第三章 37 超高速加工技术
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1、3.7 超高速加工技术华北电力大学机械工程系花广如3.7 超高速加工技术3.7.1 概述3.7.1.1 超高速加工技术内涵、范围及技术地位 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。 它是提高切削和磨削效果以及提高加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。o 超高速加工的切削速度范围因不同的加工材料、不同切削方式而异，目前尚无确切的定义。一般认为，超高速加工各种材料的切削速度范围为：铝合金已达到20007500m/min;铸铁为9005000m/min;钢
2、为6003000m/min。各种制造加工工序的切削速度范围为：车削为7007000m/min;铣削为3006000m/min;钻削为2001100m/min;磨削为150m/s以上。o 超高速加工技术从发展趋势来看，到21世纪初可实现超高速加工的材料将覆盖大多数工程材料，可加工各种表面形状的零件，可由毛坯一次加工成成品，并实现精密甚至超精密加工。3.7.1.2 超高速加工技术的发展现状及应用 近30年来，世界工业发达国家不断努力地把高速和超高速加工技术应用于生产，取得了巨大的经济效益和社会效益。 o 1.超高速切削技术的发展现状 工业发达国家对超高速切削加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，
3、处于领先地位的主要有德国、日本、美国和意大利等国家。 我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，主轴工业应用转速尚未突10000rmin，快速进给速度在30mmin以下。1 产生背景o 泰勒(Frederick Taylor)是最早研究切削理论的学者之一，早在一个世纪之前提出了著名的泰勒公式，被成为“金属切削奠基人”。o 20世纪上半叶，一些研究者发现，随着切削速度的提高，刀具磨损加快，但切削速度大幅度提高后，又可以正常切削。对泰勒公式提出质疑。o 19241931，德国切削物理学家萨洛蒙进行
4、了一系列高速切削试验，于1931年提出了超高速切削理论并申请了专利。o 萨洛蒙指出：在常规切削速度范围内（A区），切削温度 随切削速度增大而提高，但当切削速度增大到一定值vc之后，切削速度再增加时，温度反而降低；vc与材料有关；对每种材料，存在一个“死谷”，图中B区，此范围内温度太高以致任何刀具无法承受。o 但如能越过此谷，是否可进行超高速切削？o 此后，美国，德国，日本的研究小组都对超高速切削进行了深入的研究，使超高速切削理论日趋成熟。o 美国：Vaughan指出：随着速度提高，塑性材料的切屑形态从带状，片状向碎屑状演变；初期切削力呈上升趋势，而后急剧下降；超高速条件下刀具磨损减少95，且不
5、受切削速度的影响。o 日本：Y.Tanaka研究发现在超高速切削时，绝大部分切削热被切屑带走，工件基本保持了冷态。o 德国：得到了国家技术研究部的鼎力支持，发展最为广泛，研究最为成熟，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国得到广泛应用。o 目前世界尚无统一标准：一般把切削速度比常规切削高出5倍到10倍的切削加工叫做超高速切削。o 优越性：o 1 加工时间大大缩短，提高了加工效率和设备利用率，缩短了生产周期o 2 超高速切削力降低30以上，减少了工件变形，提高了精度，通时延长了刀具寿命。o 3 减少了热变形和内应力，提高精度。o 4 加工更平稳o 2.高速和超高速磨削技术的发展现状 在高速和超
6、高速磨削技术方面，为了提高磨削效率，人们开发了高速磨削、超高速磨削、深切缓进给磨削、高效深切快进给磨削（HEDG）等许多高速高效磨削技术，这些技术在近20年来得到长足的发展及应用。o 国内50ms高速磨削研究起始于1958年，近20年来其发展十分缓慢，目前工业应用的砂轮速度一般还是4560ms，未能超过80ms 。 o 超高速切削目前主要用于以下几个领域： (1)大批生产领域如汽车工业，如美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制HVM800卧式加工中心已实际用于福特公司的生产线。 (2)工件本身刚度不足的加工领域，如航空航天工业产品，目前采用超高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚度仅为1m
7、m。 (3)加工复杂曲面领域，如模具工具制造。 (4)难加工材料领域，如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为：加工航空航天铝合金2438mmin (5)超精密微细切削加工领域o 实现超高速加工技术的核心关键技术主要有： 超高速切削、磨削机理 超高速主轴单元制造技术 超高速进给单元制造技术 超高速加工用刀具、磨具 超高速机床支承及辅助单元制造技术 超高速加工测试技术3.7.1.3 超高速加工技术关键技术3.7.2 超高速切削、磨削机理 超高速加工技术的理论研究可追溯到20世纪30年代，即1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙发表的著名的超高速切削理论，即人们常提及的“萨洛蒙曲线”，超
8、高速切削概念可用下图示意。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内(见A区)，切削温度随切削速度的增大而提高，但是，当切削速度增大到某一数值v，之后，切削速度再增加，切削温度反而降低；v：之值与工件材料的种类有关，对每种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内(见B区)，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个范围被称之为“死谷” (deadvally)。o 切削温度是指刀具表面与工件和切屑接触处的平均温度 。o 被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削
