超高速加工

超高速加工技術是指採用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。超高速加工技術主要包括：超高速切削與磨削機理研究，超高速主軸單元製造技術，超高速進給單元製造技術，超高速加工用刀具與磨具製造技術，超高速加工線上自動檢測與控制技術等。

基本信息

超高速加工的切削速度範圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速範圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150~1000m/min，纖維增強塑膠為2000~9000m/min。各種切削工藝的切速範圍為：車削700~7000m/min，銑削300~6000m/min，鑽削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。

發展趨勢

工業已開發國家對超高速加工的研究起步早，水平高。在此項技術中，處於領先地位的國家主要有德國、日本、美國、義大利等。

在超高速加工技術中，超硬材料工具是實現超高速加工的前提和先決條件，超高速切削磨削技術是現代超高速加工的工藝方法，而高速數控工具機和加工中心則是實現超高速加工的關鍵設備。目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經高速鋼、硬質合金鋼、陶瓷材料，發展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦隨著刀具材料創新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料過去主要是採用剛玉系、碳化矽系等，美國G．E公司50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功，60年代又首先研製成功CBN。90年代陶瓷或樹脂結合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達125m/s，有的可達150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達250m/s。因此有人認為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現不會太遙遠了。

超高速加工刀具

在超高速切削技術方面，1976年美國的Vought公司研製了一台超高速銑床，最高轉速達到了20000rpm。特別引人注目的是，聯邦德國Darmstadt工業大學生產工程與工具機研究所（PTW）從1978年開始系統地進行超高速切削機理研究，對各種金屬和非金屬材料進行高速切削試驗，聯邦德國組織了幾十家企業並提供了2000多萬馬克支持該項研究工作，自八十年代中後期以來，商品化的超高速切削工具機不斷出現，超高速工具機從單一的超高速銑床發展成為超高速車銑床、鑽銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的超高速工具機。日本日立精機的HG400III型加工中心主軸最高轉速達36000~40000r/min，工作檯快速移動速度為36~40m/min。採用直線電機的美國Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進給移動速度為60m/min。

在高速和超高速磨削技術方面，人們開發了高速、超高速磨削、深切緩進給磨削、深切快進給磨削（即HEDG）、多片砂輪和多砂輪架磨削等許多高速高效率磨削，這些高速高效率磨削技術在近20年來得到長足的發展及套用。德國Guehring Automation公司1983年製造出了當時世界第一台最具威力的60kw強力CBN砂輪磨床，Vs達到140~160m/s。德國阿享工業大學、Bremen大學在高效深磨的研究方面取得了世界公認的高水平成果，並積極在鋁合金、鈦合金、因康鎳合金等難加工材料方面進行高效深磨的研究。德國Bosch公司套用CBN砂輪高速磨削加工齒輪齒形，採用電鍍CBN砂輪超高速磨削代替原須經滾齒及剃齒加工的工藝，加工16MnCr5材料的齒輪齒形，Vs=155m/s，其Q'達到811mm3/mm.s，德國Kapp公司套用高速深磨加工泵類零件深槽，工件材料為100Cr6軸承鋼，採用電鍍CBN砂輪，Vs達到300m/s，其Q`=140mm3/mm.s，磨削加工中，可將淬火後的葉片泵轉子10個一次裝夾，一次磨出轉子槽，磨削時工件進給速度為1.2m/min，平均每個轉子加工工時只需10秒鐘，槽寬精度可保證在2μm，一個砂輪可加工1300個工件。目前日本工業實用磨削速度已達200m/s，美國Conneticut大學磨削研究中心，1996年其無心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達250m/s。

近年來，我國在高速超高速加工的各關鍵領域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，必須急起直追。

研究內容

目標

超高速加工到2005年基本實現工業套用，主軸最高轉速達15000r/min，進給速度達40~60m/min，砂輪磨削速度達100~150m/s；超精密加工基本實現亞微米級加工，加強納米級加工技術套用研究，達到國際九十年代初期水平。

主要研究內容

（1）超高速切削、磨削機理研究。對超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現象、各種被加工材料和各種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藝參數最佳化等進行系統研究。（2）超高速主軸單元製造技術研究。主軸材料、結構、軸承的研究與開發；主軸系統動態特性及熱態性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術研究；主軸系統的潤滑與冷卻技術研究；主軸的多目標最佳化設計技術、虛擬設計技術研究；主軸換刀技術研究。

（3）超高速進給單元製造技術研究。高速位置晶片環的研製；精密交流伺服系統及電機的研究；系統慣量與伺服電機參數匹配關係的研究；機械傳動鏈靜、動剛度研究；加減速控制技術研究；精密滾珠絲槓副及大導程絲槓副的研製等。

（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究開發各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及製備技術，使刀具的切削速度達到國外工業已開發國家90年代末的水平，磨具的磨削速度達到150m/s以上。

（5）超高速加工測試技術研究。對超高速加工工具機主軸單元、進給單元系統和工具機支承及輔助單元系統等功能部位和驅動控制系統的監控技術，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質量等線上監控技術進行研究。

（6）超精密加工的加工機理研究。“進化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密範疇內的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現象、性能以及工藝參數進行提示性研究。

（7）超精密加工設備製造技術研究。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關鍵基礎件，如軸系、導軌副、數控伺服系統、微位移裝置等研究；超精密工具機總成製造技術研究。

（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技術研究。金剛石刀具及刃磨技術、金剛石微粉砂輪及其修整技術研究。（9）精密測量技術及誤差補償技術研究。納米級基準與傳遞系統建立；納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術研究；測量集成技術研究。

（10）超精密加工工作環境條件研究。超精密測量、控溫系統、消振技術研究；超精密淨化設備，新型特種排屑裝置及相關技術的研究.