超高速加工技术的优化方案

1）超高速加工技术内涵及范畴

提高切削、磨削加工效率一直是切削、磨削领域所十分关注并为之不懈奋斗的重要目标。超高速切削和磨削加工就是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。

超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。它是提高切削和磨削效果以及提高加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。

超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同切削方式而异，目前尚无确切的定义。一般认为，超高速加工各种材料的切削速度范围为：铝合金已达到2 000～7 500 m/min；铸铁为900～5 000 m/min；钢为600～3 000 m/min；超耐热镍合金达500 m/min；钛合金达150～1 000 m/min；纤维增强塑料为2 000～9 000 m/min。各种制造加工工序的切削速度范围为：车削为700～7 000 m/min；铣削为300～6 000 m/min；钻削为200～1 100 m/min；磨削为150 m/s以上。

超高速加工技术从发展趋势来看，到21世纪初可实现超高速加工的材料将覆盖大多数工程材料，可加工各种表面形状的零件，可由毛坯一次加工成成品，并实现精密甚至超精密加工。超高速磨削可实现小的磨粒切深，使陶瓷等硬脆材料不再以脆性断裂形式、而是以塑性变形形式产生切屑，使磨削表面质量提高，对镍合金、钛合金等难加工材料加工也会在高应变率响应的作用下而改善其切削加工性能，从而得到高的加工质量。超高速加工是现代制造业的必由之路，将对21世纪的制造业的发展产生巨大影响。

2）超高速加工技术的发展趋势及其重点发展的关键技术

随着超高速切削机理、大功率超高速主轴单元、高加减速直线进给电动机、超硬耐磨长寿命刀具材料及结构、切削处理和冷却系统、安全装置以及高性能CNC控制系统和测试技术等一系列技术领域中关键技术的解决，已为超高速切削技术推广和应用提供了基本条件。

近年来，高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。在国外许多著名公司（如美国Cincinnati、Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司）的加工中心上，标准主轴转速配置可达到8 000～10 000 r/min，可选的20 000 r/min以下的主轴单元已处于商品化阶段。采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到40～60 m/min，加速度达到1 g（g为重力加速度），工作进给可达到30 m/min以上，定位精度达到20～25 μm。采用直线电动机的进给驱动系统，快速进给可以达到160 m/min，进给加速度达到2.5 g以上，定位精度高达0.5～0.05 μm甚至更高。这些加工中心的刀具到刀具的换刀时间最快小于1 s，切削到切削的换刀时间小于2.4 s，托盘交换时间小于10 s。

超高速切削目前主要用于以下几个领域。

（1）大批生产领域如汽车工业，如美国福特（Ford）汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗气缸用的单轴镗缸机床已实际用于福特公司的生产线。(www.xing528.com)

（2）工件本身刚度不足的加工领域，如航空航天工业产品或其他某些产品，如Ingersoll公司采用超高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚度仅为1 mm。

（3）加工复杂曲面领域，如模具工具制造。

（4）难加工材料领域，如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为：加工航空航天铝合金2 438 m/min，汽车铝合金1 829 m/min，铸铁1 219 m/min，这均比常规切速高出几倍到几十倍。

（5）超精密微细切削加工领域，日本的FANUC公司和电气通信大学合作研制了一种超精密铣床，其主轴转速达55 000 r/min，可用切削方法实现自由曲面的微细加工。

超高速切削技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技术的发展方向即高效高速化、实用廉价化、多功能（复合化），最主要是高效高速化方向。

近年来对于以超高速磨削技术特别是HEDG为代表的高速高效磨削技术的发展，可以认为，采用磨削加工自动化、各类高效磨削技术的开发应用及超硬磨料磨具的推广应用是提高磨削加工效率的3个主要途径。因此，超高速磨削技术的发展总趋势是向高柔性高自动化系统、超硬磨料磨具以及各种高速高效磨削技术方向发展。高速高效磨削的高柔性高自动化方面出现的有效措施有：自动进给、自动磨削循环、自动测量、自动修整、砂轮自动平衡、自动分度和自动上下料等。随着CNC磨床的发展，磨削加工中心也发展很快，它具备联机测量、自动交换砂轮、自动交换工件、自动修整砂轮、实现工件装卸无人化，磨削加工中心还具有机械手、机器人、运送工件小车以及冷却液喷射装置或能自动调节位置的冷却液喷嘴等配置附件。这方面较为典型例子是日立精机公司开发的VKC45型陶瓷磨削中心，它具有能装20个金刚石砂轮的圆形砂轮库，设有砂轮自动修整功能。自适应控制磨削随着CNC系统检测技术及磨削专家系统的发展而逐渐完善并趋于实用。金刚石和CBN等超硬磨料的使用大大推进了高速和超高速磨削技术的发展。

综上所述，超高速加工技术的发展前沿是采用现代超硬材料（金刚石或CBN）作工具，运用现代超高速切削磨削技术以及现代高柔性高自动化设备。开展超高速加工技术的研究，加速实用化进程，对于我国的制造业赶超世界先进水平有重要意义，发展我国自己的高速加工系统，对摆脱我国目前依赖进口高级机床的局面，增强我国在国际上的竞争力十分重要，市场前景广阔。

实现超高速加工技术的核心关键技术主要有：超高速切削、磨削机理，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、磨具，超高速机床支承及辅助单元制造技术，以及超高速加工测试技术等。

超高速机床加工