高速切削技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用

劉 虹，周玉蓉

LIU Hong，ZHOU Yu-rong

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120）

0 引言

高速切削技術(shù)是指采用超硬材料的刀具，在保證加工質(zhì)量和加工精度的前提下，用自動(dòng)化高速切削設(shè)備，高效、高速切除材料的加工技術(shù)。高速切削加工相對(duì)于小進(jìn)給、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的傳統(tǒng)切削加工，具有高進(jìn)給、高轉(zhuǎn)速、小切削負(fù)荷的特點(diǎn)。隨著高速、超高速切削機(jī)理、大功率高速主軸單元、高加/減速直線(xiàn)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、高速主軸軸承、超硬耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料和高性能的控制系統(tǒng)等一系列技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)初步得到解決，已使得高速、超高速加工從理論研究進(jìn)入到具體實(shí)施的階段。

1 高速切削技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 生產(chǎn)效率顯著提高

由于主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給的高速化，使單位時(shí)間內(nèi)工件材料的切出率提高3～5 倍，加工時(shí)間減少了50%，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。特別適合汽車(chē)、飛機(jī)、模具等的制造。

1.2 加工變形減小

由于切削力可減少30%以上，工件的加工變形減小，切削熱還來(lái)不及傳給工件，因而工件基本保持冷態(tài)，熱變形小，有利于加工精度的提高。特別適合于加工細(xì)長(zhǎng)易熱變的工件。

1.3 改善表面粗糙度

在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，可采用較小的進(jìn)給量，從而減小了加工表面的粗糙度值。又由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對(duì)低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度值。高速切削加工獲得的表面質(zhì)量可達(dá)磨削水平，因此可省去銑削后的精加工工序。

1.4 提高精度，減少工夾具成本

高速切削可加工淬硬零件（可達(dá)HRC60），在一次裝夾過(guò)程中可完成粗、半精及精加工工序，對(duì)復(fù)雜型面可直接加工達(dá)到零件的表面質(zhì)量要求，這樣，就可省略常規(guī)加工的電加工、手工修磨等工序，縮短了工藝路線(xiàn)，加工能耗低，節(jié)省制造資源。

2 高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

高速切削是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的發(fā)展涉及到機(jī)床、刀具、工藝和材料等諸多領(lǐng)域的技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新。

2.1 高速切削機(jī)床

高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件，高速切削要求機(jī)床具有高主軸轉(zhuǎn)速、高動(dòng)態(tài)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，大的功率，主軸和床身良好的剛性，優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能，快速可靠的CNC控制性能，可靠的安全防護(hù)等。

2.1.1 高速主軸

高速主軸是高速切削機(jī)床的核心部件，在很大程度上決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設(shè)計(jì)方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤(rùn)滑冷卻、動(dòng)平衡、噪聲等多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)。目前高速切削機(jī)床的主軸主要是電主軸，其主要特征是采用內(nèi)裝變頻電動(dòng)機(jī)的主軸部件，把電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸連成一體，無(wú)需任何機(jī)械連接，改變供電頻率，就可改變主軸轉(zhuǎn)速，改變輸入電流的相序，可改變主軸的旋向。電主軸采用了電子傳感器來(lái)控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持恒溫。同時(shí)使用精密陶瓷軸承、油氣潤(rùn)滑、內(nèi)部循環(huán)冷卻的密封結(jié)構(gòu)。

2.1.2 高速進(jìn)給系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，機(jī)床不但要有高速主軸，還要有高速的進(jìn)給系統(tǒng)，這不僅是為了提高生產(chǎn)效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件。高速進(jìn)給系統(tǒng)除要求進(jìn)給速度要高，還必須有很大的進(jìn)給加/減速度，這是由于大多數(shù)高速機(jī)床加工零件的工作行程范圍只有幾十到幾百mm，在這樣短的行程中要提供極大的加/減速度來(lái)保證在瞬間達(dá)到高速和在高速行程中瞬間準(zhǔn)停，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削。

進(jìn)給速度及進(jìn)給加/減速度的提高，一種方法是采用中空甚至帶有冷卻的大導(dǎo)程滾珠絲杠副，從而使進(jìn)給速度達(dá)到40~90m/min，進(jìn)給加/減速度達(dá)到1-2g左右；另一種是采用直線(xiàn)電機(jī)技術(shù)來(lái)替代目前機(jī)床中常用的滾珠絲杠技術(shù)，將直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的力直接作用于移動(dòng)部件，使機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮為零，以減少傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性矩，提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和精度，避免振動(dòng)的產(chǎn)生，使進(jìn)給速度達(dá)到150~200m /min，加速度達(dá)到2～10g。

2.1.3 高性能的CNC控制系統(tǒng)

為了在高速加工復(fù)雜零件時(shí)獲得高精度，對(duì)CNC系統(tǒng)的要求主要是處理速度快、控制精度高。一是采用前饋控制，適當(dāng)控制進(jìn)給率和采用恰當(dāng)?shù)募訙p速曲線(xiàn)以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度；二是采用加/減預(yù)插補(bǔ)，使機(jī)床具有很高的運(yùn)算速度及數(shù)據(jù)存貯與傳輸?shù)哪芰?。三是采用開(kāi)放的人機(jī)界面、開(kāi)放的數(shù)控內(nèi)核和控制邏輯，用戶(hù)和機(jī)床生產(chǎn)廠(chǎng)可以二次開(kāi)發(fā)自己的人機(jī)界面，設(shè)計(jì)高可靠性、高效的控制邏輯及補(bǔ)償控制軟件；四是采用多軸聯(lián)動(dòng)控制和足夠高的分辨率的CNC控制系統(tǒng)。

2.1.4 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件

高速切削加工機(jī)床在高速切削狀態(tài)下，一方面，產(chǎn)生的切削力作用在床體上；另一方面，因速度很高，還會(huì)產(chǎn)生較大的附加慣性力作用在床體上。因而機(jī)床床尤其對(duì)動(dòng)態(tài)特性有很高的要求。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門(mén)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。如瑞士米克朗公司開(kāi)發(fā)的5軸聯(lián)動(dòng)HSMU系列高速加工機(jī)床，采用了新型的人造大理石材料做床身，形成整體的封閉O形結(jié)構(gòu)，使機(jī)床具有良好的吸振性和剛性。

2.1.5 高效的機(jī)床安全防護(hù)技術(shù)

高速切削機(jī)床普遍采用高強(qiáng)度透明材料制成的觀察窗、全封閉式安全門(mén)罩等非常完備的安全保障措施，來(lái)保證機(jī)床操作者及機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)人員的安全，避免機(jī)床、刀具等有關(guān)設(shè)施受到損傷。同時(shí)應(yīng)用高速加工檢測(cè)技術(shù)，對(duì)高速機(jī)床與系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)主動(dòng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，以識(shí)別可能引起重大事故的工況、避免機(jī)床、刀具及有關(guān)設(shè)施的損傷。

2.2 高速切削刀具

刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速切削的重要保證。高速切削刀具是實(shí)現(xiàn)高速加工技術(shù)的關(guān)鍵，正確選擇刀具材料和設(shè)計(jì)刀具系統(tǒng)對(duì)于提高加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用。

2.2.1 高速切削刀具材料

由于高速切削的切削速度快，而高速加工線(xiàn)速度主要受刀具限制，在目前機(jī)床所能達(dá)到的高速范圍內(nèi)，速度越高，刀具的磨損越快。因此，高速切削對(duì)刀具材料提出了更高的要求，除了具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還應(yīng)突出要求高速切削刀具具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能及高的可靠性。目前常用的高速切削的刀具材料主要有：陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、涂層刀具、立方氯化硼（CBN）刀具及聚晶金剛石（PCD）刀具、性能優(yōu)異的高速鋼和硬質(zhì)合金復(fù)雜刀具等。

2.2.2 高速切削刀具系統(tǒng)

由于高速切削時(shí)，主軸、刀具、刀柄在高速旋轉(zhuǎn)情況下，較小的偏心會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，因此，高速加工刀具與機(jī)床的連接一般采用錐面和主軸端面同時(shí)接觸的HSK空心刀柄，以確保高速旋轉(zhuǎn)刀具的安全性和軸向加工精度。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀具的不平衡會(huì)造成主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比。因此，高速切削的刀具在使用前必須經(jīng)過(guò)精密動(dòng)平衡測(cè)試，以免工作時(shí)發(fā)生振動(dòng)。

2.3 高速切削工藝

高速切削工藝是進(jìn)行高速切削加工的關(guān)鍵，常規(guī)切削的高效率來(lái)自低轉(zhuǎn)速、緩進(jìn)給、大切深、單行程；而高速切削則是高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、中切深、多行程的加工工藝。因此，高速切削工藝和常規(guī)切削工藝相比較有很大不同。

2.3.1 高速切削加工的走刀方式

對(duì)于帶有敞口型腔的區(qū)域，應(yīng)盡量從材料的外面走刀，以實(shí)時(shí)分析材料的切削狀況。對(duì)于沒(méi)有型腔的封閉區(qū)域，宜采用螺旋進(jìn)刀方式，在局部區(qū)域進(jìn)行切入。高速切削加工中，由于機(jī)床加速的局限性，容易造成時(shí)間的浪費(fèi)，急?；蚣眲?dòng)則會(huì)破壞表面精度，且有可能因?yàn)檫^(guò)切而產(chǎn)生拉刀或在外拐角處咬邊。所以應(yīng)盡量減少刀具的急速換向，選擇單一路徑切削模式進(jìn)行順銑，不中斷切削過(guò)程和刀具路徑，盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以獲得相對(duì)穩(wěn)定的切削過(guò)程。

2.3.2 專(zhuān)門(mén)的CAD/CAM編程策略

CAD/CAM編程原則是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進(jìn)結(jié)速率變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：一是盡可能減少程序塊，以提高程序處理的速度；二是在程序段中加人一些圓弧過(guò)渡段，以盡可能減少速度的急劇變化；三是粗加工不是進(jìn)行簡(jiǎn)單的去除材料，而是注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，以盡可能減少銑削負(fù)荷的變化；四是宜多采用分層順銑方式；并且切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行切向進(jìn)刀，以保證恒定的切削條件；五是應(yīng)充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗(yàn)證的功能。

3 高速切削技術(shù)應(yīng)用

3.1 在航空工業(yè)的中的應(yīng)用

飛機(jī)制造業(yè)是最早采用高速銑削的行業(yè)。飛機(jī)上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來(lái)由多個(gè)鉚接或焊接而成的部件，改用整體實(shí)心材料制造，即在整體上“掏空”加工以形成多筋薄壁構(gòu)件，其金屬切除量相當(dāng)大。采用高速切削加工技術(shù)，加工時(shí)間可縮短到原來(lái)的幾分之一。

3.2 在模具加工中的應(yīng)用

模具型腔加工過(guò)去一直為電加工所壟斷，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可銑淬硬60HRC的模具鋼，加工表面粗糙度值又很小，淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速銑削來(lái)代替電加工；對(duì)深腔小曲率的，可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工，電加工只作為精加工。這樣可使生產(chǎn)效率大大提高，周期縮短。

3.3 在汽車(chē)工業(yè)加工中的應(yīng)用

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的箱體、氣缸蓋多用組合機(jī)床加工。國(guó)外汽車(chē)工業(yè)及上海大眾、上海通用公司，凡技術(shù)變化較快的汽車(chē)零件，如：氣缸蓋的氣門(mén)數(shù)目及參數(shù)經(jīng)常變化，現(xiàn)一律用高速加工中心來(lái)加工。

3.4 Ni基高溫合金

Ni基高溫合金和Ti合金常用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件，因它們很難加工，一般采用很低的切削速度。如采用高速加工，則可大幅度提高生產(chǎn)效率、減小刀具磨損、提高零件的表面質(zhì)量。

3.5 擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域

硬切削，常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，而高速切削可以加工淬硬工件，使復(fù)雜曲面零件可以通過(guò)高速銑削一次裝夾完成從粗加工到精加工的等全部工序，甚至能省略電加工和手工拋光工序，大大縮短制造周期。干式切削也是高速切削擴(kuò)展的領(lǐng)域，高速干切削就是在切削加工過(guò)程中不使用任何切削液的工藝方法，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清潔制造工藝，它消除了切削液的使用對(duì)外部系統(tǒng)造成的負(fù)面影響。此外，高速切削加工也可用于快速成形、光學(xué)精密零件和儀器儀表的加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速切削技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大地促進(jìn)加工的效率提高和產(chǎn)品品質(zhì)的改善。高速加工是一個(gè)系統(tǒng)工程，他要求從軟件、硬件及設(shè)備方面的全方位的改革，但由于其具有傳統(tǒng)加工無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，將是今后數(shù)控加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。

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