超高速加工技术.doc

超高速加工技术
2011级机械设计制造及其自动化4班
刘傅文

摘 要：本文介绍了超高速加工技术的概念、内容和发展现状，并分析了其发展动向。
关键词：高速加工技术、机械制造、先进加工、发展。
超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以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先进加工技术。
超高速加工技术的特征：切削力低、热变形小、材料切除率高、高精度、减少工序 。
超高速加工技术主要包括：
（1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。
（2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发; 主轴系统动态特性及热态性研究; 柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究; 主轴系统的润滑与冷却技术研究; 主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究; 主轴换刀技术研究。
（3）超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制; 精密交流伺服系统及电机的研究; 系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究; 机械传动链静、动刚度研究; 加减速控制技术研究; 精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。  
（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工(包括难加工材料) 用刀具磨具材料及制备技术。
（5）高速CNC控制系统:超高速加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能化特性,以保证加工复杂曲面轮廓时,具有良好的加工性能。还要具有高速插补及超前处理能力,防止刀具轨迹偏移和突发事故。
（6）超高速加工在线检测与控制技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术,对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。 

验研究。1996年日本又推出了125m/s CBN砂轮平面磨床。至2000年,日本已进行500m/s 超高速磨削试验。Shinizu等人为了获得超高磨削速度,利用改制的磨床,将两根主轴并列在一起；一根作为砂轮轴,另一根作为工件主轴,并使其在磨削点切向速度相反,取得了相对磨削速度为VS + V W的结果,砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s。 
超高速加工技术国内发展情况 ：
国内高速超高速磨削的发展自1958年,我国开始推广高速磨削技术。1964年,磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验,在机床改装和工艺 等方面获得一定成果。1975年10月,河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年,上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所等组成高速磨削试验小组对80、100m/s 高速磨削工艺进行了试验研究。1982年10月,湖南大学进行了60 m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究,为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年,汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮,进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。在 2000年中国数控机床展览会上,湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至今,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW、最高砂轮线 速度达250m/s的超高速试验磨床。东北大学先后进行超高速磨削热传递机制研究,高速单颗粒磨削机理研究,200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造,超高速磨削温度场研究,磨削摩擦系数的研究,超高速磨削砂轮表面气流的研究,超高速磨削机理分子动力学的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果达到国际先进水平。

验研究。1996年日本又推出了125m/s CBN砂轮平面磨床。至2000年,日本已进行500m/s 超高速磨削试验。Shinizu等人为了获得超高磨削速度,利用改制的磨床,将两根主轴并列在一起；一根作为砂轮轴,另一根作为工件主轴,并使其在磨削点切向速度相反,取得了相对磨削速度为VS + V W的结果,砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s。 
超高速加工技术国内发展情况： 
国内高速超高速磨削的发展自1958年,我国开始推广高速磨削技术。1964年,磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验,在机床改装和工艺 等方面获得一定成果。1975年10月,河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年,上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所等组成高速磨削试验小组对80、100m/s 高速磨削工艺进行了试验研究。1982年10月,湖南大学进行了60 m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究,为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年,汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮,进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。在 2000年中国数控机床展览会上,湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计。20世纪90年代至今,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kW、最高砂轮线 速度达250m/s的超高速试验磨床。东北大学先后进行超高速磨削热传递机制研究,高速单颗粒磨削机理研究,200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造,超高速磨削温度场研究,磨削摩擦系数的研究,超高速磨削砂轮表面气流的研究,超高速磨削机理分子动力学的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果达到国际先进水平。 
超高速加工技术发展趋势 
（1）难加工材料的超高速加工。难加工材料的使用越来越广泛,由于材料的切削加工性能极低,导热性差,刀具磨损快,为此只能采用很低的切削速度。通过深入研究这类材料的切削特性,提高刀具稳定性,研制新型刀具材料及制作工艺,开发出相应的刀具系统,将使切削速度范围有较大的提高。 
（2）刀具夹紧机构设计。对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具来说,刀具夹紧机构的安全可靠性是至关重要的。在高速端面铣削加工时,由于离心力作用,可转位刀片有可能被甩出,因此,应采取相应措施加以预防。最近,工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧装置,刀片甩出问题有望得到妥善解决。 
（3）相关工艺设计。主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设备的加工能力,必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。由于各类产品从开发到生产的各个环节都将实现高效率化,因此,应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。 
（4）节省能源,实现绿色加工。当前,许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的20%~30%；而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容。采用干式切削方式,会从根本上改善切削的环境状态,节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。因此,希望开发出更加节省能源的机床,开发出更加实用的干式切削加工技术。 
（5）高精度定位系统。采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时,机床的运动性能将直接影响到其加工精度。因此,要求机床在大进给速度条件下,应具有高精度定位功能和高精度插补功能。
参考文献：
[1]宋贵亮,巩亚东,蔡光起.超高速磨削及应用[J].航空精密制造技术,2000,36(3):16 - 20.  
[2]荣烈润.高速磨削技术的现状及发展前景[J].机电一体化,2003,(1):6-10.54第4 期高兴军等.高速超高速磨削加工技术的发展及现状 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
[3]赵恒华,冯宝富,高贯斌,蔡光起.超高速磨削技术在机械制造领域中的应用[J].东北大学学报:自然科学版,2003,24(6):564-568.
[4]冯宝富,蔡光起,邱长伍.超高速磨削的发展及关键技术[J].机械工程师,2002,(1):5-9.
[5]蔡光起,冯宝富,赵恒华.磨削磨料加工技术的最新进展[J].航空制造技术,2003,(4):31-40