高速切削加工技術(shù)探析

周恩才 王敏

摘要：高速切削做為一種先進(jìn)制造技術(shù)以其高效率和高精度的特征，已經(jīng)成為提高加工效率、加工質(zhì)量和降低成本的主要途徑。本文試從其優(yōu)越性及關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了論述。

關(guān)健字：高速切削； 關(guān)鍵技術(shù)

1．前言

高速切削加工是面向現(xiàn)代加工社會(huì)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以效率高、精度高和表面加工質(zhì)量高為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天和儀器儀表等行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，并已獲取了重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。高速切削是實(shí)現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率。有些專家把高速切削技術(shù)的出現(xiàn)稱作是機(jī)械加工發(fā)展中的一個(gè)里程碑，是繼數(shù)控技術(shù)之后新技術(shù)的又一次重大變革。德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon博士在1931年4月提出了高速切削假設(shè)，指出:在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高。對(duì)于一種工件材料，存在一個(gè)速度范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，刀具無(wú)法承受，切削加工不能進(jìn)行。但當(dāng)切削速度繼續(xù)提高，超過(guò)這個(gè)范圍以后，切削溫度反而會(huì)降低，切削力也會(huì)大幅度下降。按照此假設(shè)，對(duì)于一種工件材料存在一定的高速區(qū)，在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工，會(huì)有比較低的切削溫度和比較小的切削力，不僅有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速切削，從而大幅度地減少切削時(shí)間，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率，而且還將給切削過(guò)程帶來(lái)一系列的優(yōu)良特性。

2．高速切削加工的優(yōu)越性

高速切削加工技術(shù)具有速度高、效率高、精度高、表面加工質(zhì)量高、柔性高等特點(diǎn)，與普通切削相比，高速切削加工有許多優(yōu)越性。

(1)隨切削速度大幅度提高，進(jìn)給速度會(huì)提高4～10倍。材料切除率(進(jìn)給量、切削速度和切削深度的乘積)增加到常規(guī)的4倍左右，大大縮短了加工時(shí)間，提高加工效率，相應(yīng)降低加工成本。

(2)在高速切削加工范圍內(nèi)，隨著切削速度的提高，切削力明顯降低，隨著切削速度的提高，切削力平均可減小30%以上，尤其是徑向切削力可大幅度減小，有利于剛性比較差、薄壁件和細(xì)長(zhǎng)零件的加工。

(3) 高速切削在加工過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速非常高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可提高加工表面光潔度。

(4) 高速切削加工時(shí)，切屑排出速度快，能帶走大量的切削熱。切削速度越高，帶走的熱量越多，大致在85%以上，傳給工件的熱量會(huì)減少，有效減小工件內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度。

(5)高速切削可以加工各種復(fù)雜材料，包括加工高硬度材料和硬度高達(dá)HRC4O~62的淬硬鋼。在相同的加工時(shí)間內(nèi)，；加工的表面質(zhì)量比電火花加工高。因此，在某種程度上可以取代電火花加工和磨削加工。

3．高速切削機(jī)床技術(shù)

高速機(jī)床是提供高速加工技術(shù)的主體。高速機(jī)床由一系列具有高速功能的部件及其支撐部件組成，主要包括:高速主軸系統(tǒng);高精度快速進(jìn)給系統(tǒng);高性能CNC控制系統(tǒng);高阻尼和高剛度的機(jī)床床體結(jié)構(gòu)，包括床身、立柱和工作臺(tái)等;高效的排屑和冷卻系統(tǒng);可靠的安全防護(hù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

4．高速切削刀具要求

高速回轉(zhuǎn)刀具要進(jìn)行必要的動(dòng)平衡測(cè)試，才能滿足平衡品質(zhì)的要求。高速切削刀具結(jié)構(gòu)主要有整體和鑲齒兩類。高速切削刀具切削刃的形狀正朝著高剛性、復(fù)合化、多刃化的方向發(fā)展。

高速切削加工技術(shù)要求刀柄系統(tǒng)有很高的動(dòng)平衡性，主軸、刀柄、刀具三者在旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)具有極高的同心度，否則轉(zhuǎn)速越高離心力越大，當(dāng)其達(dá)到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)時(shí)將會(huì)使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振，其結(jié)果是加工質(zhì)量下降、刀具壽命縮短、加速主軸軸承磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使刀具與主軸損壞。要使刀和軸連接具有良好的高速性能，刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔必須結(jié)合緊密，一般情況下，采用錐部與主軸端面同時(shí)接觸的雙定位錐柄。目前，刀和軸連接設(shè)計(jì)主要有兩種:一種是采用新思路設(shè)計(jì)的1:10中空短錐刀柄系統(tǒng)，如德國(guó)的HSK空心短錐刀柄和美國(guó)的KM系列刀柄。

高速切削加工對(duì)刀具材料要求非常高。刀具材料與工件材料的性能匹配合理是高速切削刀具材料選擇的關(guān)鍵依據(jù)，在加工過(guò)程中，一定要根據(jù)刀具材料與工件材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能選擇高速切削刀具材料，才能獲得最佳的切削效果。目前適用于高速切削的刀具主要有: 陶瓷刀具、涂層刀具、TIC(N)基硬質(zhì)合金刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、金剛石刀具以及性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金刀具等刀具材料。

5．高速切削加工工藝技術(shù)

高速切削的工藝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。高速切削的工藝技術(shù)包括切削方法和切削參數(shù)的選擇優(yōu)化、刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇，選擇適合于高速切削加工的走刀方式以及專門的CAD/CAM編程策略的研究等。

6．高速切削測(cè)試技術(shù)

由于高速切削加工的速度相當(dāng)高，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)4000r/min時(shí)，若有大片崩裂，碎片就會(huì)像出膛的子彈，所以高速切削加工是在密封的機(jī)床工作區(qū)間里進(jìn)行的，這樣操作人員很難直接觀察、操作和控制，因此需要對(duì)加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命，確保人員和設(shè)備的安全。高速切削加工的測(cè)試技術(shù)包括傳感技術(shù)、信號(hào)分析和處理等技術(shù)。最近幾年，在線測(cè)試技術(shù)在高速機(jī)床中使用的越來(lái)越多，如主軸發(fā)熱情況、刀具磨損狀態(tài)測(cè)試和工件加工監(jiān)測(cè)等。智能技術(shù)也己經(jīng)應(yīng)用于測(cè)試信號(hào)的分析和處理中，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于刀具磨損狀態(tài)的識(shí)別。

7．高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)

目前，世界各國(guó)雖然建立了許多金屬切削數(shù)據(jù)庫(kù)，但尚無(wú)適用于高速切削加工的數(shù)據(jù)庫(kù)，.因此，建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)就迫在眉睫，并且它對(duì)于推廣和應(yīng)用高速切削加工技術(shù)也具有非常重要的意義。

高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具有推薦切削刀具、提供優(yōu)化的切削參數(shù)、與數(shù)控系統(tǒng)、 CAD/CAM軟件良好的通信與接口、邏輯推理、網(wǎng)絡(luò)、分布式結(jié)構(gòu)、預(yù)測(cè)某些切削加工效果等功能。

8．結(jié)束語(yǔ)

高速切削加工技術(shù)是一項(xiàng)全新的、正在發(fā)展中的先進(jìn)高新技術(shù)，在理論和技術(shù)各方面還有大量研究工作要做。雖然，我國(guó)高速切削加工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還處于起步階段，但目前國(guó)內(nèi)已進(jìn)口了大批量的高速加工設(shè)備，開發(fā)了多種高速加工機(jī)床，只要我們充分認(rèn)識(shí)高速切削加工技術(shù)的優(yōu)越性，一定會(huì)把我國(guó)切削加工水平推進(jìn)到一個(gè)更新高度。

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