中国机械工程第11卷第1-2期2000年2月

文章编号:1004-132Ⅹ(2000)01-0190-05

超高速切削技术及其新进展

王西彬　解丽静

　　　　摘要:阐述了超高速切削的概念、特点和发展这项技术的重要性,分析了

超高速切削的技术体系、技术现状和发展趋势,并就我国发展超高速切削的基

础关键技术进行了讨论。

关键词:金属切削;超高速切削;刀具;机床中图分类号:TG7　　　文献标识码:A

王西彬　副教授

1　超高速切削技术的概念与特点

超高速切削的概念源于Salomon1929年所提出的至今仍令人感兴趣的2个假设,即在高速区,当切削速度超过切削温度最高的“死谷”区域,继续提高切削速度将会使切削温度明显下降,单位切削力也随之降低[1,2]。经过长期的研究和开发,特别是随着近十几年在刀具和机床设备等关键技术领域的突破性进展,超高速切削技术日渐成熟,正逐步走向工业实用化[3～6]。与60～70年代美、德等国开始大力进行这方面研究时相比,超高速切削技术的工艺和速度范围都大为扩展,不仅包括切削加工,还包括磨削和切割。在原理上采用像加工铝、铜合金那样使切削温度处于“死谷”之后的用量规范只占超高速切削加工中的一小部分,对大多数工件材料而言,超高速切削是指高于常规切削速度5倍乃至十几倍条件下所进行的切削。如今超高速切削在实际生产中切削铝合金的速度范围为1500m/min～5500m/min,铸铁为750m/min～4500m/

切削进给min,普通钢为600m/min～800m/min。速度已高达20m/min～40m/min。

不仅如此,超高速切削技术还在不断地发展着。在实验室,已可实现对铝合金达6000m/min以上的切削加工,机床进给系统的加速度可达3g,单层镀砂轮的磨削速度达300m/s,接近音速。切

削速度达到10000m/min、磨削速度达到和超过500m/s的研究也正在艰难的探索之中。未来的超高速切削技术将会达到音速和超音速。

采用超高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。这是因为随着自动化程度的提高,辅助时间、空行程时间已大大减少,工件在制时

收稿日期:1999—12—21

基金项目:国防科技预研资助项目(73.3.7.2)

间的主要部分为有效切削时间。而切削时间的多少取决于进给速度或进给量的大小。很显然,若保持进给速度与切削速度的比值不变,随切削速度的提

高切削时间将线性减少,加工成本也因此相应降低,由此可大幅度提升制造企业的快速响应能力。除此而外,超高速切削还有如下重要特点:

(1)能获得较高的加工精度　对同样的切削层参数,超高速切削的单位切削力明显减小。若在保持高效率的同时适当减低进给量,切削力的减幅还要加大。这使工件在切削过程的受力变形显著减小,有利于提高加工精度。特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效加工,超高速铣削是目前唯一有效的方法。

(2)能获得较高的加工表面完整性　超高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少,加工表面受热时间短、切削温度低,因此热影响区和热影响程度都较小,有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。

(3)加工能耗低、节省制造资源　超高速切削时,单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。以洛克希德飞机公司的铝合金超高速铣削为例,主轴转速从4000r/min提高到20000r/min时,切削力下降30%,而材料切除率增加3倍。单位功率的材料切除率可达到130cm/min kW～160cm/min kW,而普通铣削仅为30cm/min

能耗低,工件在制的时间短,kW。由于切除率高、

提高了能源和设备的利用率,降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例,因此超高速切削符合可持续发展的要求。

(4)能有效抑制切削振动的影响,降低加工表面粗糙度　超高速切削的力值及其变化幅度小,与主轴转速有关的激振频率也远远高于切削工艺系统的高阶固有频率,因此切削振动对加工质量的影响很小。另一方面,超高速切削即使采用较小的进

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