試論數(shù)控高速切削加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究

張曉曉+張朝輝

摘 要：本文系統(tǒng)介紹了數(shù)控高速切削加工的基礎(chǔ)理論及發(fā)展過(guò)程，分析了高速加工的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，總結(jié)了發(fā)展數(shù)控高速切削加工需要的關(guān)鍵技術(shù)和研究方向。

關(guān)鍵詞：高速切削；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用研究

數(shù)控高速切削技術(shù)（High Speed Machining，HSM，或High Speed Cutting，HSC），是提高加工效率和加工質(zhì)量的先進(jìn)制造技術(shù)之一，相關(guān)技術(shù)的研究已成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域重要的研究方向。我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步落后。研究先進(jìn)技術(shù)的理論和應(yīng)用迫在眉睫。

一、數(shù)控高速切削加工的含義

高速切削理論由德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon在上世紀(jì)三十年代初提出的。他通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：在正常的切削速度范圍內(nèi)，切削速度如果提高，會(huì)導(dǎo)致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損；然而，當(dāng)切削速度提高到某一定值后，只要超過(guò)這個(gè)拐點(diǎn)，隨著切削速度提高，切削溫度就不會(huì)升高，反而會(huì)下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過(guò)高而造成刀具磨損不利于切削的問(wèn)題，獲得良好的加工效益。

隨著制造工業(yè)的發(fā)展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎(chǔ)上逐漸形成了數(shù)控高速切削技術(shù)研究領(lǐng)域，數(shù)控高速切削加工技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的研究相對(duì)較早，經(jīng)歷了理論基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究和發(fā)展應(yīng)用，目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段。

關(guān)于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來(lái)看，認(rèn)為切削速度超過(guò)常規(guī)切削速度5-10倍即為高速切削。也有學(xué)者以主軸的轉(zhuǎn)速作為界定高速加工的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min即為高速加工。還有從機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的角度，以主軸直徑和主軸轉(zhuǎn)速的乘積DN定義，如果DN值達(dá)到（5～2000）×105mm.r/min，則認(rèn)為是高速加工。生產(chǎn)實(shí)踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應(yīng)不同。一般認(rèn)為車(chē)削速度達(dá)到（700～7000）m/min，銑削的速度達(dá)到（300～6000）m/min，即認(rèn)為是高速切削。

二、數(shù)控高速切削加工的優(yōu)越性

由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術(shù)不僅提高了切削加工的生產(chǎn)率，和常規(guī)切削相比還具有一些明顯的優(yōu)越性：第一、切削力小：在高速銑削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削形式，使切削力比常規(guī)切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少。既減輕刀具磨損，又有效控制了加工系統(tǒng)的振動(dòng)，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高：采用高速切削，切削速度和進(jìn)給速度都大幅度提高，相同時(shí)間內(nèi)的材料切除率也相應(yīng)大大提高。從而大大提高了加工效率。第三、工件熱變形?。涸诟咚偾邢鲿r(shí)，大部分的切削熱來(lái)不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，因此加工表面的受熱時(shí)間短，不會(huì)由于溫升導(dǎo)致熱變形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力學(xué)性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高：高速切削通常進(jìn)給量也比較小，使加工表面的粗糙度大大降低，同時(shí)由于切削力小于常規(guī)切削，加工系統(tǒng)的振動(dòng)降低，加工過(guò)程更平穩(wěn)，因此能獲得良好的表明質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。第五、綠色環(huán)保：高速切削時(shí)，工件的加工時(shí)間縮短，能源和設(shè)備的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時(shí)由于高速切削可以實(shí)現(xiàn)干式切削，減少甚至不用切削液，減少污染和能耗。

三、數(shù)控高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域研究

鑒于以上所述高速切削加工的特點(diǎn)，使該技術(shù)在傳統(tǒng)加工薄弱的領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力。首先，對(duì)于薄壁類(lèi)零件和細(xì)長(zhǎng)的工件，采用高速切削，切削力顯著降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補(bǔ)采用傳統(tǒng)方法時(shí)由于切削力和切削熱的影響而造成其變形的問(wèn)題，大大提高了加工質(zhì)量。其次，由于切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等用傳統(tǒng)方法難以加工的材料，可以研究采用數(shù)控高速切削技術(shù)來(lái)加工。

四、實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)研究

數(shù)控高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到切削機(jī)理、切削機(jī)床、刀具、切削過(guò)程監(jiān)控及加工工藝等諸多相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)，數(shù)控高速切削技術(shù)的實(shí)施和發(fā)展，依賴(lài)于此系統(tǒng)中的各個(gè)組成要素的，這些實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削技術(shù)離不開(kāi)的關(guān)鍵技術(shù)，具體體現(xiàn)在以下方面：

1.高速切削機(jī)理：有關(guān)各種材料在高速加工條件下，切屑的形成機(jī)理，切削力、切削熱的變化規(guī)律，刀具磨損規(guī)律及對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)以上基礎(chǔ)理論的實(shí)驗(yàn)和研究，將有利于促進(jìn)高速切削工藝規(guī)范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝制定提供理論基礎(chǔ)，屬于原理技術(shù)。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規(guī)范和切削用量的確定，是高速切削生產(chǎn)中的難點(diǎn)，也是高速切削加工領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。

2.高速切削機(jī)床技術(shù)模塊：高速切削機(jī)床需要高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)和高速CNC控制系統(tǒng)。高速加工要求主軸單元能夠在很高的轉(zhuǎn)速下工作，一般主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min以上，有的甚至高達(dá)60000-100000r/min，且保證良好動(dòng)態(tài)和熱態(tài)性能。其中關(guān)鍵部件是主軸軸承，它決定著高速主軸的壽命和負(fù)載容量，也是高速切削機(jī)床的核心部件之一，主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和性能的提高是高速機(jī)床的一項(xiàng)重要單元技術(shù)。另一項(xiàng)重要的單元技術(shù)是高速進(jìn)給系統(tǒng)。隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的提高，為保證刀具每齒或每轉(zhuǎn)進(jìn)給量不變，機(jī)床的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度也相應(yīng)提高，同時(shí)空行程速度也要提高。因此，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)必須快速移動(dòng)和快速準(zhǔn)確定位，這顯然對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的更高要求，是制約高速機(jī)床技術(shù)的關(guān)鍵單元技術(shù)。

3.高速切削刀具技術(shù)模塊：由機(jī)床、刀具和工件組成的高速切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是最活躍的因素。切削刀具是保證高速切削加工順利進(jìn)行的最關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著切削速度的大幅度提高，對(duì)切削刀具材料、刀具幾何參數(shù)、刀體結(jié)構(gòu)等都提出了不同于傳統(tǒng)速度切削時(shí)的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技術(shù)都發(fā)生了巨大的變化，高速切削加工時(shí)，要保證高的生產(chǎn)率和加工精度，更要保證安全可靠。因此，高速切削加工的刀具系統(tǒng)必須滿(mǎn)足具有良好的幾何精度和高的裝夾重復(fù)定位精度，裝夾剛度，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)良好的平衡狀態(tài)和安全可靠。盡可能減輕刀體質(zhì)量，以減輕高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所受到的離心力，滿(mǎn)足高速切削的安全性要求，改進(jìn)刀具的夾緊方式。刀具系統(tǒng)的技術(shù)研究和發(fā)展是數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵任務(wù)之一。

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