摘要：高速切削工藝以高效、精密和柔性為基本特征，被視為現(xiàn)代制造技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。從國外研究現(xiàn)狀、國內(nèi)已有的實(shí)際研究成就，以及目前國內(nèi)存在的問題和提高切削速度帶來的經(jīng)濟(jì)效益等方面，探討高速切削工藝在我國的戰(zhàn)略地位、高速切削工藝研究內(nèi)容及有關(guān)研究基地建設(shè)問題，以便有利于高速切削工藝健康迅速發(fā)展，為振興我國的機(jī)械工業(yè)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。
高速切削技術(shù)因大幅度節(jié)省切削工時(shí)并實(shí)現(xiàn)高效精密生產(chǎn)，被視為現(xiàn)代制造技術(shù)的里程碑。
1高速切削技術(shù)國外研究現(xiàn)狀
高速切削技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高精度測量測試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展的基礎(chǔ)上綜合而成的。德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)PTW所以舒爾茨教授為核心的科研小組和日本京都大學(xué)工學(xué)研究科以垣野教授為核心的課題組均已研制出商品化的高速切削機(jī)床，在德國和日本的企業(yè)界，都分別享有較高的聲譽(yù)。
舒爾茨教授在德國政府強(qiáng)有力的資助下，聯(lián)合18家企業(yè)，共同攻關(guān)，從1984年到1989年，完成高速切削機(jī)床各相關(guān)硬件與軟件的開發(fā)，研究水平超過了當(dāng)時(shí)居領(lǐng)先地位的美國。1993年，直線電機(jī)的出現(xiàn)拉開了高速進(jìn)給的序幕，從而也使高速切削技術(shù)走向成熟應(yīng)用階段。目前，PTW所研制的高速機(jī)床已在德國許多企業(yè)里應(yīng)用。高速立式銑削加工中心是該所特色產(chǎn)品，實(shí)用化的主軸轉(zhuǎn)速為60,000r/min，最快進(jìn)給速度X、Y、Z軸均為60m/min，加速度為2.5g，重復(fù)定位精度±1μm。PTW所在研制高速切削機(jī)床的同時(shí)，還在高速切削工藝方面進(jìn)行深入研究，在有色輕金屬、復(fù)合材料、鑄鐵及模具鋼等高速切削機(jī)理研究方面形成系統(tǒng)理論，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性為目標(biāo)，對高速切削工藝進(jìn)行優(yōu)化，對指導(dǎo)高速切削生產(chǎn)起到很大作用。研究內(nèi)容有各種材料高速切削過程中切屑形成機(jī)理，刀具材料及切削參數(shù)優(yōu)化，面向高速切削過程的CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)，刀夾系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)平衡，刀具空間位姿及走刀路徑控制，少量氣束噴霧冷卻技術(shù)等。該所高速切削研究成果已應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)框架構(gòu)件及渦輪葉片的制造。
垣野教授聯(lián)合9家企業(yè)，于1996年研制出日本第一臺(tái)商品化臥式高速切削加工中心，該加工中心主軸轉(zhuǎn)速30000r/min，最大進(jìn)給速度80m/min，加速度為2g，重復(fù)定位精度±1μm。同時(shí)也致力于高速切削工藝研究，主要內(nèi)容包括高速切削工藝數(shù)據(jù)庫，高速切削刀具磨損破損機(jī)理，切屑控制，高速切削過程CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)及質(zhì)量控制等，從而加速高速切削技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，垣野研究室研究成果在日本企業(yè)界甚至在國際上均產(chǎn)生重大影響。
2國內(nèi)高速切削研究成果及存在問題
我國在90年初開始有關(guān)高速切削機(jī)床及工藝的研究。研究內(nèi)容包括水泥床身、超高速主軸系統(tǒng)、全陶瓷軸承及磁懸浮軸承、快速進(jìn)給系統(tǒng)、有色金屬及鑄鐵超高速切削機(jī)理與適應(yīng)刀具等方面。通過我國科技工作者的艱苦工作，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都取得了顯著進(jìn)展。
部分單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可達(dá)國際先進(jìn)水平。然而高速切削機(jī)床是諸多高新技術(shù)的高度集成，并且在一定的市場需求驅(qū)動(dòng)下才能真正發(fā)展起來。目前，真正應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的完全由我國自行開發(fā)的國產(chǎn)高速切削機(jī)床還沒有。從在北京舉辦的1998年第4屆中國機(jī)床工具商品展覽交易會(huì)的機(jī)床展品中，可以看出國產(chǎn)機(jī)床概況：車床的最高轉(zhuǎn)速小于3000r/min，加工中心40號主軸的轉(zhuǎn)速小于6000r/min，50號主軸的轉(zhuǎn)速小于4000r/min，進(jìn)給速度小于20m/min，無內(nèi)藏式電機(jī)主軸及直線電機(jī)的機(jī)床樣品展出，展出的加工中心均無實(shí)物加工展示。
高速切削是建立在制造技術(shù)全面發(fā)展的基礎(chǔ)上的，一方面是數(shù)控機(jī)床的主機(jī)結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)具備了更高的剛性、更快的運(yùn)動(dòng)速度和精度，另一方面是各種刀具材料性能顯著改善，以及新型刀具材料和涂層工藝的開發(fā)和推廣應(yīng)用，性能更耐磨、更可靠，價(jià)格相對低廉的刀具材料成為發(fā)展高速切削的可靠保證。
國內(nèi)在高速切削工藝研究方面取得了許多成果，盡管不能形成系統(tǒng)理論，但畢竟為推動(dòng)高速切削技術(shù)的應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。目前我國在陶瓷刀具材料、細(xì)顆粒和超細(xì)粒牌號的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金及陶瓷、金剛石薄膜涂層刀具和CVD沉積厚膜刀具、立方氮化硼刀具等方面，開發(fā)及應(yīng)用均形成一定規(guī)模，為實(shí)現(xiàn)高速切削提供適用的刀具。本課題組為某汽車公司發(fā)動(dòng)機(jī)高速切削生產(chǎn)線刀具國產(chǎn)化做了有益的工作，直接經(jīng)濟(jì)效益非常可觀；為某飛機(jī)公司平尾上壁板鋁合金構(gòu)件的高速銑削工序設(shè)計(jì)研制專用的立銑刀，取得了穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在鋁合金結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工中，常規(guī)的銑削用量是轉(zhuǎn)速4500～6000r/min，進(jìn)給速度1000mm/min，徑向切深5～30mm，軸向切深5mm，刀具為普通立銑刀YG6；使用本課題組提供的專用立銑刀YG6時(shí)，銑削用量為轉(zhuǎn)速12000～15000r/min，進(jìn)給速度2400mm/min，徑向切深5～30mm，軸向切深10mm。加工質(zhì)量完全符合圖紙要求，刀具具有良好切削性能，生產(chǎn)率提高1.6倍，實(shí)際工時(shí)節(jié)約62.5%，刀具壽命按加工量計(jì)算提高約30%，該工序每年節(jié)約150萬元。
由于高速切削具備一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，因而首先受到航空航天、汽車、模具等行業(yè)的青睞，這些部門進(jìn)口的高速切削機(jī)床已頗具規(guī)模。然而，由于國內(nèi)缺乏高速切削基礎(chǔ)理論體系和工藝技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)研究，因而高速切削生產(chǎn)中缺乏可靠的技術(shù)指導(dǎo)，生產(chǎn)中工藝不盡合理，沒有充分發(fā)揮高速切削所固有的高效精密的優(yōu)勢。其原因歸納如下：
高速切削技術(shù)在切削原理上是對常規(guī)切削的重大突破，在切削加工工藝安排、切削用量選擇及刀具應(yīng)用等方面有較大的特殊性，普通切削工藝及傳統(tǒng)刀具不能滿足高速切削技術(shù)要求，而這一點(diǎn)往往沒有被實(shí)際操作人員認(rèn)識。
生產(chǎn)實(shí)際中缺乏較全面的實(shí)用化的高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。
高速切削刀具未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。
3高速切削工藝的戰(zhàn)略地位
在各個(gè)國家的生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)的作用往往占60％左右，各種高科技只有通過制造技術(shù)才能形成產(chǎn)品。由于歷史的原因，我國的制造技術(shù)發(fā)展曾受到一些冷遇，尤其是工藝知識沒有被重視，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，我國的許多產(chǎn)品在國際市場上缺乏競爭能力。近年來，
國際國內(nèi)形勢的發(fā)展給我國機(jī)械制造業(yè)帶來了機(jī)遇，尤其是給高速切削工藝的應(yīng)用提供了有利條件。主要體現(xiàn)在以下幾方面：
各種高尖新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品能否占領(lǐng)市場主要取決于產(chǎn)品的性能價(jià)格比。高效率生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是贏得競爭的惟一途徑。高速切削工藝的優(yōu)勢，也體現(xiàn)在高效率、高精度等方面。
隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高，激烈的市場競爭，迫使目前我國擁有的高速切削機(jī)床的規(guī)模還要擴(kuò)大，這必將要求有較為成熟的高速切削工藝與之相匹配，使之充分發(fā)揮作用。
航空部門大型整體薄壁飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工將普遍采用高速銑削工藝，減輕整機(jī)重量，提高飛機(jī)整機(jī)性能。
模具制造業(yè)中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高進(jìn)給速度、小切深、小走刀步距、能連續(xù)長路程切削的模具加工新工藝，對淬硬鋼的高速銑削成為縮短模具開發(fā)周期、降低制造成本的主要途徑。
汽車制造業(yè)將更加積極地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生產(chǎn)。
干式(準(zhǔn)干式)切削的綠色制造技術(shù)將給高速切削工藝的應(yīng)用提供極好的機(jī)會(huì)。
高速切削工藝范圍，能滿足從粗加工到精加工的全部加工要求，并且能顯著減少拋光工時(shí)，提高高速切削工藝同其它加工工藝競爭的能力。
4高速切削工藝研究內(nèi)容
合理的高速切削工藝將使得昂貴的高速切削機(jī)床充分發(fā)揮作用。而切削工藝和刀具的優(yōu)化，必然依賴于對各種工件材料高速切削機(jī)理的基礎(chǔ)研究和各種刀具材料的磨損破損機(jī)理的研究。基于可持續(xù)發(fā)展思想的綠色制造技術(shù)的重要內(nèi)容就是干式(準(zhǔn)干式)切削加工技術(shù)，高速切削工藝為該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了條件�；谡`差分離補(bǔ)償技術(shù)的精密加工理論，將使得高速切削工藝在加工效率、加工精度以及表面完整性方面進(jìn)一步提高，工藝應(yīng)用范圍實(shí)現(xiàn)從粗加工至超精加工。另外在飛機(jī)、汽車及模具生產(chǎn)中，高速切削工藝的連續(xù)長路程切削加工特點(diǎn)，決定了切削刀具及機(jī)床設(shè)備應(yīng)具有更高的可靠性，切削加工過程監(jiān)控技術(shù)急需進(jìn)一步完善�；谏鲜稣J(rèn)識，高速切削工藝研究內(nèi)容有如下幾方面：
高速切削機(jī)理研究，尤其是模具鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料高速切削機(jī)理研究。
高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。
高速切削刀具系列化、標(biāo)準(zhǔn)化研究。
干式(準(zhǔn)干式)切削技術(shù)研究。
加工誤差綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究。
高速切削刀具狀態(tài)監(jiān)控及工況監(jiān)測技術(shù)。
5高速切削技術(shù)研究基地建設(shè)
高速切削技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)之一，是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在我國發(fā)展高速切削技術(shù)必須緊密結(jié)合我國國情，有針對性、有步驟地分階段進(jìn)行，從全局出發(fā)，協(xié)同發(fā)展。選擇一些研究技術(shù)力量雄厚、科研梯隊(duì)合理的科研院所和大學(xué)為研究基地，這些科研機(jī)構(gòu)必須具備如下條件：
已具備基本的試驗(yàn)研究設(shè)備和方法。
已取得關(guān)于高速切削技術(shù)的研究成果，并有一定的技術(shù)積累。
與生產(chǎn)單位有密切的聯(lián)系，確保研究成果既有先進(jìn)性又有實(shí)用性。
我國目前的國情是，在航空、汽車和模具等生產(chǎn)部門，已進(jìn)口相當(dāng)規(guī)模的高速切削機(jī)床，而且進(jìn)口高速切削機(jī)床數(shù)量還將進(jìn)一步上升。要使這些昂貴的設(shè)備充分發(fā)揮作用，針對各種材料的高速切削機(jī)理，開發(fā)出合理的高速切削工藝規(guī)范是當(dāng)務(wù)之急。但從長遠(yuǎn)規(guī)劃來看，依靠我國科技力量，研制我國國產(chǎn)的高速切削機(jī)床是必然趨勢和根本要求。機(jī)床研制要求諸多專業(yè)生產(chǎn)廠家協(xié)同合作，齊頭并進(jìn)。德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)PTW所和日本京都大學(xué)垣野研究室所取得的成功經(jīng)驗(yàn)對我們也是一個(gè)很好的啟迪。當(dāng)然在市場上，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，國產(chǎn)高速切削機(jī)床無法與進(jìn)口高速切削機(jī)床抗?fàn)帲S著技術(shù)的積累以及良好的分工合作，我國國產(chǎn)的高速切削機(jī)床在市場上的占有份額必將增大，從而從根本上增強(qiáng)我國的機(jī)械制造實(shí)力，為國民經(jīng)濟(jì)的迅速穩(wěn)定發(fā)展奠定雄厚的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。不論是工藝研究還是機(jī)床研制，應(yīng)用廠家、高校與研究單位的“產(chǎn)、學(xué)、研”協(xié)作應(yīng)為最佳的形式。
為了使國家投入的有限科研經(jīng)費(fèi)充分發(fā)揮作用，使科研成果直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，走“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的道路非常重要。在進(jìn)行科學(xué)研究過程中沒有實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用部門的配合和支持是不行的。生產(chǎn)部門的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和需求對于科研成果的先進(jìn)性和實(shí)用性至關(guān)重要。高速切削生產(chǎn)實(shí)際急需較為成熟的高速切削工藝規(guī)范。因此，進(jìn)行高速切削工藝研究的基本政策是，在全國范圍內(nèi)全面規(guī)劃，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和地區(qū)特點(diǎn)，選擇已具備基本研究試驗(yàn)條件的，且已有一定技術(shù)積累的科研單位為基地，進(jìn)行高水平的科研活動(dòng)。各個(gè)研究基地應(yīng)分工協(xié)作，優(yōu)勢互補(bǔ)。只有這樣才能在較短的時(shí)間內(nèi)改變我國高速切削工藝落后的面貌，充分發(fā)揮我國已頗具規(guī)模的進(jìn)口高速切削機(jī)床的作用。這必將帶動(dòng)高速切削相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，有利于我國國產(chǎn)高速切削機(jī)床研制成功，從根本上振興我國的機(jī)械制造業(yè)。 |
