高速切削加工技術(shù)

高速切削加工技術(shù)是21世紀(jì)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，有著強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。通過高速切削加工技術(shù),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。在美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家高速切削加工技術(shù)在大部分的模具公司都得到了廣泛應(yīng)用，85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技術(shù)集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身，已成為國際模具制造工藝中的主流。

通過國內(nèi)外汽車模具制造行業(yè)的高速切削加工技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用，高速切削加工技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

一、高速切削加工提高了加工速度

高速切削加工以高于常規(guī)切削10倍左右的切削速度對汽車模具進(jìn)行高速切削加工。由于高速機(jī)床主軸激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“機(jī)床—刀具—工件”系統(tǒng)的固有頻率范圍，汽車模具加工過程平穩(wěn)且無沖擊。

二、高速切削加工生產(chǎn)效率高

用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(jī)械加工，即所謂“一次過”技術(shù)(One Pass Machining)。高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用大大提高了汽車模具的開發(fā)速度。

三、高速切削加工可獲得高質(zhì)量的加工表面

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(zhì)量，甚至可以省去鉗工修光的工序。

四、簡化加工工序

常規(guī)銑削加工只能在淬火之前進(jìn)行，淬火造成的變形必須要經(jīng)手工修整或采用電加工最終成形。則可以通過高速切削加工來完成，而且不會(huì)出現(xiàn)電加工所導(dǎo)致的表面硬化。另外，由于切削量減少，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細(xì)節(jié)進(jìn)行加工，節(jié)省了部分機(jī)械加工或手工修整工序，從而縮短了生產(chǎn)周期。

五、高速切削加工使汽車模具修復(fù)過程變得更加方便

汽車模具在使用過程中往往需要多次修復(fù)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，而且可使用原NC程序，無需重新編程，且能做到精確無誤。

六、高速切削加工可加工形狀復(fù)雜的硬質(zhì)汽車模具

由高速切削機(jī)理可知：高速切削時(shí)，切削力大為減少，切削過程變得比較輕松，高速切削加工在切削高強(qiáng)度和高硬度材料方面具有較大優(yōu)勢，可以加工具有復(fù)雜型面、硬度比較高的汽車模具。

超高速切削技術(shù)是切削加工的發(fā)展方向，也是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。然而，高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機(jī)理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等。高速切削所用的CNC機(jī)床、刀具和CAD/CAM軟件等，技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴，使得高速切削投資很大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。高速切削的高效應(yīng)用要求機(jī)床系統(tǒng)中的部件都必須先進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性

要求提供高速進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)器(快進(jìn)速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。

(2)主軸和刀柄的剛性

要求滿足10000r/min到50000r/min的轉(zhuǎn)速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統(tǒng)控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.0002英寸。

(3)控制單元

要求32或64位并行處理器，具有高的數(shù)據(jù)傳輸率，能夠自動(dòng)加減速。

(4)可靠性與加工工藝

能夠提高機(jī)床的利用率（6000h/y）和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關(guān)系的理解。

常見國內(nèi)外高速加工中心的代表如表1所示。與傳統(tǒng)普通數(shù)控機(jī)床相比，其機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工速度和性能表現(xiàn)更加優(yōu)秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機(jī)和電主軸，其主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到120m/min，加速度超過1g（重力加速度）。高速機(jī)床要求高性能的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)以及優(yōu)良的靜動(dòng)力特性等，具有技術(shù)含量高、機(jī)床制造難度大等特點(diǎn)。國內(nèi)的高速機(jī)床，其性能與國外相比還存在一定的差距 。

隨著切削速度的提高，單位時(shí)間毛坯材料的去除率增加，切削時(shí)間減少，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。同時(shí)，高速切削加工的小量快進(jìn)使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。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(yuǎn)離機(jī)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。

在模具的高淬硬鋼件（hrc45～65）的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的制造和費(fèi)時(shí)的電加工時(shí)間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。而且在高速銑削cnc加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優(yōu)點(diǎn)在資金回轉(zhuǎn)要求快、交貨時(shí)間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的模具等行業(yè)是非常適宜的。

高速切削加工系統(tǒng)主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、安全可靠的高速切削cam軟件系統(tǒng)等構(gòu)成，因此，高速加工實(shí)質(zhì)上是一項(xiàng)大的系統(tǒng)工程。隨著切削刀具技術(shù)的進(jìn)步，高速加工已可以應(yīng)用于加工合金鋼（hrc>30），廣泛地應(yīng)用于汽車和電子元件產(chǎn)品中的沖壓模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時(shí)為常規(guī)采用的順銑速度。

隨著高速切削加工的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，對新型刀具材料的研究、刀具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、數(shù)控刀具路徑新策略的產(chǎn)生和切削條件的改善等也有所提高。而且，切削過程的計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)也出現(xiàn)了，這項(xiàng)技術(shù)對預(yù)測刀具溫度、應(yīng)力、延長刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模、熱壓模和注塑模加工的應(yīng)用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。工業(yè)領(lǐng)先的國家在沖模和鑄模制造方面，研制時(shí)間大部分耗費(fèi)在機(jī)械加工和拋光加工工序上。沖?；蜩T模的機(jī)械加工和拋光加工約占整個(gè)加工費(fèi)用的2/3，而高速銑可正好用來縮短研制周期，降低加工費(fèi)用 。

高速切削之所以得到工業(yè)界越來越廣泛地應(yīng)用，是因?yàn)樗鄬鹘y(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下特點(diǎn)：

（一）生產(chǎn)效率有效提高。

高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。

（二）至少降低30%的切削力。

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30%，這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。

（三）加工質(zhì)量得到提高。

因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。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(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

從動(dòng)力學(xué)角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由于切削力產(chǎn)生的振動(dòng)（即強(qiáng)迫振動(dòng)）的振幅；轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的固有頻率，避免共振的發(fā)生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。

（四）降低加工能耗，節(jié)省制造資源。

由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時(shí)間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

（五）簡化了加工工藝流程。

常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過放電加工解決。高速切削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 。

高速銑削加工對數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高，價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程，一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動(dòng)過切檢查及處理能力、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后，要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。

(1)CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算編程速度

高速加工中采用非常小的切給量與切深，故高速加工的NC程序比對傳統(tǒng)數(shù)控加工程序要大得多，因而要求計(jì)算速度要快，要方便節(jié)約刀具軌跡編輯，優(yōu)化編程的時(shí)間。

(2)全程自動(dòng)防過切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查能力

高速加工以傳統(tǒng)加工近10倍的切削速度進(jìn)行加工，一旦發(fā)生過切對機(jī)床、產(chǎn)品和刀具將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，所以要求其CAM系統(tǒng)必須具有全程自動(dòng)防過切處理的能力。高速加工的重要特征之一就是能夠使用較小直徑的刀具，加工模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示最短夾持刀具長度，并自動(dòng)進(jìn)行刀具干涉檢查。

(3)豐富的高速切削刀具軌跡策略

高速加工對加工工藝走刀方式比傳統(tǒng)方式機(jī)能有著特殊要求，因而要求CAM系統(tǒng)能夠滿足這些特定的工藝要求。為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時(shí)加工的安全性，CAM系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)加工瞬時(shí)余量的大小，自動(dòng)對進(jìn)給率進(jìn)行優(yōu)化處理，以確保高速加工刀具受力狀態(tài)的平穩(wěn)性，提高刀具的使用壽命。CAM軟件在生成刀具軌跡方面應(yīng)具備以下功能：

1.應(yīng)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或設(shè)備的損壞；

2.應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速；

3.下刀或行間過度部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端點(diǎn)采用圓弧連接，避免直線連接；

4.殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，還應(yīng)避免全力寬切削；

5.刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作，避免重復(fù)計(jì)算；

6.刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用于零件局部變化時(shí)的編程，此時(shí)只需修改變化的部分，無須對整個(gè)模型重編；

7.可提供優(yōu)秀的可視化仿真加工模擬與過切檢查，如Vericut軟件就可很好地檢測干涉。

高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化。那么，它是不是放之四海而皆準(zhǔn)呢"para" label-module="para">

如此看來，主軸轉(zhuǎn)速為10～42000r/min這樣的高速切削在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍受到一些限制：??

(1)主軸轉(zhuǎn)速10～42000r/min時(shí)，刀具必須采用?HSK?的刀柄，外加動(dòng)平衡，刀具的長度不能超過120mm，直徑不能超過16mm，且必須采用進(jìn)口刀具。這樣，在進(jìn)行深的型腔加工時(shí)便受到限制。??

(2)機(jī)床裝備轉(zhuǎn)速為10～42000r/min的電主軸時(shí)，其扭矩極小，通常只有十幾個(gè)N·m，最高轉(zhuǎn)速時(shí)只有5～6N·m。這樣的高速切削，一般可用來進(jìn)行石墨、鋁合金、淬火材料的精加工等。??

(3)MIKRON公司針對這些情況開發(fā)了一些主軸最高轉(zhuǎn)速為12000r/min、15000r/min、18000r/min和24000r/min的機(jī)床，盡力提高進(jìn)給量(40000～60000mm/min)，以保證機(jī)床既能進(jìn)行粗加工，又能進(jìn)行精加工，既省時(shí)效率又高。??

(4)針對傳統(tǒng)的加工方式和不同的被切削材料，應(yīng)選擇合適的刀具材料來實(shí)現(xiàn)高速加工，而不能一味地追求高速，為高速而高速。如在美國的航天工業(yè)中，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)7500m/min的線速度來切削鋁合金；但是切削鋼和鑄鐵時(shí)，世界上實(shí)際進(jìn)行的高速加工所能實(shí)現(xiàn)的最高速度，也只能達(dá)到加工鋁合金的?1/3～1/5，約為1000～1200m/min，?其原因是切削熱會(huì)使刀尖產(chǎn)生熱破損。由此可見，刀具材料的耐熱性是加工黑色金屬的關(guān)鍵。對超級合金，包括鎳基、鈷基、鐵基和鈦基合金而言，其共同特點(diǎn)是在高溫下能保持高強(qiáng)度和高的耐腐蝕性，但它們又都是難加工材料。加工這種材料時(shí)的最高進(jìn)給速度為500m/min，主要受制于刀具材料及其幾何形狀。??

所以說，高速加工的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言，陶瓷(AlO，SiN)、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于對鋼、鐵等黑色金屬的高速加工；PCD?和CVD等刀具則適用于對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工 。2100433B

內(nèi)容簡介

本書首先回顧切削加工的歷史發(fā)展、研究內(nèi)容及應(yīng)用現(xiàn)狀，主要闡述先進(jìn)制造技術(shù)中的先進(jìn)切削加工技術(shù)，介紹切削加工的最新研究成果，包括(超)高速切削、硬切削、干切削、精密和超精密切削加工技術(shù)：從機(jī)床、刀具和加工工藝參數(shù)的制訂等方面介紹這些先進(jìn)切削加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論。為了推廣應(yīng)用先進(jìn)切削加工技術(shù)，本書給出很多具體實(shí)例，以供參考。虛擬切削加工技術(shù)在產(chǎn)品研制開發(fā)中起越來越重要的作用，本書最后另辟一章，介紹虛擬切削理論、技術(shù)及應(yīng)用。 本書可作為高等院校機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)本科生和研究生的教材，又可作為相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員的參考書。

為了實(shí)現(xiàn)切削加工,刀具相對于工件要有一定的切削深度，并沿工件待加工表面作相對運(yùn)動(dòng)。這種相對運(yùn)動(dòng)有時(shí)是直線的，有時(shí)是旋轉(zhuǎn)的，通常由機(jī)床實(shí)現(xiàn)。上述刀具及工件的運(yùn)動(dòng)速度以及刀具切人工件內(nèi)部的深度被統(tǒng)稱為切削用量?！扒邢骷庸ぁ边@一概念在有些場合被廣義解釋,這時(shí)它不僅包括上述內(nèi)容，而且還包括磨削加工。本章對切削加工不作廣義解釋。按照刀具與工件的運(yùn)動(dòng)方式以及刀具的形狀可將切削加工劃分為:車削、銑削、刨削、鉆削、鏜削、拉削、鉸削、攻絲、插齒、滾齒等。