屑两种类型，在高速切削高导热性、低硬度合金或金属(如铝合金、软低碳钢等)时易形 成连续切屑，而在高速切削低导热性、密排六方多晶体结构、高硬度材料如钛合金、超耐热镍合金、高硬 度合金钢)时易形成断续切屑。研究还表明：在高速切削条件下切屑的形成过程和普通切削时不同，随着切 削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变，单位切削力初期呈上升趋势，尔后 急剧下降，塑性变形区变浅，残余应力及硬度变化减小。这些表明，在高速切削条件下，材料的切削机理 将发生变化，切削过程变得比常规切削速度容易和轻松。大多数研究者认为：在超高速切削铸铁、钢及难加工材料时，即使在很高的切削速度范围内不存在这 样的“死谷”，刀具耐用度总是随切削速度的增加而降低的；而在硬质合金刀具高速铣削钢材时，尽管随 切削速度v的提高，切削温度随之升高，刀具磨损逐渐加剧，刀具耐用度t继续下降，且t-v规律仍遵 彳盾Taylor方程，但在较高的切削速度段，Taylor方程中的m值大于较低速度段的m值，这意味着在较高 速度段刀具耐用度t随v提高而下降的速率逐缓，这一结论对于超高速切削技术的实际应用是十分有意 义的。目前，高速切削研究的热点理论问题为工件材料在高速切削过程中的变形理论，包括Johnson-Cook本 构方程、锯齿状切屑的形成、切削过程的计算机模拟仿真等囱。工件材料的本构关系是研究高速切削变形 的基础，较通用的本构方程为Johnson-Cook(JC)本构模型。也有研究人员提出用流体力学等理论研究高速 切削过程中的材料变形行为6-7。至今，确定本构关系最为普遍的试验方法是用分离式霍普金森压杆装置完 成，但只适于应变小于1、应变率在103104s-1的情况。由于切削加工是由挤压、摩擦而产生的剪切过 程，特别是高速切削加工产生的高压、高温和高应变率，其应变在2以上，应变率达105107s-1,上述 试验方法难以适应。至于温度对流动应力的影响，一种是流动应力随温度增加而减少，即软化效应；另- 种是在一定温度范围内，流动应力随温度升高而增大，即材料的硬脆效应。Johnson-Cook本构模型不能对 上述材料变形过程做出正确描述，由此可见，高速切削加工过程的本构方程有待深入研究和验证。因此， 建立更高应变率情况下的本构模型，对材料变形过程给出更加合理的解释是非常重要的。除此之外，为了 更好的对高速高效加工过程有更清晰的认识，开发更有效的高速高效实验方法，捕获切削变形的瞬态过程， 以验证理论研究成果也是十分有必要的。面对国外切削加工的飞速发展，国内学者也看到了该技术的巨大市场和前景。80年代末90年代初， 他们曾对高速切削的机理，工艺进行初探，但国内自主的高速切削加工设备尚未开发出来，随后航空航天、 汽车、模具等工业部门开始引进相当数量的高速切削设备以适应激烈的市场竞争，如上海大众汽车发动机 生产线。但是国内缺乏相应的高速切削机理及工艺技术的基础研究，使得高速切削生产缺乏稳定可靠的技 术指导，从而导致引进机床不能发挥其应有的优势，生产效率低，成本高。近年来许多学者根据国情开始对加工机理进行深入研究，利用引进设备做相关试验并做详细记录，对 不同材料进行了切削加工。上世纪80年代，山东大学切削加工研究小组对A12O3基陶瓷进行了高速硬切削 条件下的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等研究工作，并且得了一 定的成果冏。2005年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对涂层硬质合金刀具磨损机理进行了研 究9。2006年上海交通大学根据上海大众汽车的需求，用硬质合金刀具切削钛合金、镍基高温合金进行了 高速铣削的刀具磨损机理研究10。2008年，张义平等人针对TIAln涂层刀具进行了高速铣削淬硬钢的铣削 条件研究，并得出，对于不同硬度的淬硬钢，导致刀具失效的形式为后刀面磨损，刀具螺旋角以及润滑方 式对刀具磨损影响是不同的11。2009年曹焕亚等人对低温冷风高速切削时的硬质合金刀具磨损进行了新的 试验研究，对于高速铣削的刀具磨损在很大程度上都是从试验中研究机理，并用相关测量仪器对刀具磨损 程度进行说明12。与此同时，我国加强了与国外的技术交流。如同济大学与德国的达姆斯塔特工业大学(Darmstadt)建立 了相关的项目合作关系，并获得初步成果。在高速切削的设备技术方面有所进步。沈阳机床厂通过与国外 联合设计攻克了高性能车铣复合刀架、大直径大通孔的高速强力主轴、动力驱动单元、精度补偿和机床热 平衡等多项关键技术，开发出五轴车铣复合加工中心并完成了系列化、规格化产品的设计和生产13。我国 对于合金铸铁的高速切削研究非常少，2006年阮景奎等人对采用机夹式TIAIN涂层硬质合金铣刀高速铣 削合金铸铁时的锯齿状切屑形成过程进行了仿真分析，获得了切削参数对锯齿状切屑形成的影响规律14。 2009年，神会存等人对陶瓷刀具和PCBN刀具高速切削高铬白口铸铁Cr26时后刀面的磨损和切削性能进 行了对比试验分析研究，得出采用整体PCBN刀具可提高刀具使用寿命和切削效率15。总体来说，我国在 高速切削加工领域的技术研究应用与国外仍然存在着一定的差距，对于这种具有强大生命力的先进制造技 术，我们还需更加虚心学习与探索研究。2.2高速高效加工装备制造技术研究现状对于高速高效加工装备制造技术的研究方向包括：高速高性能主轴单元及进给系统设计制造控制技 术、高速高效加工用刀具磨具、高速加工工艺智能数据库及仿真优化技术、高速机床设计技术、高速高效 加工工艺等。（1）高速主轴单元关键技术。对于高速高效加工技术来说，它所要求的转速更高，甚至达到十几万转每秒，因此，与之配套的高速 主轴单元的性能也要求更高。依据动力学分析，机床主轴为了获得极高的快速响应（高的加速度和减速度）和高转速，必须最大限度 地减小旋转部件的转动惯量，措施就是采用“电主轴”单元结构。电主轴的特点是结构紧凑、质量轻、惯 性小和响应性能好并可避免振动和噪声，是高速主轴单元的理想结构。高速主轴支承是高速主轴单元设计的核心。设计和选择主轴支承时，不但要求在主轴旋转时有较高的 刚度和承载能力，而且要求有较高的使用寿命。国内外用于高速机床主轴支撑的轴承主要有：陶瓷球轴承、 静压轴承、动静压轴承、气浮轴承和磁悬浮轴承。陶瓷球轴承寿命有限，我国目前尚不具备生产高精度的 陶瓷球轴承能力；气浮轴承、磁悬浮轴承可以满足高转速要求，但能够提供的主轴刚度有限，难以适用铣 削等冲击切削负载的场合；静压轴承抗过载能力低。动静压轴承综合了动压与静压轴承的优点，在高速加工设备中有很好的应用前景与发展潜力，国内外 围绕动静压混合轴承开展了广泛的研究。CHEN等16-17把节流器、轴承、转子作为一个完整的系统，研究 了节流器样式、节流器参数、轴承的几何参数对轴承一转子系统稳定性的影响KUMARA等18通过对节 流器参数的设计达到轴承的最优动特性。GHOSH等3研究了短封油面多腔动静压轴承的稳定性。SATISH 等20对比了四腔与六腔动静压轴承的性能，从稳定性的角度看，六腔径向动静压轴承优于四腔径向动静压 轴承。GHOSH等21研究了高速涡轮泵紊流情况下多腔动静压轴承的转子动力学问题。国内还有许多其他 研究者对动静压轴承进行了理论与试验研究，取得了大量的研究成果。目前，在液体动静压电主轴领域，美国摩尔公司、德国流体动力公司、英国泰莱公司和意大利甘菲奥 尔股份公司处于领先地位。国内动静压轴承的研究几乎与国际同步。近20年来，以上海磨床厂、北京第 二机床厂、北京航空航天大学和湖南大学国家高效磨削工程中心等为代表的许多单位，开发并应用了各具 特色的动静压轴承技术。湖南大学开发出了已在磨床行业得到应用的电动机直联式电主轴和电动机内装式 液体动静压电主轴。（2）高速进给单元与控制技术。高速机床对进给系统提出了新要求：为了减少非切削时间，实现高效加工，必须实现进给的高速度； 为了保证轮廓切削形状的高精度和小的加工表面粗糙度值，要求进给系统具有良好的快速响应特性，即最 大限度地减少系统跟随误差。为此，高速机床进给系统还必须实现高的加、减速度进给，其值一般要求高 达1g10g。根据动力学分析，要获得高的进给加（减）速度，只有最大限度地降低进给驱动系统的惯量、移 动部件的质量和提高电动机的进给驱动力。而最理想的方案就是采用直线电动机直驱的结构形式，传统的 “旋转电动机+滚珠丝杠”的轴向进给方案受其本身结构的限制:刚性低、惯量大、非线性严重、加工精度 低、传动效率低和结构不紧凑等），一般其进给速度很难超过60m/min，加速度很难超过1.0g1.5g，满足 不了高速加工的要求。高速机床为满足机床大推力进给部件要求，主要采用的是交流直线电动机。带着直线电动机动件（初级） 的工作台，是高速进给单元的运动部件，其质量大小对进给系统的动态特性有着很大的影响。进给驱动系统应具有很高的控制精度和动态响应特性。目前对直线电动机的应用研究基本采用两种方 案：一是根据直线电动机的特点，对电动机本身和控制系统进行重新设计，探索和开发适用于直线电动机 的控制理论和控制技术；二是将研究重点集中在直线电动机本身上，对直线电动机的原理、结构、工作特 性及相关技术进行研究，而控制系统则仍然利用现有的变频调速和矢量控制技术，这种方案充分利用了已 有成熟的控制技术和产品，如变频调速、矢量控制技术等。高速加工条件下，由于主轴转速、进给速度和其加、减速度都非常高，从而对控制系统提出了比普通 数控机床更高的要求，必须具有高的数据运算处理速度和丰富的功能化特性，以实现高速插补和快速反应， 提高刀具或工件的进给运动轨迹控制精度，保证零件的加工质量。高速加工对CNC快速反应能力的要求 具体体现在两个方面:一是单个程序段处理时间要短;二是确保高速下的高精度插补。为此，高速加工CNC 控制系统需使用多数据位和多个微处理器，同时要采用先进的轮廓控制技术等，如回冲加速、新型NURBS 插补等平滑插补、钟形加减速、前馈控制、精确矢量补偿、最佳拐角减速控制及大数目超前程序段预处理 等，保证具有快速反应能力而且功能丰富、高效、高精度。（3）高速加工的工具技术及工具系统。刀具的核心问题是材质、形状及其组合效果，如梯度功能材料，使用金属晶须增强的刀具材料与特殊 形状，以超微粒子化和结晶控制的刀具材质，以波形切削刃、大前角断屑槽为代表的刀具形状等，不使用 稀有金属（如钨、钻、钼等）的刀具材料和涂层技术等。随着高速高效切削加工技术的发展与进步，被加工材料能级的不断提高，高强和超高强度材料、高韧 性、难切削等材料层出不穷，对切削刀具材料及刀具结构提出了更加苛刻的技术要求，需要刀具能够满足 高速切削、干式切削、高进给切削、大余量切削和高效复合切削等高速高效加工方式的要求22目前用于高速高效加工的刀具材料主要包括金刚石、陶瓷刀具、硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合 金刀具等，每一种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和一定的切削速度范围，不 同的刀具材料或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别，所谓万能刀具是不存在 的。因此，合理选用刀具材料是成功进行切削加工的关键。每一品种的刀具材料都有其最佳加工对象，也 即存在切削刀具材料与加工对象的合理匹配问题。切削刀具材料与加工对象的匹配主要指二者的力学性 能、物理性能和化学性能相匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。高速切削条件下刀具的失效是在非线性多强场交互与耦合作用下，由微观缺陷（微裂纹、孔洞）成核、 疲劳损伤累积，到宏观尺度缺陷（磨损条纹、磨损带、磨损沟槽、热一机械疲劳裂纹）形成直至发生严重的 磨损、脆性破损和塑性变形破坏的演变过程。应用工程分析技术（如有限元）对刀具强度进行数值模拟分析， 可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力应变及温度的分布规律，获得应力应变及温度 分布图并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析 提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供一种新方法。除此以外，刀具监控、主轴刀柄联结及高 速主轴和刀具磨具总成后的动平衡技术也是当前研究的重点。（4）高速加工工艺智能数据库及仿真优化技术。建立切削数据库，为机械制造业提供合理或优化的切削数据是提高加工精度、表面质量和加工效率的 最有效措施之一，而且切削数据库还是发展各种现代制造技术（如CNC，CAPP，CAD/CAM，FMS，CIM 等）的一项基础性工作，也是这些系统公共制造数据库的重要组成部分，它的经济效益是非常可观的。二十世纪八十年代及以前，世界各国建立的金属切削数据库大都以系统性、全面性为主要要求，这需 要花费大量的人力、物力资源，且耗时长久，以至切削数据库的水平往往落后于制造技术的发展水平。进 入二十世纪九十年代后，计算机技术在制造业领域中的应用逐渐加强，CNC，CAPP，CAD/CAM，FMS， CIM等在机械制造业得到了较为普遍的应用。这使得切削数据库的研究重点逐渐转向以专业性为主，世界 各国的有关机构、研究单位所建立的切削数据库大都具有很强的针对性。在此期间的研究成果大量涌现， 如K. J. Fernandez等人向利用面向对象技术研究了集成刀具选择系统ITSS，实现了在CIM环境中按照加 工精度、表面粗糙度、加工成本等用户要求由计算机完成对不同工件选用相应车削刀具的功能，克服了以 往靠操作者经验选择带来的偏差和不一致性；J. H. Zhang，S. Hinduja等人24-25专门针对车削加工的刀具 选择及优化进行了研究，认为制造领域的智能系统离不开人的干预，并结合人工智能技术的成果建立了半 智能化的刀具选择系统SITS； B. Y. Lee等人研究了车削加工数据库的建模问题，用多项式网络合成算法 解决了切削用量及切削性能的优化;A. kaldos等人利用计算机辅助技术研究了高速铣削加工中的工艺参数 优化问题，这些都是建立切削数据库必须要解决的问题。（5）高速机床设计技术。机床设计主要涉及结构设计、整机动静热特性的分析与预测、机电系统的耦合等。高速加工机床在高 速切削状态下，产生的切削力，以及因速度很高，产生的较大附加惯性力均会作用在床体上，因而机床床 身受力较大。设计时必须要求其具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。此外，高刚性和阻尼特性也是高 速加工中保证加工质量和提高刀具寿命的需要。另外，高速加工过程中，若刀具断裂，易于造成危险和人 身伤害。为此，高速机床必须用足够厚的钢板将切削区封闭起来，确保人身和设备安全，同时还要考虑便 于观察切削区状况。通过新型换刀结构设计，保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷，换刀时间短， 也是高速切削加工机床要求所必须的。高速加工情况下，单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多，热变形较大。机床结构设计必须 保证其在内部热源和外部热源作用下，不会产生较大的热变形。为此，高速加工机床上一般要采取特殊的 冷却措施，来冷却主轴电动机、主轴支撑轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜等，有的甚至冷却主轴箱、 横梁、床身等大构件。同时因高速加工下的动态力（惯性力、切削力、阻尼力等）和静态力（夹紧力等）较大， 机床各支撑部件和其总体必须具有足够的动、静刚度，不致产生较大的力变形，保证零件的加工精度和加 工的安全性、可靠性。3高速高效加工理论和技术的发展预测3.1硬件方面的发展趋势研制全新结构的高速切削机床，来增强机床的床身刚度。开发新一代的大功率、高转速、小质量的电 主轴，研制直线电机来驱动工作台，减少中间的传动环节，避免传统的旋转运动转换到直线运动。研制新 一代高精度智能CNC控制系统及其伺服系统来满足高速加工的高速度和高精度的要求。开发研制新一代抗热震性好、耐磨性好、耐用度高的刀具材料和刀具结构。现有刀具材料虽然具有良 好的高温切削性能，但因抵抗不了高频率的热震冲击而损坏。另外一方面，应在高速刀具的结构本体上加 大科研开发力度，开展刀具动平衡试验研究，进行刀具结构CAD优化设计和安全可靠性设计，实现高速 切削刀具的系列化、标准化。目前，根据有限元的方法可以大大的减少高速机床的研制时间和费用，可以根据高速高效加工的特点， 建立符合其实际工况的模型，在划分有限元网格的基础上对其施加一定的载荷，以此来模拟其实际工作情 况下的应力、应变、温度场等一系列的变化。这种方法不仅可以了解机床的工作情况，还可以大大的缩短 机床的研制时间，降低机床的研制费用，这对于现代制造来说是非常有必要的。3.2软件方面的发展趋势目前对高速加工的切削机理，高速加工切削力的建模，高速切削刀具的寿命等诸多问题研究不够深入， 不能为刀具设计、高速工艺的制定提供充分的理论依据。今后需要通过更多的理论研究和切削实验，来深 入研究高速切削变形机理以及切削力、切削热量、刀具磨损和切削参数间的定量关系。高速切削技术在工艺流程、刀具选用和切削参数的制定等方面与普通切削加工有较大差别，实际生产 中缺乏相应的理论和实践经验供参考。开发研制涵盖面广的实用化高速切削数据库，来指导高速切削时的 加工参数的选用，加工工艺的制定。开发适用于高速加工的新型智能传感器，对高速切削加工中切削力、切削热、刀具状态及工件加工质 量等进行实时的在线监控，将高速切削加工过程中的切削力、切削热、刀具状态及工件加工质量等进行综 合建模，开展刀具状态以及加工质量的预测。1 艾兴.高速切削技术和刀具材料现状与展望J.世界制造技术与装备市场(WMEM)，2001(3)： 32-36.2 ZHANG Bolin. High-speed cutting technology and application M. Beijing： China Machine Press， 2004.3 ASTAKHOV V P, SHVETS S. The assessment of plastic deformation in metal cutting J. Journal of Materials Processing Technology， 2004， 146： 193-202.4 黄燊华.切削力学M.北京：机械工业出版社，1988.5 艾兴，刘战强，赵军，等.高速切削加工技术M.北京：国防工业出版社，2003.6 KAZBAN R V，MASON J J. Fluid mechanics approach to machining at high speedsJ. Machining Science and Technology，2007，11(4)： 475-489.7 ARSECULARATNE J A，KRISTYANTOB，MATHEWP. 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