超高速切削技术及其新进展——王西彬　解丽静切削液的整个生命周期都有一定程度的环境污染和资源耗费。尤其超高速切削的切屑温度很高,切屑量很大,切削液更易蒸发和分解造成较大的污染。采用干切削或最小量雾化润滑(MQL)的准干切削方式,会从根本上改善切削的环境状态,达到工业生产的有关环保标准(ISO14000系列)要求,同时节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。刀具技术是达到这一目的的关键。德国在这方面的研究处于领先地位。

(2)在重切削工艺中进行超高速切削　重切削(Heavy-duty)是指对大型或重型零件的切削加工,它的特点是切深大、切削负荷重、功率高、切削时间长、加工效率低。在重切削加工中进行超高速切削的技术难度更大,但对提高我国大中型设备制造的生产效益有十分重要的作用,如新日本工机SNK的某车床超高速加工大型轧辊,比普通加工的效率提高5倍。

(3)开发和完善各种超高速切削工艺方法　目前,超高速切削的研究和应用主要针对铣、镗工艺。而孔加工(钻、铰和攻丝)工艺约占切削总量的30%以上,切削处于半封闭状态的恶劣条件。车削则是一种更为普遍的切削工艺。研究和开发这两类加工中的超高速切削技术特别是对黑色合金的高速孔加工技术,将有利于机械加工效益的全面提高。孔加工的难点在于刀具和孔区材料的加工温度都很高,孔内高速排屑困难,特别在孔径方向的速度梯度很大时,有一些特殊的规律,因此开发出耐高温磨损、排屑效率高的刀具系统是实现超高速孔加工的关键。车削是工件旋转,不同工件的尺寸、重量和不平衡质量都会在较大范围内变动,并且这些参数在切削过程还将发生变化,这就要求超高速车床的主轴系统有更高、更可靠的动态特性和自平衡能力。这也是超高速车床或车削中心至今很少的一个主要原因。

(4)难加工材料的超高速切削　难加工材料的切削加工性极低,如铁基高温合金的相对加工性仅为0.2左右。由于材料的导热性差,切削温度高,刀具磨损快,普通切削时受刀具材料的限制,只能采用很低的切削速度。如今,难加工材料使用愈来愈广泛,特别在国防工业中难加工材料占有很大的比例。这类材料的超高速切削依然是一个久攻难克的问题。通过深入研究难加工材料的切削特征,提高超硬刀具材料稳定性、研制新型刀具材料及新型制作工艺(如基于高温固体润滑原理的纳米复合涂层工艺),开发出适合于难加工材料超高速切削的刀具系统,将使其速度范围有较大的提高。到“十

五”末,可使钛合金的超高速铣削速度达到200m/min左右。

(5)基于新型检测技术的加工状态监控系统　主轴转速和进给速度的极大提高,一方面使工况监控比以往更为必要,监控内容除传统的加工质量外还增加了加工过程的稳定性和安全性。另一方面对监控系统的灵敏性、瞬时响应性和可靠性提出了更高的要求,需要改进检测方法或采用新的检测原理,例如加工中心通常用装在主轴的扭矩轴承监测刀具工作是否正常。若超高速机床继续采用这种方法,显然主轴的转动惯量由此而增加,要求扭矩轴承必须经过高精度的动态平衡,且其材料也应保证在高转速条件下有足够的耐磨性。但要实现这些要求,工艺技术方面有较大的难度。另一种基于主轴功率变化的检测方法因实时性不够而难以达到要求。因此必须研究采用质量轻、体积小、灵敏度高的新型传感器(如Z元件)和开发具有多项检测功能的超高速切削监控系统。

5　发展我国超高速切削的基础技术

如前所述,我国在超高速切削技术领域进行了一定程度的研究,但与国外在这一领域,特别在技术基础方面尚有很大的差距而亟待发展。显然,刀具技术作为实现超高速切削的前提,数控机床和加工中心则是实现超高速切削的关键设备,两者均应是重点研究开发的基础技术。主要研究内容如下:

(1)超高速切削、磨削机理　对超高速切削和磨削加工过程,切削、磨削现象与规律,各种被加工材料的超高速切削、磨削加工性,干切削技术以及各种超高速切削、磨削工艺的参数优化等进行系统的研究。值得指出的是我国在这方面的研究还很薄弱。

(2)超高速加工的新型刀具、磨具材料　研究开发各种适合超高速加工用刀具、磨具材料及其制备技术和使用技术,刀具材料及切削参数的优化选择。使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平。砂轮磨削速度达100m/s～150m/s。

(3)超高速切削刀具几何参数和结构设计　包括刀具几何角度的优化选择、刀体安全结构、刀片夹紧结构、回转刀具的动平衡及其安全性技术(旋转刀片应在2倍于最高转速时不破裂)。(4)高速、高精度端面定位的HSK刀具锥柄及工具系统　包括高速ATC自动换刀装置、机械手换刀方式、刀-刀达1.5S。

(5)大功率、超高速主轴单元技术研究　包括