超高速加工发展状况及趋势

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1、超高速加工发展状况及趋势随着吋代发展与科学进步，各个国家关于对超高速加工技术的投资与研究使用的比例越來越高，但是各国的发展水平却依然存在很大的差距。超高速加工到2005年基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达40〜60m/min，砂轮磨削速度达100〜150m/s;超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。超高速加工已经成为先进制造技术竞争的一个制高点。超高速加工中，工件与刀具相互高速撞击，力的瞬态作用使剪切局限在一个微区域，能量在此微区的耗散使材

2、料局部高温，可能达到熔化或接近熔化的状态。正反馈效应使局部绝热剪切作用愈加增强。切削速度越高，这种绝热剪切作用也越强，接近音速的超高速切削走向极端条件，带来了诸多新机理研究和对传统切削机理的突破性挑战。机床工作在数万转/分转速下承受冲击载荷，依然达到u级的工作精度，要求实现机床主轴系统旋转的高精度高稳定性控制以及整机动静热特性的精确设计。冲击载荷卜，主轴的高刚度、高精度耍求轴承工作间隙很小，在微间隙屮轴承润滑介质受到强剪切与挤压，同样达到了一种极端的工况。超高速加工技术是指釆用超硬材料的刃具，通过极人地提高切削速度和

3、进给速度來提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工技术主耍包括:超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。超高速加工的切削速度范闱因不同的工件材料、不同的切削方式而异。超高速切削是金展切削加工技术的新发展。在今后15年内，现代机床技术将在机床设计、结构、金属切削效率和生产率等方面有重大突破。预计九十年代生产的机床将比七十年代生产的机床体积更小,速度更快。它将采用强度与重量之比很高的材料（冇色金属狈非

4、金属材料）來代替钢和铸铁。在加工速度方面，未来的机床主轴将以10万转/分的速度进行工作，金属切削效率将为今夭的十倍，加工精度和表而光洁度也将冇本质上的改进。十*而对美W洛克希徳飞机公司研究和试验超高速切削加工的情况作一概拈介绍。超高速切削原是美国洛克希德公司在三十年代提出的一个实验理论，它认为金属切削效率直接与切削速度有关。特别是该理论断定，当切削速度在10万英尺/分（3万米/分）以上时，金展切削效率将提高50~1。。0倍。这个理论直到五十年代后期才得到证实。当时该公司在加工口径为20毫米的滑膛大炮炮筒时进行了试验，

5、试验结果表明，增加切削速度有助于提高生产率，并充分证明超高速切削的理论是可行的。但是由于当时冇些技术问题没冇解决，特别是刀具和工件的高速运动的控制还存在一系列的问题，因此，对超高速切削的研究中断了。六十年代初,美W空军主持研究用超高速切削方法，加工钦、铝、不锈钢和热处理钢，他们使用单刃刀具加工火箭发动机零件，切削速度达到1.5~36万英尺/分（。.45、10万米/分），研究表明，用超高速切削方法加工这些宇宙航空用的金属材料,切削效率要比用普通方法加工高很多倍。机械装备大多工作在力热耦合状态下，现代CAE技术对连续的机

6、械结构的特性预测已达到很高的精度。分析的W难发生在结构界面造成的不连续性。因此，无论整机的结构设计，还是高速切削中，刀具与工件材料的强烈摩擦，以及高速轴承支承的工作表面与润滑介质的相互作用都存在界面强耦合作用问题。Salomon1台j速切i*jij(highspeedmachining,HSM或highspeedcutting,HSC)的理念提出以来，超越“热沟”、切削力和切削热同吋下降的假设始终未得到验证。超高速加工过程中，被切材料与刀具以接近声速进行瞬间碰摘，材料的高速激烈应变和切屑的瞬间形成，工件材料的应变达到

7、1-10,应变速率达到105-107/s,甚至更高，工件材料发生剧变，工件材料发生超强应变过程及工具一切屑一工件之问剧烈的摩擦学行为将导致在局部区域产生高温，工件材料接近或达到熔化状态，形成绝热剪切。在这些极端工作状态下，工件材料被软化剥离去除而形成高精度、高光洁表面。工件材料冇时发生塑脆或脆塑转变，传统金属切削加工的剪切滑移理论已很难适用超高速切削研究。祸示超高速切削的机理，探明其科学实质，不仅是对传统切削理论的突破，同时可实现切削速度的跨越，从而获得更高的制造效率和更高的加工质量，降低能耗，并为解决高速加工工具的

8、设计、使用以及最佳工艺选择提供理论依据。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min,超耐热镍合金达300m/min,欽合金达150〜1000m/min，纤维增强塑料为2000〜9000m/mino各种切削工艺的切速范围为:车削700~7000m/min,铣削300〜6000m/nii