高速干切削技术优点及发展趋势分析

　高速切削(HSC)加工作为一种先进切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛应用。高速加工采用远高于常规加工切削速度进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高加工精度。随着高速主轴技术发展，与其配套新型刀具不断出现，同时对高速加工工艺参数优化研究也不断深入，使得高速切削技术理论研究应用都得到了长足发展。
　　
　　高速加工主要优点有：1、切削力降低30%左右，特别适合刚性差零件，2、由于加工时对刀具工件进行了冷却润滑，减少了切削热对工件影响，特别适合加工易热变形工件；3、激振频率远远高于机床工艺系统固有频率，加工平稳，振动小，加工表面质量好；4、能极大地提高生产效率。但，高速切削采用高压大流量冷却方式会增加环境污染、提高生产成本、减少刀具耐用度、加大机床腐蚀等一系列问题。
　　
　　为了解决上述问题，目前采用方法一种改变切削液使用参数用量，研制新型无污染绿色切削液；另一种切削过程停止使用切削液，采用干切削，它能从根本上彻底解决切削液带来问题。
　　
　　干切削技术上世纪九十年代为适应全球日益高涨环保要求可持续发展战略而发展起来一项绿色切削加工技术，目前欧美、日本等工业发达国家非常重视干切削研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，并且取得了良好经济效益。
　　
　　高速切削因具有降低切削力，工件热变形小等特点，为实现干切削提供了有利条件，高速干切削目标不仅要限制或停止使用切削液，而且要保证高加工效率加工质量。但高速干切削，因缺乏切削液冷却润滑排屑作用，会导致切削区刀具与工件摩擦加剧，切削力增大，切削温度上升，切削振动增强以及排屑不畅等情况，会影响机床加工性能刀具使用寿命，降低加工质量。因此，需要从刀具、机床辅助工艺等方面来进行研究并优化，使高速干切削技术能得到更广泛应用。
　　
　　二、高速干切削机床技术
　　
　　由于高速干式切削加工机床不再使用切削液，必然导致其整体结构及布局变化，主要体现对机床隔热性能、排屑速度、洗尘效果机床基础构件三刚度(静刚度、动刚度热刚度)等方面提出了更高要求。
　　
　　1.高速干切削机床机构
　　
　　a.选用三刚度高高速机床
　　
　　由于高速于式切削加工过程会产生更大切削力更多切削热，从而导致刀具与工件之间振动以及机床热变形明显增大，因此选用机床基础构件(如立柱、床身、工作台等)三刚度要大，如采用人造花岗岩等新材料整体制造床身，不仅三刚度好，而且减振效果明显。此外，将被认为“21世纪新式数控机床”、“机床结构重大技术革命”虚拟轴机床与高速干式切削加工技术结合起来，将会获得更好效果。
　　
　　b.采用快速排屑布局
　　
　　应用高速干式切削加工要点之一要切屑大部分热量传人机床之前迅速将其排出。为此，可采取以下排屑方法：①高速干式切削加工机床应尽可能采用立式主轴倾斜式床身，工作台四周应采用倾斜隔板，这样有助于热切屑迅速坠入排屑槽。②借助重力排屑。以钻削加工为例，可改变机床常规布局，将工件安装主轴下部，刀具从下向上钻削，重力作用下，切屑可从孔顺利排出，而无须使用带压力切削液来辅助排屑。③利用虹吸现象排屑。钻削加工，可利用干燥空气通过虹吸作用吸出孔切屑，而无须使用切削液。④利用真空或喷气系统改善排屑条件。如日本某公司开发“洁净回收系统”，采用将刀具部分罩住结构，利用从内部吹出压缩空气，使切屑顺着刀具回转方向经螺旋管道排出。
　　
　　c.采用热稳定性好结构适当隔热措施机床床身采用热稳定性好结构材料，可将切削热影响降到最低程度。如采用均衡温度结构，将床身左右两侧、顶部底部设计成四个相通型腔并注入油液，即可保证整个床身具有相同温度。此外，机床立柱与底座等基础构件采用对称结构并选用热容量小材料，主轴采用恒温水冷装置等，都能提高机床热稳定性。
　　
　　采取适当隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，高速切削区采用绝热罩来隔断热切屑等，均可减少排屑过程切屑传递给机床热量。
　　
　　2.高速干切削机床主轴
　　
　　主轴应具有较高转速较高刚度，特别动刚度，以适应干切削过程切削力增大、切削振动增强影响，因此，通过动态优化高速大功率电主轴技术能有效适合高速于切削要求，它采用内藏式无外壳伺服电机直接驱动方式，消除了间传动链影响，可以获得较高主轴转速，而且还可以提高主轴刚度频率响应，抑制或降低主轴单元干切削过程切削振动，同时采用陶瓷轴承以及先进润滑技术，降低主轴加工过程热影响。主轴密封技术也实现高速干切削重要因素。目前，高速主轴设计，采用动态优化电主轴结构，并结合通过热平衡设计，循环内冷却技术轴承油气润滑技术，提高主轴单元动刚度热稳定性。防尘方面，采用迷宫式非接触结构，并结合油气润滑高压气体(O.4MPa)，能有效防止加工悬浮颗粒侵入。
　　
　　3.高速干切削机床进给单元
　　
　　进给单元应具有较高刚度较大推力，很高进给速度良好加减速特性。目前主要有“伺服电机+大导程高速滚珠丝杠副”“直流直线电机直接驱动”。精密高速滚珠丝杠副最大进给速度可达到50～80m／min，进给加速度可达0.5～1.5g；直线电动机直接驱动进给单元最大进给速度可达到100～200m/min，进给加速度可达3～10g。两种进给系统均能满足高速干切削加工要求，其直线电动机进给单元加减速能力较强，高速干切削加工理想进给方式，但直线电动机使用存承载力小、易发热等问题，有待改进。
　　
　　三、高速干切削工艺技术
　　
　　由于高速切削条件下，95%～98%切削热将被切屑带走，切削力也可降低30%，因此，采用很高切削速度进行加工可以取得与使用切削液相同效果。日本牧野公司提出“红月牙”于切削工艺技术，其机理由于切削速度很高，产生热量聚集于刀具前部，使切削区附近工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降，从而提高材料去除率。
　　
　　一些机械加工，纯粹干切削难以实现。可以采用最小量润滑(MQL)技术(又称准于切削)。这种方法将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，对刀具工件之间加工部位进行有效润滑。MQL技术可以大大减少“刀具一工件”“刀具一切屑”之间摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连提高工件加工质量作用，使用润滑液也很少，效果却十分明显。MQL技术使用对人健康无害植物油或脂油，其用量极少，一般为0.03～0.2L/h，而1台典型加工心进行湿切削时，切削液用量高达20～100L/h，为MQL润滑油用量6万倍左右。MQL润滑准干切削效果相当好，现已十分流行。此外，还可某些特殊气体(如液氮)氛围进行干切削加工低温冷风于切削加工。
　　
　　4、结束语
　　
　　高速干切削加工从根本上解决了切削液带来弊端，不仅有利于工人健康环境保护，而且可以降低加工成本，无疑一种很有发展前途绿色加工工艺。