劉 虹，周玉蓉

LIU Hong，ZHOU Yu-rong

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 401120）

0 引言

高速切削技術(shù)是指采用超硬材料的刀具，在保證加工質(zhì)量和加工精度的前提下，用自動化高速切削設備，高效、高速切除材料的加工技術(shù)。高速切削加工相對于小進給、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的傳統(tǒng)切削加工，具有高進給、高轉(zhuǎn)速、小切削負荷的特點。隨著高速、超高速切削機理、大功率高速主軸單元、高加/減速直線進給電動機、高速主軸軸承、超硬耐磨長壽命刀具材料和高性能的控制系統(tǒng)等一系列技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)初步得到解決，已使得高速、超高速加工從理論研究進入到具體實施的階段。

1 高速切削技術(shù)的特點

1.1 生產(chǎn)效率顯著提高

由于主軸轉(zhuǎn)速和進給的高速化，使單位時間內(nèi)工件材料的切出率提高3～5 倍，加工時間減少了50%，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。特別適合汽車、飛機、模具等的制造。

1.2 加工變形減小

由于切削力可減少30%以上，工件的加工變形減小，切削熱還來不及傳給工件，因而工件基本保持冷態(tài)，熱變形小，有利于加工精度的提高。特別適合于加工細長易熱變的工件。

1.3 改善表面粗糙度

在保證生產(chǎn)效率的同時，可采用較小的進給量，從而減小了加工表面的粗糙度值。又由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度值。高速切削加工獲得的表面質(zhì)量可達磨削水平，因此可省去銑削后的精加工工序。

1.4 提高精度，減少工夾具成本

高速切削可加工淬硬零件（可達HRC60），在一次裝夾過程中可完成粗、半精及精加工工序，對復雜型面可直接加工達到零件的表面質(zhì)量要求，這樣，就可省略常規(guī)加工的電加工、手工修磨等工序，縮短了工藝路線，加工能耗低，節(jié)省制造資源。

2 高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

高速切削是一項復雜的系統(tǒng)工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的發(fā)展涉及到機床、刀具、工藝和材料等諸多領(lǐng)域的技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新。

2.1 高速切削機床

高速機床是實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件，高速切削要求機床具有高主軸轉(zhuǎn)速、高動態(tài)的進給驅(qū)動，大的功率，主軸和床身良好的剛性，優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能，快速可靠的CNC控制性能，可靠的安全防護等。

2.1.1 高速主軸

高速主軸是高速切削機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設計方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、動平衡、噪聲等多項相關(guān)技術(shù)。目前高速切削機床的主軸主要是電主軸，其主要特征是采用內(nèi)裝變頻電動機的主軸部件，把電機轉(zhuǎn)子與主軸連成一體，無需任何機械連接，改變供電頻率，就可改變主軸轉(zhuǎn)速，改變輸入電流的相序，可改變主軸的旋向。電主軸采用了電子傳感器來控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時保持恒溫。同時使用精密陶瓷軸承、油氣潤滑、內(nèi)部循環(huán)冷卻的密封結(jié)構(gòu)。

2.1.2 高速進給系統(tǒng)

為了實現(xiàn)高速切削加工，機床不但要有高速主軸，還要有高速的進給系統(tǒng)，這不僅是為了提高生產(chǎn)效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件。高速進給系統(tǒng)除要求進給速度要高，還必須有很大的進給加/減速度，這是由于大多數(shù)高速機床加工零件的工作行程范圍只有幾十到幾百mm，在這樣短的行程中要提供極大的加/減速度來保證在瞬間達到高速和在高速行程中瞬間準停，以實現(xiàn)平穩(wěn)切削。

進給速度及進給加/減速度的提高，一種方法是采用中空甚至帶有冷卻的大導程滾珠絲杠副，從而使進給速度達到40~90m/min，進給加/減速度達到1-2g左右；另一種是采用直線電機技術(shù)來替代目前機床中常用的滾珠絲杠技術(shù)，將直線電動機所產(chǎn)生的力直接作用于移動部件，使機床的進給傳動鏈的長度縮為零，以減少傳動系統(tǒng)的慣性矩，提高系統(tǒng)的運動速度、加速度和精度，避免振動的產(chǎn)生，使進給速度達到150~200m /min，加速度達到2～10g。

2.1.3 高性能的CNC控制系統(tǒng)

為了在高速加工復雜零件時獲得高精度，對CNC系統(tǒng)的要求主要是處理速度快、控制精度高。一是采用前饋控制，適當控制進給率和采用恰當?shù)募訙p速曲線以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度；二是采用加/減預插補，使機床具有很高的運算速度及數(shù)據(jù)存貯與傳輸?shù)哪芰?。三是采用開放的人機界面、開放的數(shù)控內(nèi)核和控制邏輯，用戶和機床生產(chǎn)廠可以二次開發(fā)自己的人機界面，設計高可靠性、高效的控制邏輯及補償控制軟件；四是采用多軸聯(lián)動控制和足夠高的分辨率的CNC控制系統(tǒng)。

2.1.4 高穩(wěn)定性的機床支撐部件

高速切削加工機床在高速切削狀態(tài)下，一方面，產(chǎn)生的切削力作用在床體上；另一方面，因速度很高，還會產(chǎn)生較大的附加慣性力作用在床體上。因而機床床尤其對動態(tài)特性有很高的要求。一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計算，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。如瑞士米克朗公司開發(fā)的5軸聯(lián)動HSMU系列高速加工機床，采用了新型的人造大理石材料做床身，形成整體的封閉O形結(jié)構(gòu)，使機床具有良好的吸振性和剛性。

2.1.5 高效的機床安全防護技術(shù)

高速切削機床普遍采用高強度透明材料制成的觀察窗、全封閉式安全門罩等非常完備的安全保障措施，來保證機床操作者及機床現(xiàn)場人員的安全，避免機床、刀具等有關(guān)設施受到損傷。同時應用高速加工檢測技術(shù)，對高速機床與系統(tǒng)狀態(tài)進行實時主動的在線監(jiān)測和控制，以識別可能引起重大事故的工況、避免機床、刀具及有關(guān)設施的損傷。

2.2 高速切削刀具

刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削的重要保證。高速切削刀具是實現(xiàn)高速加工技術(shù)的關(guān)鍵，正確選擇刀具材料和設計刀具系統(tǒng)對于提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用。

2.2.1 高速切削刀具材料

由于高速切削的切削速度快，而高速加工線速度主要受刀具限制，在目前機床所能達到的高速范圍內(nèi)，速度越高，刀具的磨損越快。因此，高速切削對刀具材料提出了更高的要求，除了具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還應突出要求高速切削刀具具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學性能及高的可靠性。目前常用的高速切削的刀具材料主要有：陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、涂層刀具、立方氯化硼（CBN）刀具及聚晶金剛石（PCD）刀具、性能優(yōu)異的高速鋼和硬質(zhì)合金復雜刀具等。

2.2.2 高速切削刀具系統(tǒng)

由于高速切削時，主軸、刀具、刀柄在高速旋轉(zhuǎn)情況下，較小的偏心會產(chǎn)生較大的離心力，因此，高速加工刀具與機床的連接一般采用錐面和主軸端面同時接觸的HSK空心刀柄，以確保高速旋轉(zhuǎn)刀具的安全性和軸向加工精度。高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的不平衡會造成主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比。因此，高速切削的刀具在使用前必須經(jīng)過精密動平衡測試，以免工作時發(fā)生振動。

2.3 高速切削工藝

高速切削工藝是進行高速切削加工的關(guān)鍵，常規(guī)切削的高效率來自低轉(zhuǎn)速、緩進給、大切深、單行程；而高速切削則是高轉(zhuǎn)速、快進給、中切深、多行程的加工工藝。因此，高速切削工藝和常規(guī)切削工藝相比較有很大不同。

2.3.1 高速切削加工的走刀方式

對于帶有敞口型腔的區(qū)域，應盡量從材料的外面走刀，以實時分析材料的切削狀況。對于沒有型腔的封閉區(qū)域，宜采用螺旋進刀方式，在局部區(qū)域進行切入。高速切削加工中，由于機床加速的局限性，容易造成時間的浪費，急?；蚣眲觿t會破壞表面精度，且有可能因為過切而產(chǎn)生拉刀或在外拐角處咬邊。所以應盡量減少刀具的急速換向，選擇單一路徑切削模式進行順銑，不中斷切削過程和刀具路徑，盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以獲得相對穩(wěn)定的切削過程。

2.3.2 專門的CAD/CAM編程策略

CAD/CAM編程原則是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進結(jié)速率變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：一是盡可能減少程序塊，以提高程序處理的速度；二是在程序段中加人一些圓弧過渡段，以盡可能減少速度的急劇變化；三是粗加工不是進行簡單的去除材料，而是注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，以盡可能減少銑削負荷的變化；四是宜多采用分層順銑方式；并且切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進行切向進刀，以保證恒定的切削條件；五是應充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗證的功能。

3 高速切削技術(shù)應用

3.1 在航空工業(yè)的中的應用

飛機制造業(yè)是最早采用高速銑削的行業(yè)。飛機上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來由多個鉚接或焊接而成的部件，改用整體實心材料制造，即在整體上“掏空”加工以形成多筋薄壁構(gòu)件，其金屬切除量相當大。采用高速切削加工技術(shù)，加工時間可縮短到原來的幾分之一。

3.2 在模具加工中的應用

模具型腔加工過去一直為電加工所壟斷，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可銑淬硬60HRC的模具鋼，加工表面粗糙度值又很小，淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速銑削來代替電加工；對深腔小曲率的，可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工，電加工只作為精加工。這樣可使生產(chǎn)效率大大提高，周期縮短。

3.3 在汽車工業(yè)加工中的應用

汽車發(fā)動機的箱體、氣缸蓋多用組合機床加工。國外汽車工業(yè)及上海大眾、上海通用公司，凡技術(shù)變化較快的汽車零件，如：氣缸蓋的氣門數(shù)目及參數(shù)經(jīng)常變化，現(xiàn)一律用高速加工中心來加工。

3.4 Ni基高溫合金

Ni基高溫合金和Ti合金常用來制造發(fā)動機零件，因它們很難加工，一般采用很低的切削速度。如采用高速加工，則可大幅度提高生產(chǎn)效率、減小刀具磨損、提高零件的表面質(zhì)量。

3.5 擴展應用領(lǐng)域

硬切削，常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，而高速切削可以加工淬硬工件，使復雜曲面零件可以通過高速銑削一次裝夾完成從粗加工到精加工的等全部工序，甚至能省略電加工和手工拋光工序，大大縮短制造周期。干式切削也是高速切削擴展的領(lǐng)域，高速干切削就是在切削加工過程中不使用任何切削液的工藝方法，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清潔制造工藝，它消除了切削液的使用對外部系統(tǒng)造成的負面影響。此外，高速切削加工也可用于快速成形、光學精密零件和儀器儀表的加工。

4 結(jié)束語

高速切削技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大地促進加工的效率提高和產(chǎn)品品質(zhì)的改善。高速加工是一個系統(tǒng)工程，他要求從軟件、硬件及設備方面的全方位的改革，但由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢，將是今后數(shù)控加工技術(shù)必然的發(fā)展方向。

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