數(shù)控高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)的研究

燕相松，韓 江

(1．合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 安徽合肥 230000；2．滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系 安徽滁州 239000)

數(shù)控高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)的研究

燕相松，韓 江

(1．合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 安徽合肥 230000；2．滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系 安徽滁州 239000)

高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用將大幅度地提高機械加工效率和加工質(zhì)量。本文介紹了高速切削的優(yōu)點，分析了高速切削技術(shù)涉及到的高速切削加工機床、刀具等諸多問題；對高速切削加工工藝規(guī)劃和編程策略等高速切削關(guān)鍵技術(shù)進行了一定的研究，對數(shù)控高速切削加工的具體應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

高速切削；高速切削銑床；高速切削刀具；工藝規(guī)劃；編程策略

引言

數(shù)控高速切削加工技術(shù)是機械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，其應(yīng)用將大幅度地提高加工效率和加工質(zhì)量。最近幾年，高速切削加工在汽車工業(yè)、航空航天業(yè)和模具工業(yè)獲得較廣泛的應(yīng)用，而且成效顯著。在汽車工業(yè)，高速加工中心的加工效率已足以取代組合機床，成為柔性生產(chǎn)線的主力加工設(shè)備，從而有力地推動了大批量生產(chǎn)的柔性化；用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗、精加工和模具其他部位的機械加工，高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用大大縮短了各類模具的開發(fā)周期。

一、數(shù)控高速切削加工的優(yōu)點

數(shù)控高速切削加工是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進制造技術(shù)。其切削速度、進給速度相對于傳統(tǒng)的切削加工，以級數(shù)級提高，切削機理也發(fā)生了根本的變化。切削加工質(zhì)量發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍和提高。

圖1 不同材料的高速切削速度

（一）由于切削速度的大幅度提高，在單位時間內(nèi)的材料切除率就大大增加，一般可達到常規(guī)切削時的3～6倍，甚至更高。另外機床快速空程速度也大幅度提高，所以也大大減少了非切削的空行程時間，從而極大地提高了加工的效率。

（二）在高速切削加工中，當切削速度達到一定值后，切削力平均降低30%以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于提高薄壁類等剛性較差零件的高速精密加工。

（三）在高速切削時，有95%～98%以上的切削熱來不及傳給工件，就被切屑快速帶走，可使工件基本上保持冷態(tài)，所以特別適合于加工容易產(chǎn)生熱變形的零件。

（四）可以加工各種難加工材料。如鎳基合金和鈦合金，這類材料強度大、硬度高、耐沖擊、加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重。而采用了高速切削加工不僅大大提高生產(chǎn)率，同時可以可以獲得較高的加工表面質(zhì)量。

二、數(shù)控高速切削加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

高速加工是一項先進的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程技術(shù)，與傳統(tǒng)加工工藝技術(shù)相比，它對機床、刀柄、刀具、加工工藝、控制系統(tǒng)、CAD／CAM軟件等多項指標都有較高要求。

（一）數(shù)控高速銑削加工機床

高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，超高速切削技術(shù)是切削加工的發(fā)展方向，也是時代發(fā)展的產(chǎn)物，隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺階。高速切削的高效應(yīng)用要求機床系統(tǒng)中的部件都必須同時先進，主要包括在以下幾個方面的要求：

1、機床系統(tǒng)的剛性 要求提供高速進給的驅(qū)動器(快進速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),符合提供0.4m/s到10m/s的加速度和減速度要求。

2、刀柄和主軸的剛性 要求滿足10000r/min到50000r/min的轉(zhuǎn)速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間不大于0.0002英寸的軸向間隙。

3、加工工藝及可靠性 工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關(guān)系的理解，能夠提高機床的利用率(6000h/y)和無人操作的可靠性。

（二）高速切削加工的刀柄和刀具

由于高速切削加工時離心力和振動的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度，很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。在高速加工中，刀具的選用與普通切削是有很大區(qū)別的，要突出從“高速”的角度考慮問題才能使高速切削達到最終目的。目前應(yīng)用較多的是HSK高速刀柄和國外現(xiàn)今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。

刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，因此其硬度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟性等基本性能是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素之一。在選擇高速切削刀具材料時,首先要考慮加工的材料,其次要考慮切削的方式。加工易切鋁合金一般用K10、K20、PCD聚晶金鋼石；加工鑄鋁合金,可選用K10、Si3N4陶瓷刀具、PCD及CVD金剛石涂層刀具；加工鑄鐵件時當切削速度低于750m/min,可使用涂層硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具；切削速度 510～2000m/min,可選用 Si3N4；切削速度在2000～4500m/min以上時,可使用CBN刀具；加工普通鋼可選用涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷和CBN材料的刀具；切削高溫鎳基合金主要使用陶瓷和CBN刀具；切削高硬度鋼常采用金屬陶瓷、陶瓷、TiC涂層硬質(zhì)合金和PCBN等材料；加工復(fù)合材料可選用陶瓷刀具。加工鈦合金（Ti6AlV2Sn）可選用K10材料刀具。

表1 各種刀具材料所適合加工的工件材料

（三）高速數(shù)控加工工藝規(guī)劃

高速切削加工工藝是高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅提高了對機床，夾具，刀具，刀柄的要求，同時也要求改進刀具路徑策略，因為若路徑不合理，在切削過程中就會引起切削負荷的突變，從而給零件、機床和刀具帶來沖擊，破壞加工質(zhì)量，損傷刀具。因此，必須研究適合高速銑削的刀具切削路徑，將銑削過程中切削負荷的突變降至最低。高速數(shù)控加工工藝主要包括如下內(nèi)容：

1、選擇適合在數(shù)控機床上加工的零件，確定工序內(nèi)容。

2、分析被加工零件的圖紙，明確加工內(nèi)容及技術(shù)要求。

3、確定零件的加工方案，制定數(shù)控加工工藝路線，如劃分工序、安排加工順序，處理與非數(shù)控加工工序的銜接等。

4、加工工序的設(shè)計，如選取零件的定位基準，夾具方案的確定、劃分工步、選取刀具、確定切削用量等。

5、數(shù)控加工程序的調(diào)整，選取對刀點和換刀點，確定加工路線。

（四）高速數(shù)控加工的編程策略

高速加工數(shù)控編程必須考慮高速切削的特殊性和控制的復(fù)雜性，高速加工不是簡單的把普通加工的轉(zhuǎn)速和進給提高，而是對很多方面有了更高的要求。在數(shù)控編程方面，編程人員全面仔細考慮全部的加工策略，設(shè)定有效、精確、安全有效的刀具路徑，保證預(yù)期的加工精度和表面質(zhì)量。高速切削對編程的具體要求主要有：

1、夾具、工件和刀具之間無碰撞和干涉，保證刀具和機床不過載。刀具和機床的過載不僅提高了加工成本，還使加工精度無法得到保證，夾具、工件和刀具之間碰撞和干涉問題是高速加工編程的重點，也是高速加工編程首先要解決的問題，它直接關(guān)系到高速加工的編程的成敗。

2、保持恒定的切削載荷。保持恒定的切削載荷對高速切削非常重要，也是高速加工的主要特征之一。要保證切削載荷恒定，要考慮以下因素的影響：第一是保持金屬切削層厚度的恒定，很明顯分層加工要比仿形加工有利于保證材料去除量的恒定；第二是刀具切人工件的方式要平滑，采用螺旋線方向切入好。第三要保證刀具軌跡平滑過渡，不能有直角過渡。

3、保證工件的加工精度。在高速切削加工中，為保證工件的加工精度和表面質(zhì)量，要盡量減少刀具的切入次數(shù)，盡量采用螺旋走刀軌跡，過小的進給量往往會造成切削力的不穩(wěn)定，會產(chǎn)生切削振動，影響工件表面的加工質(zhì)量；進給量要均衡，采用較大的進給量可以保證加工表面質(zhì)量的提高。

三、高速加工的編程原則和CAM軟件

高速加工編程時要注意如下幾個原則：1）應(yīng)避免垂直下刀，盡量從材料外部切入材料或者加工前打下刀孔；2）盡量采用工序集中的原則和減少換刀次數(shù)；3）盡量使用平滑的刀具路徑，均勻切削載荷,避免極速切削；4）盡可能使粗加工后所留加工余量均勻；5）在零件的一些臨界區(qū)域應(yīng)盡量保證不同步驟的精加工路徑不重疊；6）盡可能避免刀具換向切削和不同切削區(qū)域間的刀具跳轉(zhuǎn)。

高速加工中為得到最好的效果，還必須提供足夠強大功能的CAM軟件，以得到高質(zhì)量的加工程序，保證機床能全負荷地進行工作。為此應(yīng)使用具備自動高速加工功能，能快速計算出無過切刀具切削路徑的CAM軟件，減少操作者優(yōu)化程序的工作量。目前使用的 CAM 軟件主要有 UG、Pro/E、MasterCAM、Cimatron、CATIA、DELCAM-Powermill、等系列軟件。

四、結(jié)束語

高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進制造技術(shù)之一，其產(chǎn)生是市場經(jīng)濟全球化和各種先進技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。高速加工的巨大吸引力在于實現(xiàn)高速加工的同時，保證了高速加工精度。航空航天、汽車及模具制造業(yè)對高速加工的認同與強烈要求，推動著高速加工技術(shù)在國際上的不斷應(yīng)用和發(fā)展。

[1]艾興.高速切削技術(shù)和刀具材料現(xiàn)狀與展望[J].世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）,2001(3).

[2]陳洪濤.數(shù)控加工技術(shù)與編程[M].北京：高等教育出版社,2003,9.

[3]吳文君,沈永剛.高速加工中CAD/CAM編程策略及工藝性[D].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2009,12(4).

TH161 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1671-5993（2011）02-0052-02

2011-06-08

燕相松（1972-），男，安徽定遠人，合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院在讀碩士；滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系講師。