高速切削加工技術研究

丁明亮

摘 要：高速切削加工是當代先進制造技術的重要組成部分，擁有高效率、高精度及高表面質量等特征。通過高速切削加工技術，可以解決在汽車模具常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題。

關鍵詞：高速;切削;加工;技術

高速切削在航空航天業(yè)、模具工業(yè)、電子行業(yè)、汽車工業(yè)等領域得到越來越廣泛的應用。

一、高速切削加工工藝特點

（一）提高生產效率。提高切削用量、增大切削速度、進給量和背吃刀量，都可縮短基本時間，這是機械加工中廣泛采用的提高生產率的有效方法。要提高切削效率，縮短切削時間，就要提高單位時間內材料的切除量，它與切削三要素都有關系，且最活躍、影響最大的要素是切削速度，這就是為什么把采用高速切削作為提高切削效率重要途徑的原因。與傳統切削加工相比，高速加工發(fā)生了本質性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～50%，切削力降低了40%，刀具的切削壽命提高了80%。例如，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、精加工和汽車模具其他部位的機械加工。高速切削加工以高于常規(guī)切削15倍左右的切削速度對汽車模具進行高速切削加工。由于高速機床主軸激振頻率遠遠超過“機床—刀具—工件”系統的固有頻率范圍，所以汽車模具的加工過程平穩(wěn)。

（二）提高加工質量。由于采取了極小的步距和切深，高速切削加工可獲得很高的表面質量，甚至可以省去鉗工修光的工序。高速切削時工件基本處于“無振動”的平穩(wěn)狀態(tài)，加之切削力和切削熱的影響較小，所以更容易獲得較高加工精度的零件。而且由于在較高切削速度范圍內切削，積屑瘤、表面殘余應力等缺陷也得到了有效控制。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應力小，實現了高精度、低粗糙度加工。 因此，利用高速切削的技術優(yōu)勢，以高的切削速度和進給速度、較小的走刀步距和切深、較薄的切屑厚度進行切削加工，可以獲得良好的加工精度和表面質量，減少模具拋光工作量70%～100%，大幅度縮短模具開發(fā)周期。例如，汽車模具在使用過程中往往需要多次修復以延長使用壽命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成該工作，取得以銑代磨的加工效果

（三）降低加工能耗。由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低45%。同時，由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時間短，從而提高了能源和設備的利用率，降低了切削加工在制造系統資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。在高速切削時，大部分的切削熱來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間短，不會由于溫升導致熱變形，有利于提高表面精度。另外，高速則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工?，F在多數企業(yè)都算過這筆賬來了，加大刀具投入，用高速切削提高生產效率以降低總生產成本。

二、高速切削加工技術

（一）應用高速切削機床。高速切削要獲得良好的應用效果，必須將高性能的高速切削機床、與工件材料相適應的刀具和對于具體加工對象最佳的加工工藝技術相結合。機床必須被認為是整個工藝中不可分割的一部分，在這點上，機床結構通常需要進行調整以適應新情況，有時甚至需要重新設計。高速運轉的機床首先要求其機構具有高剛性，要能吸收高頻振動及高慣性G值，以確保高速切削精密度及穩(wěn)定度。高速切削的機床由于其在運行時，主軸運轉速度非常之高，因此要求它的機床結構擁有較高的剛性，同時還能吸收高速運動時的振動，以此保證高速切削的精度和穩(wěn)定性。必須強調的是這些優(yōu)點只有使用滿足高速切削要求的機床才能體會到。出色的動力特性、智能和高效的控制系統以及最新的主軸技術是重要的標準。

（二）選擇適合高速切削的刀具。高速切削用的刀具，尤其是高速旋轉刀具，從保證加工精度方面以及操作安全方面考慮，都要求刀具及刀柄有更好的質量和性能。由于高速切削高轉速和快進給等特點，除了良好的耐磨性和高的強度韌性的先進刀具材料，優(yōu)良的刀具涂層技術，合理的幾何結構參數和高同心度的刀刃精度質量等因素外，還需特別注意其它因素對刀具耐用度的影響。合理安排刀具換刀時間，在選擇刀具與確定切削參數時，應考慮所采用刀具的壽命與所確定的換刀時間相適應。一般盡量將換刀時間安排在交班或休息時間，盡量使所有的刀具壽命與所確定的換刀時間相同或為它的倍數。刀具軌跡應避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、復制、旋轉等功能，避免重復計算。高速機床的這種刀具軌跡編輯、變換、優(yōu)化處理等功能非常重要。實踐證明，如果只有高速機床和刀具而沒有良好的工藝技術作指導，昂貴的高速加工設備也不能充分發(fā)揮作用。

（三）優(yōu)化高速切削加工參數。高速切削的主要目標之一是通過高生產率來降低生產成本。它主要應用于精加工工序，常常是用于加工淬硬模具鋼。另一個目標是通過縮短生產時間和交貨時間提高整體競爭力。所以，在高速切削中，必須對切削參數進行優(yōu)化選擇。其中包括優(yōu)化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移動的方向和切削過程（順銑還是逆銑）等。例如，一般主軸轉速在11000-21000r/min以上的為高速切削;進給速度很高，通常達16-53m/min，最高可達98m/min。目前，可在工業(yè)上使用的速度達63000轉/分的主軸已是最新技術趨勢。一般來說，要求刀具以及刀夾的加速度達到3g以上時，刀具的徑向跳動要小于0.015mm，而刀的長度不大于刀具直徑的5倍。為了使刀具每齒進給量基本保持不變，以保證零件的加工精度、表面質量和刀具的耐用度，則進給量也必須相應提高15倍左右，達到70m/min以上，有的甚至高達140m/min。

三、結束語

高速切削加工技術是21世紀的一種先進制造技術，有著強大的生命力和廣闊的應用前景。高速切削加工不僅包含著切削過程的高速，還包含工藝過程的集成和優(yōu)化，是一個可由此獲得良好經濟效益的高速度的切削加工，是技術和效益的統一。隨著高速切削技術的發(fā)展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的熱變形和熱膨脹小、加工表面質量好、經濟效益高及適宜加工復雜和細長薄壁件等獨特優(yōu)勢，被廣泛應用于航空航天整體結構件的加工中。

參考文獻

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