數(shù)控高速切削加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用實(shí)踐

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(廣州華立學(xué)院，廣東 廣州 511325)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械制造的要求也不斷提升，新形勢(shì)下原本的組合機(jī)床加工模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，因此急需研究出更高效的制造技術(shù)。而數(shù)控高速切削技術(shù)作為一項(xiàng)集能耗低、切削速度快、精度高、綠色化、切削功能良好等優(yōu)點(diǎn)為一體的技術(shù)，逐漸成為機(jī)械加工中的一項(xiàng)主要技術(shù)，極大地推動(dòng)了機(jī)械制造行業(yè)的不斷發(fā)展。

1 數(shù)控高速切削加工技術(shù)概述

1.1 高速切削加工技術(shù)的理論基礎(chǔ)

高速切削加工這一技術(shù)的基礎(chǔ)理論是參照的是德國(guó)著名的物理學(xué)家Carl.J.Salomon 首次提出的Salomon 曲線(xiàn)（詳見(jiàn)圖1）， Salomon 曲線(xiàn)中的橫軸表示的是切削速度，而縱軸表示的是切削的溫度，圖形由常規(guī)切削區(qū)、不可用切削區(qū)、高速切削區(qū)三個(gè)區(qū)域構(gòu)成。

圖1 Salomon 曲線(xiàn)圖

從上圖可以看出，在A(yíng)區(qū)與B區(qū)的前半部分溫度是隨著切削速度的不斷提高而增加的，但是在B區(qū)的后半?yún)^(qū)與C區(qū)溫度卻是伴隨著切削速度的不斷增大反而下降。在切削過(guò)程中，如果溫度水平達(dá)到m這一值時(shí)，由于此時(shí)切削的溫度過(guò)高，如果繼續(xù)切削可能帶來(lái)不利影響，此時(shí)便在V1和V2中間區(qū)域被稱(chēng)為不可用切削區(qū)域；假如切削加工速度超過(guò)V2時(shí)，但是切削的溫度降低，并低于m時(shí)，便屬于高速切削區(qū)域，該區(qū)域中獲得的切削效率更高。當(dāng)切削加工過(guò)程中溫度＞m時(shí)，便進(jìn)入了不可切削區(qū)域，由于切削溫度過(guò)高要求應(yīng)用的道具在擁有更高的紅硬性（即在高溫下依然能夠保持足夠的硬度），如果繼續(xù)應(yīng)用一般的硬質(zhì)合金刀具、高速鋼刀具等便無(wú)法達(dá)到技工的要求。再加上切削的溫度過(guò)高也會(huì)在一定程度上影響被加工的材料，包含對(duì)非耐高溫材料造成損傷，改變材料的組織狀態(tài)以及降低了零件尺寸的精度等等，因此該區(qū)域不可用于切削[1]。

1.2 數(shù)控高速切削加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)控高速切削加工技術(shù)作為社會(huì)發(fā)展與科技進(jìn)步的一大產(chǎn)物，該技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了切削速度，除了其切削溫度具有較高的穩(wěn)定性，同時(shí)還進(jìn)極大地提升了產(chǎn)品的精度，歸納起來(lái)，其主要具備以下優(yōu)點(diǎn)。

1.2.1 極大地提升了切削的效率

相比于傳統(tǒng)的切削工藝，數(shù)控高速切削加工最典型的特征便是工作效率高，在相同的時(shí)間段內(nèi)，其切削量是傳統(tǒng)技術(shù)的四倍以上，并且在有效地改進(jìn)了切削的工序，使切削工藝更集中，確保了切削目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)切削技術(shù)在加工過(guò)程中需要先劃分攻堅(jiān)，然后就不同的工序采取不同的加工技術(shù)，然后再開(kāi)展裝卸、搬運(yùn)等等，所需的時(shí)間長(zhǎng)，并且降低了加工制造的速度。而應(yīng)用數(shù)控高速切削加工技術(shù)，只需一道工序即可，極大地減少了人力和時(shí)間，同時(shí)還提高了切削的效率。圖2為某模具制造過(guò)程中傳統(tǒng)切削加工與數(shù)控高速切削加工的工序?qū)Ρ取?/p>

圖2 傳統(tǒng)切削加工與數(shù)控高速切削加工工藝流程對(duì)比

1.2.2 提高了制造加工的精準(zhǔn)度

在機(jī)械制造中應(yīng)用數(shù)控高速切削加工技術(shù)，除了簡(jiǎn)化了原本的切削加工工序，減少了切削所需的時(shí)間，更重要的是還提高了加工的精準(zhǔn)度。在工作過(guò)程中，數(shù)控高速切削技術(shù)加工速度非?？?，在降低被加工工件承受的力量的基礎(chǔ)上獲得較高的加工速度，解決了傳統(tǒng)切削工藝過(guò)程中由于受擠壓過(guò)大發(fā)生變形的問(wèn)題，從而提高了制造產(chǎn)品的質(zhì)量。除此之外，由于因?yàn)槠渚邆淇焖傩蕴卣?，因此減少了工件熱量的形成，再加上該技術(shù)具備高效性特征，致使形成的熱量能夠迅速散開(kāi)，明顯地降低了工件的受熱程度，降低了在加工過(guò)程中溫度過(guò)高致使工件發(fā)生變形或者受損發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，有效的提升了切削的精準(zhǔn)度，確保了制造的產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2.3 極大地減少能源資源消耗

數(shù)控高速切削加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種資源的最大化利用，同時(shí)還有效地降低了機(jī)械制造所需各類(lèi)能源的消耗，提升了能源的利用率，確保機(jī)械制造施工整體的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 數(shù)控高速切削加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

2.1 機(jī)械制造中數(shù)控高速切削加工技術(shù)的刀具、刀柄加工

考慮到數(shù)控高速切削加工技術(shù)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，加工過(guò)程復(fù)雜且多樣，因此該技術(shù)對(duì)刀具的制作提出了更高的要求，在加工與制造期間，需要高度關(guān)注刀具和刀柄二者裝夾重復(fù)定位精度與幾何精度。在制造時(shí)，在振動(dòng)與離心力的共同作用下，會(huì)對(duì)數(shù)控高速切削加工系統(tǒng)產(chǎn)生極大的影響，目的是提升成品加工的高速度平衡與剛度要求，最終確保刀具與刀柄能在安全的狀態(tài)下進(jìn)行加工，同時(shí)還保證了加工產(chǎn)品的質(zhì)量。在應(yīng)用數(shù)控高速切削加工技術(shù)時(shí)，刀柄材料的性能高低也會(huì)對(duì)加工的效率產(chǎn)生直接影響，所以應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)牡侗?。例如：HSK高速刀柄適用于高速加工中，原因是這類(lèi)刀柄的主要特性為熱脹冷縮，并且結(jié)構(gòu)緊固，非常適合應(yīng)用在高速切削中。另外，數(shù)控高速切削加工技術(shù)加工過(guò)程中刀具不可避免地會(huì)遭受振動(dòng)、摩擦、高溫、沖擊、高壓等外界因素的影響，因此對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)學(xué)與工藝性[3]。

2.2 數(shù)控高速切削加工技術(shù)在銑削加工機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控高速切削加工技術(shù)通常是跟其他技術(shù)進(jìn)行搭配運(yùn)用，常見(jiàn)的技術(shù)有微電子技術(shù)、CNC技術(shù)、新材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)等等，在上述各類(lèi)技術(shù)中，比較普遍的是銑削加工機(jī)床，但是這類(lèi)技術(shù)對(duì)機(jī)床系統(tǒng)部件的要求較高，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：第一，對(duì)主軸與刀柄的剛性要求較高。因此在加工過(guò)程中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速通常設(shè)置在10 000~50 000 r/min的范圍內(nèi)，通過(guò)運(yùn)用主軸，有效地壓縮冷卻系統(tǒng)與空氣，以確保主軸同刀柄的軸向間距范圍達(dá)到0~0.007 62 mm。第二，要求機(jī)床具備較高的剛性。在開(kāi)展銑削工藝加工時(shí)，為了充分展現(xiàn)數(shù)控高速切削加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還需要有效地控制高速供給驅(qū)動(dòng)器的速度。其中，高速供給驅(qū)動(dòng)器的3D輪廓加工的速度應(yīng)當(dāng)控制在10 m/min，快進(jìn)的速度控制在45 m/min。第三，確保加工工藝安全可靠性高。為了更加地實(shí)現(xiàn)刀具壽命與切削條件二者的有機(jī)融合，提升機(jī)床的利用效率，確保在無(wú)人操作的情況下，數(shù)控高速切削加工技術(shù)的安全可靠性不會(huì)受到影響，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)便離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)的工藝模型。

2.3 數(shù)控高速切削加工技術(shù)中數(shù)控編程

數(shù)控高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用目的不單單是為了提升常規(guī)加工進(jìn)給和轉(zhuǎn)速，同時(shí)還常常被應(yīng)用在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊的工件中。以數(shù)控編程為例，不但需保證刀具的精準(zhǔn)度與安全性達(dá)標(biāo)，更重要的是還應(yīng)該保證加工工件的表面的質(zhì)量與精度達(dá)標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)便需要優(yōu)化編程技術(shù)。在數(shù)控高速切削加工期間，切了確保加工的安全性與質(zhì)量水準(zhǔn)，不僅要確保機(jī)床與刀具均不過(guò)載，同時(shí)還需要注意避免工件和刀具同夾具之間的相互干澀與碰撞，因?yàn)闄C(jī)床同刀具一旦發(fā)生過(guò)載的現(xiàn)象時(shí)，便可能增加制造的成本支出，同時(shí)還在一定程度上降低了產(chǎn)品的精確度與質(zhì)量，為此需要重點(diǎn)針對(duì)上述因素對(duì)數(shù)控編程進(jìn)行優(yōu)化。除此之外，在編程過(guò)程中還需要確保切削載荷處理恒定狀態(tài)，為了進(jìn)一步提高工件的加工質(zhì)量，需要對(duì)所需切削加工金屬的切削層厚度進(jìn)行密切觀(guān)察和控制，確保適中恒定，相比于仿形加工，分層加工的手段有助于提升材料去除量的有效恒定效果，另外，采取刀具切入工件手段需刀具應(yīng)平滑；其次，還需要保證刀具的軌跡能夠平滑的過(guò)渡，不可發(fā)生直接過(guò)濾的現(xiàn)象。切削加工技術(shù)水平高低，在很大程度上時(shí)根據(jù)加工工件的精度來(lái)衡量的，在將該技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械制造過(guò)程中時(shí)同時(shí)還需要考慮被加工工件的質(zhì)量和精確度，盡可能保證刀具切入的次數(shù)最低，建議選擇螺旋軌跡的走刀方式。最后，還需要對(duì)切削的進(jìn)給量進(jìn)行合理控制，從而避免切削振動(dòng)的現(xiàn)象，假如進(jìn)給量減少，會(huì)影響切削的穩(wěn)定性，引發(fā)切削振動(dòng)。因此，在加工過(guò)程中必須始終處于平衡狀態(tài)，從而確保加工工件表面的質(zhì)量[4]。

2.4 削液在數(shù)控高速切削加工技術(shù)中的應(yīng)用

在數(shù)控高速切削加工技術(shù)過(guò)程中，冷卻液發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，冷卻液不但可以有效地降低加工產(chǎn)生的溫度，同時(shí)還能潤(rùn)滑刀具，從而延長(zhǎng)數(shù)控高速切削加工技術(shù)中切削刀具的使用年限。在數(shù)控高速切削加工技術(shù)中選用冷卻液時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：第一，不可應(yīng)用有毒的冷卻液，因?yàn)檫@種冷卻液會(huì)在一定程度上損害相關(guān)操作人員的身體健康；第二，不可應(yīng)用易燃冷卻液，由于在機(jī)械制造過(guò)程中涉及諸多電器設(shè)施，如果電線(xiàn)使用年限過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)老化，一旦在超負(fù)荷狀態(tài)下工作便可能引起燃燒事故，并且在數(shù)控高速切削加工技術(shù)過(guò)程中溫度較高，這類(lèi)冷卻液發(fā)生燃燒的風(fēng)險(xiǎn)較高，引起安全事故；第三，不可選用具備腐蝕特性的冷卻液，主要是若冷卻液擁有腐蝕性，會(huì)引起橡膠的部件出現(xiàn)膨脹或者硬化的情況，還可能引起機(jī)器表面的涂層發(fā)生脫落，致使機(jī)器發(fā)生故障；第四，不可選用導(dǎo)電的冷卻液，這類(lèi)冷卻液會(huì)導(dǎo)致機(jī)械的感應(yīng)部件失靈，系統(tǒng)發(fā)生故障；第五，不可選用變質(zhì)的冷卻液，如果使用了變質(zhì)的冷卻液，便會(huì)削弱其本身的冷卻性能和潤(rùn)滑作用，從而降低了機(jī)械加工制造產(chǎn)品的精準(zhǔn)度，影響了加工產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。

3 小結(jié)

綜上所述，機(jī)械制造作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一環(huán)，也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平進(jìn)高低的重要指標(biāo)，伴隨著數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。而將數(shù)控高速切削加工技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械加工制造中，不但可以極大地提升加工的水平，減少加工的成本，還能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，擁有廣闊的發(fā)展前景。