高速切削技術(shù)應(yīng)用淺析

張寧 賈朝瑾 張帥

【摘 要】隨著高速，高性能，高精密化的數(shù)控機(jī)床快速發(fā)展；金屬切削加工對加工質(zhì)量和加工效率的要求越來越高。高速切削作為一項新的實用加工技術(shù)，克服了一些傳統(tǒng)切削加工的不足，已成為現(xiàn)代切削加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。高速切削以其高效、優(yōu)質(zhì)的加工特性逐漸獲得青睞，本文立足于高速切削的加工方式與特點(diǎn)，總結(jié)了高速切削技術(shù)中包括刀具材料、編程等多方面的理論和經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】高速加工 切削技術(shù) 刀具 編程

高速切削技術(shù)之所以得到越來越廣泛的應(yīng)用，是因為它相對于傳統(tǒng)加工具有幾個顯著的優(yōu)勢：（1）可以提高生產(chǎn)率，（2）降低了切削力，（3）提高了加工質(zhì)量；第四，降低了加工能耗，節(jié)約了制造資源。高速切削加工較傳統(tǒng)加工雖然有著顯著的優(yōu)勢，但高速加工在其切削加工過程中也提出了較傳統(tǒng)加工更多的要求。

1 高速切削對刀具材料的要求

（1）優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，要求刀具在高溫下保持高的高溫強(qiáng)度、高硬度及抗熱沖擊性。在加工導(dǎo)熱性差的零件時，還應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性能，以利于切削區(qū)熱量的迅速傳出，降低切削區(qū)溫度。（2）良好的化學(xué)穩(wěn)定性，減小高溫對化學(xué)作用的催化作用，保持刀具材料在高溫下優(yōu)異的抗黏結(jié)性能和抗擴(kuò)散性能。（3）高可靠性。由于刀具材料組分和結(jié)構(gòu)的分散性，刀具的靜、動態(tài)性能會有一定的差別，同時刀具在使用過程中的磨損與破損，將會影響刀具的壽命、質(zhì)量穩(wěn)定性及切削刃重復(fù)定位精度，因此，刀具材料應(yīng)具有高的可靠性。目前適合進(jìn)行高速切削的刀具材料有金剛石（PCD）、立方氮化硼（PCBN）、陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。

2 高速切削對刀具系統(tǒng)的要求

刀具系統(tǒng)是由裝夾刀柄與切削刀具所組成的完整刀具體系。裝夾刀柄與機(jī)床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，兩者都很重要。高速切削加工刀具系統(tǒng)必須滿足以下條件。

（1）系統(tǒng)的剛性。裝夾剛性要好，傳遞轉(zhuǎn)矩大，體積小。刀具系統(tǒng)的靜，動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素，所以靜動平衡性要好。如果刀具系統(tǒng)剛性不足，將導(dǎo)致刀具系統(tǒng)振動或傾斜，使加工精度和加工效率降低。同時，系統(tǒng)振動又會使刀具磨損加劇，降低刀具和機(jī)床的使用壽命。（2）安全性要求高。作為應(yīng)用于高速切削加工的刀具系統(tǒng)，在高轉(zhuǎn)速情況下會產(chǎn)生很大的離心力，造成兩種危險：一是普通彈簧夾頭夾緊力會下降；二是大直徑刀具可能會破壞。（3）刀具的平衡。刀具或工具系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)的不對稱或制造、組裝的誤差帶來的偏心，會使刀具相對回轉(zhuǎn)中心存在不平衡量，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生周期的徑向跳動力，作用在主軸的軸承系統(tǒng)，甚至傳遞至機(jī)床的其他部位，影響加工質(zhì)量、刀具壽命和機(jī)床的性能。為此，應(yīng)對高速旋轉(zhuǎn)刀具的許用平衡量，最高使用轉(zhuǎn)速做出規(guī)定。（4）系統(tǒng)精度高。系統(tǒng)精度包括系統(tǒng)定位夾持精度、刀具重復(fù)定位精度以及良好的精度保持性。具備這些精度要求的刀具系統(tǒng)，才能保證高速加工整個系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，從而滿足高速，高精加工的要求。

3 高速切削加工對機(jī)床系統(tǒng)的要求

（1）使用適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸部件及驅(qū)動系統(tǒng)。主軸的變速范圍完全由變頻調(diào)速交流主軸電機(jī)來實現(xiàn)，并將電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一，構(gòu)成所謂的電主軸。由于電主軸結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣性小，響應(yīng)特性好，并且避免振動與噪音，因而是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。（2）高速主軸單元的核心是高速精密軸承。高速主軸采用的軸承包括空氣軸承，靜壓軸承，動壓軸承，滾動軸承和磁浮軸承。目前空氣軸承受到切削載荷較小及過載能力較小的限制，靜壓軸承則由于摩擦熱及有關(guān)功率損失而受到轉(zhuǎn)速的限制，故這兩種軸承應(yīng)用受限。動靜壓混合軸承采用流體動力和流體靜力結(jié)合的方法，使軸承在油膜支撐中旋轉(zhuǎn)，具有徑向和軸向跳動精度高、剛度好、阻尼特性好、粗精加工均適用，軸承壽命無限長等優(yōu)點(diǎn)。（3）高速軸承的應(yīng)用。在高速旋轉(zhuǎn)條件下，滾動軸承中滾動體的離心力和陀螺力將急劇增大。為減少滾珠離心力，一般采取兩種措施：一是減少滾珠直徑，二是采用氯化硅陶瓷材料做滾珠。（4）合理的選擇潤滑方式。主軸潤滑為高速主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用，特別是滾動軸承，采用油空氣潤滑或噴油潤滑。采用空氣潤滑后，軸承的DN值將比脂潤滑提高30%--50%。（5）快速反應(yīng)的數(shù)空伺服系統(tǒng)和進(jìn)給部件高速機(jī)床是精密的數(shù)控機(jī)床。在進(jìn)行高速切削時，為保持刀具每齒進(jìn)給量不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅提高。（6）高速切屑的處理方法。大流量噴射冷卻系統(tǒng)在高速切削時，單位時間內(nèi)將產(chǎn)生大量的熱切屑，必須把它迅速從工作臺清除，以免防礙高速切削的正常進(jìn)行，避免產(chǎn)生機(jī)床刀具和工件的熱變形。

使用“三剛”（靜剛度、動剛度、熱剛度）特性都很好的機(jī)床支承元件。

4 高速加工程序編制的內(nèi)容及策略

數(shù)控程序編程的主要內(nèi)容：（1）認(rèn)真分析加工要求并進(jìn)行工藝設(shè)計，確定加工方案，選擇合適的機(jī)床、刀具、夾具，確定合理的走刀線路和切削用量。（2）建立工件的幾何模型，計算加工過程中刀具相對工件的運(yùn)動軌跡或機(jī)床運(yùn)動軌跡。（3）按照數(shù)控系統(tǒng)所接受的程序格式生成零件加工程序，然后對其進(jìn)行驗證和修改，直到得出合格的加工程序。

相比傳統(tǒng)加工方式，高速加工對工藝走刀方式有著特殊的機(jī)能要求，因而在程序編制時要注意以下問題：

（1）避免走刀時刀具軌跡的突然變化，保持加工過程中刀具軌跡的平穩(wěn)和連續(xù)性，避免突然加速或減速，否則會因局部過切造成刀具和設(shè)備的損壞。（2）下刀或刀行間過渡部分采用斜式下刀或圓弧下刀，避免直上直下下刀。當(dāng)?shù)毒吲c被加工曲面呈90度時，意味著刀具的刃口只有很少一部分在工作，這樣刀具的使用壽命會大大縮短。同時，在給定轉(zhuǎn)速時，刀具的刀尖相比全刀寬切削時移動的距離較短，導(dǎo)致材料去除率也降低。（3）行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接。（4）除非必要，應(yīng)盡量避免全刀寬切削。（5）避免多余空刀造成重復(fù)計算，這對CAM系統(tǒng)的刀具軌跡編輯優(yōu)化功能要求也很高，可以通過這些功能對刀具軌跡進(jìn)行鏡像，復(fù)制，旋轉(zhuǎn)等操作，從而精確地裁減空刀數(shù)量以提高效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭貞平，黃云林，黎勝容.VERICUT7.0中文版數(shù)控仿真技術(shù)與應(yīng)用實例詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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