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推動我國高速切削工藝發(fā)展若干問題的探討

高速切削技術(shù)因大幅度節(jié)省切削工時并實(shí)現(xiàn)高效精密生產(chǎn)硬碳,被視為現(xiàn)代制造技術(shù)的里程碑识埋。

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)可帽、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)窗怒、高性能刀夾系統(tǒng)映跟、高性能刀具材料及刀具設(shè)計制造技術(shù)、高精度測量測試技術(shù)兜粘、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)上綜合而成的弯蚜。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)床孔轴,在德國和日本的企業(yè)界,都分別享有較高的聲譽(yù)碎捺。
舒爾茨教授在德國政府強(qiáng)有力的資助下路鹰,聯(lián)合18家企業(yè),共同攻關(guān)掖猬,從1984年到1989年议幻,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)時居領(lǐng)先地位的美國赃律。1993年薯荷,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)用階段咆比。目前戒舆,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)品扩芋,實(shí)用化的主軸轉(zhuǎn)速為60,000r/min睦柏,最快進(jìn)給速度X、Y聪痢、Z軸均為60m/min赶馍,加速度為 2.5g,重復(fù)定位精度±1μm翼袒。PTW所在研制高速切削機(jī)床的同時摘甜,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)合材料没隘、鑄鐵及模具鋼等高速切削機(jī)理研究方面形成系統(tǒng)理論懂扼,以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性為目標(biāo)右蒲,對高速切削工藝進(jìn)行優(yōu)化阀湿,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)理瑰妄,刀具材料及切削參數(shù)優(yōu)化陷嘴,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)計间坐,刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計及動平衡灾挨,刀具空間位姿及走刀路徑控制,少量氣束噴霧冷卻技術(shù)等竹宋。該所高速切削研究成果已應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)劳澄、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)蜈七,于1996年研制出日本第一臺商品化臥式高速切削加工中心秒拔,該加工中心主軸轉(zhuǎn)速30000r/min,最大進(jìn)給速度80m/min薛津,加速度為2g恐呢,重復(fù)定位精度±1μm。同時也致力于高速切削工藝研究症妻,主要內(nèi)容包括高速切削工藝數(shù)據(jù)庫节婶,高速切削刀具磨損破損機(jī)理,切屑控制追临,高速切削過程 CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)及質(zhì)量控制等享积,從而加速高速切削技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前蘑弊,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)生重大影響璃淤。

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)容包括水泥床身唬辛、超高速主軸系統(tǒng)伙斯、全陶瓷軸承及磁懸浮軸承、快速進(jìn)給系統(tǒng)泉扛、有色金屬及鑄鐵超高速切削機(jī)理與適應(yīng)刀具等方面笛坦。通過我國科技工作者的艱苦工作,各項關(guān)鍵技術(shù)都取得了顯著進(jìn)展苔巨。部分單項技術(shù)指標(biāo)可達(dá)國際先進(jìn)水平版扩。然而高速切削機(jī)床是諸多高新技術(shù)的高度集成废离,并且在一定的市場需求驅(qū)動下才能真正發(fā)展起來。目前礁芦,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)床還沒有蜻韭。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3000 r/min柿扣,加工中心40號主軸的轉(zhuǎn)速小于6000 r/min肖方,50號主軸的轉(zhuǎn)速小于4000 r/min,進(jìn)給速度小于20 m/min未状,無內(nèi)藏式電機(jī)主軸及直線電機(jī)的機(jī)床樣品展出俯画,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)上的司草,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)具備了更高的剛性艰垂、更快的運(yùn)動速度和精度,另一方面是各種刀具材料性能顯著改善埋虹,以及新型刀具材料和涂層工藝的開發(fā)和推廣應(yīng)用吭辛,性能更耐磨、更可靠驳辖,價格相對低廉的刀具材料成為發(fā)展高速切削的可靠保證嘴净。
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)理論乙遵,但畢竟為推動高速切削技術(shù)的應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)浦忠。目前我國在陶瓷刀具材料塑满、細(xì)顆粒和超細(xì)粒牌號的硬質(zhì)合金轮庵、涂層硬質(zhì)合金及陶瓷、金剛石薄膜涂層刀具和CVD沉積厚膜刀具硫联、立方氮化硼刀具等方面沦靖,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援仍。本課題組為某汽車公司發(fā)動機(jī)高速切削生產(chǎn)線刀具國產(chǎn)化做了有益的工作防偿,直接經(jīng)濟(jì)效益非常可觀妖坡;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)計研制專用的立銑刀窗悯,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)控加工中偷拔,常規(guī)的銑削用量是轉(zhuǎn)速4500~6000r/min蒋院,進(jìn)給速度1000mm/min,徑向切深 5~30mm莲绰,軸向切深5mm欺旧,刀具為普通立銑刀YG6姑丑;使用本課題組提供的專用立銑刀YG6時,銑削用量為轉(zhuǎn)速12000~15000r/min辞友,進(jìn)給速度2400mm/min栅哀,徑向切深5~30mm,軸向切深10mm称龙。加工質(zhì)量完全符合圖紙要求留拾,刀具具有良好切削性能,生產(chǎn)率提高1.6倍茵瀑,實(shí)際工時節(jié)約62.5%间驮,刀具壽命按加工量計算提高約30%,該工序每年節(jié)約150萬元煤蔚。
由于高速切削具備一系列顯著優(yōu)點(diǎn)试填,因而首先受到航空航天、汽車谦枢、模具等行業(yè)的青睞三麦,這些部門進(jìn)口的高速切削機(jī)床已頗具規(guī)模。然而怕茉,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)研究屈宿,因而高速切削生產(chǎn)中缺乏可靠的技術(shù)指導(dǎo),生產(chǎn)中工藝不盡合理榨豹,沒有充分發(fā)揮高速切削所固有的高效精密的優(yōu)勢脸嗜。其原因歸納如下:
  1. 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樱搪、切削用量選擇及刀具應(yīng)用等方面有較大的特殊性亭弥,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)識离秸。
  2. 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)庫粮剃。
  3. 高速切削刀具未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化虐块。

3 高速切削工藝的戰(zhàn)略地位

在各個國家的生產(chǎn)力構(gòu)成中俩滥,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)品贺奠。由于歷史的原因霜旧,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儡率,產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證挂据,我國的許多產(chǎn)品在國際市場上缺乏競爭能力。近年來喉悴,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)遇棱貌,尤其是給高速切削工藝的應(yīng)用提供了有利條件玖媚。主要體現(xiàn)在以下幾方面:
  1. 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)品的性能價格比婚脱。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今魔。高速切削工藝的優(yōu)勢,也體現(xiàn)在高效率障贸、高精度等方面错森。
  2. 隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高,激烈的市場競爭厨杆,迫使目前我國擁有的高速切削機(jī)床的規(guī)模還要擴(kuò)大东种,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)揮作用翎郭。
  3. 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撮译,減輕整機(jī)重量,提高飛機(jī)整機(jī)性能蔽掀。
  4. 模具制造業(yè)中普遍采用高速加工中心龄羽,形成高切削速度、高進(jìn)給速度循抱、小切深砂姥、小走刀步距、能連續(xù)長路程切削的模具加工新工藝蟀符,對淬硬鋼的高速銑削成為縮短模具開發(fā)周期掠记、降低制造成本的主要途徑。
  5. 汽車制造業(yè)將更加積極地采用高速切削加工中心拍随,完成高效高精度生產(chǎn)傍菇。
  6. 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。
  7. 高速切削工藝范圍晌梨,能滿足從粗加工到精加工的全部加工要求桥嗤,并且能顯著減少拋光工時须妻,提高高速切削工藝同其它加工工藝競爭的能力仔蝌。

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)化荒吏,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)理的研究敛惊。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)绰更,高速切削工藝為該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了條件瞧挤。基于誤差分離補(bǔ)償技術(shù)的精密加工理論儡湾,將使得高速切削工藝在加工效率特恬、加工精度以及表面完整性方面進(jìn)一步提高执俩,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)癌刽、汽車及模具生產(chǎn)中蚤就,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)具有更高的可靠性虑治,切削加工過程監(jiān)控技術(shù)急需進(jìn)一步完善闰厨。基于上述認(rèn)識瘪棱,高速切削工藝研究內(nèi)容有如下幾方面:
  1. 高速切削機(jī)理研究害寸,尤其是模具鋼、鈦合金窒兼、高溫合金等難加工材料高速切削機(jī)理研究寝谚。
  2. 高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。
  3. 高速切削刀具系列化军裂、標(biāo)準(zhǔn)化研究憎苦。
  4. 干式(準(zhǔn)干式)切削技術(shù)研究。
  5. 加工誤差綜合動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究泽姨。
  6. 高速切削刀具狀態(tài)監(jiān)控及工況監(jiān)測技術(shù)叁震。

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)展的必然趨勢敲坏。在我國發(fā)展高速切削技術(shù)必須緊密結(jié)合我國國情窘问,有針對性、有步驟地分階段進(jìn)行宜咒,從全局出發(fā)惠赫,協(xié)同發(fā)展。選擇一些研究技術(shù)力量雄厚故黑、科研梯隊合理的科研院所和大學(xué)為研究基地儿咱,這些科研機(jī)構(gòu)必須具備如下條件:

       1. 已具備基本的試驗(yàn)研究設(shè)備和方法。
       2. 已取得關(guān)于高速切削技術(shù)的研究成果场晶,并有一定的技術(shù)積累混埠。
       3. 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)用性诗轻。

   我國目前的國情是钳宪,在航空、汽車和模具等生產(chǎn)部門扳炬,已進(jìn)口相當(dāng)規(guī)模的高速切削機(jī)床吏颖,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)揮作用恨樟,針對各種材料的高速切削機(jī)理综俄,開發(fā)出合理的高速切削工藝規(guī)范是當(dāng)務(wù)之急竿赂。但從長遠(yuǎn)規(guī)劃來看,依靠我國科技力量制沦,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舒叨。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)焊蕉。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)對我們也是一個很好的啟迪滔测。當(dāng)然在市場上,在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)谊弯,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)幏<#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霍鹿,從而從根本上增強(qiáng)我國的機(jī)械制造實(shí)力异这,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)床研制障漓,應(yīng)用廠家愤售、高校與研究單位的“產(chǎn)、學(xué)胎许、研”協(xié)作應(yīng)為最佳的形式峻呛。
    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)力辜窑,走“產(chǎn)钩述、學(xué)、研”相結(jié)合的道路非常重要穆碎。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牙勘。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)范所禀。因此方面,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)劃色徘,結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和地區(qū)特點(diǎn)恭金,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贺氓,進(jìn)行高水平的科研活動蔚叨。各個研究基地應(yīng)分工協(xié)作床蜘,優(yōu)勢互補(bǔ)猫单。只有這樣才能在較短的時間內(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)床的作用玛呐。這必將帶動高速切削相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展朗猖,有利于我國國產(chǎn)高速切削機(jī)床研制成功蟋晾,從根本上振興我國的機(jī)械制造業(yè)。


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