高速切削加工技术的发展与应用研究

高速切削加工技术的发展与应用研究 摘要：本文系统介绍了数控高速切削加工的基础理论及发展过程,分析了高速加工的优点

和应用领域，总结了发展数控高速切削加工需要的关键技术和研究方向。 关键词：高速切削 关键技术 应用研究 正文：数控高速切削技术(High Speed Machining,HSM，或High Speed Cutting,HSC)，是提高加工效率和加工质量的先进制造技术之一，相关技术的研究已成为国内外先进制造技术领域重要的研究方向。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步落后。研究先进技术的理论和应用迫在眉睫。

1.高速切削加工的定义。 高速切削加工是一种比常规切削速度高得多的先进

制造工艺 。它的巨大吸引力在于不但可以大幅度提高零件的加工效率、降低加工成本。而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。高速加工已在航空 、航天、汽车以及超精密微细加工等领域获得了广泛的应用。资料表明，一般模具和工具。有6O％的机加工量可用高速切削加工工艺来完成的。高速切削概念起源于德国切削物理学家Carl Salmon的著名切削试验及其物理引伸。他认为一定的工件材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。在常规切削范围内。切削温度随着切削速度的增大而提高，但当切削速度提高到一定的程度时。切削温度不但不升高反而会降低 。对每一种工件材料都存在一个速度范围。在该速度范围内。由于切削温度过高，刀具材料无法承受 。即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。因此 。只有越过“死谷”才可用现有的刀具进行高速切削。所以高速切削是一个相对概念 。通常把采用比常规切削速度高得多 (一般 为5一l0倍 )的切削加工称为高速切削。如当切削速度对钢材达到380m／min以上 、铸铁700 m／rain以上、铜

材 1000m／min以上 、铝材 1100m／min以上时称为高速切削加工。 2、数控

高速切削加工的优越性 由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技术

不仅提高了切削加工的生产率，和常规切削相比还具有一些明显的优越性：第一、切削力小：在高速铣削加工中,采用小切削量、高切削速度的切削形式,使切削力比常规切削降低30％以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少。既减轻刀具磨损，又有效控制了加工系统的振动，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高:采用高速切削，切削速度和进给速度都大幅度提高，相同时间内的材料切除率也相应大大提高。从而大大提高了加工效率。第三、工件热变形小:在高速切削时，大部分的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，因此加工表面的受热时间短，不会由于温升导致热变形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力学性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高:高速切削通常进给量也比较小，使加工表面的粗糙度大大降低，同时由于切削力小于常规切削，加工系统的振动降低，加工过程更平稳，因此能获得良好的表明质量，可实现高精度、低粗糙度加工。第五、绿色环保：高速切削时，工件的加工时间缩短，能源和设备的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同时由于高速切削可以实现干式切削，减少甚至不用切削液，减少污染

和能耗。 3、数控高速切削技术的应用领域研究 鉴于以上所述高速切削加工的特点，使该技术在传统加工薄弱的领域有着巨大应用潜力。首先，对于薄壁类零件和细长的工件，采用高速切削，切削力显著降低，热量被切屑带走，可以很好的弥补采用传统方法时由于切削力和切削热的影响而造成其变形的问题，大大提高了加工质量。其次，由于切削抗力小，刀具磨损减缓，高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料、耐磨铸铁等用传统方法难以加工的材料，可以研究采用数控高速切削技术来加工。另外，在汽车、模具、航天航空等制造领域, 一些整体构件需要比较大的材料切除率，由于数控高速切削的进给速度可随切削速度的提高而相应提高, 使得单位时间内的材料切除率大大提高，因而在模具制造、汽车制造、航空航天制造中，数控高速切削技术的应用将产生巨大的经济效益。第四，由于高速切削时，加工过程平稳、振动小，与常规切削相比, 高速切削可显著提高加工精度1～2级,完全可以取消后续的光整加工, 同时，采用数控高速切削技术, 能够在一台机床上实现对复杂整体结构件同时进行粗、精加工,减少了转工序中可能的定位误差, 因而也有利于提高工件的加工精度。因此, 高速切削技术在精密制造中有着广阔的应用前景。如某企业加工的铝质模具，模具型腔长达1500mm，要求尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm，原先的制造工艺为：粗刨—半精刨—精刨—手工铲刮—手工抛光，制造周期要60小时。采用高速铣床加工后，经过半精加工和精加工，加工周期仅需6小时，不仅效率

提高，而且模具质量也大大提高。 4、实现数控高速切削加工的关键技

术研究 数控高速切削加工是一个复杂的系统工程，涉及到切削机理、切削机床、刀

具、切削过程监控及加工工艺等诸多相关的硬件与软件技术，数控高速切削技术的实施和发展，依赖于此系统中的各个组成要素的，这些实现数控高速切削技术离不开的关键技术，具

体体现在以下方面： 1）高速切削机理：有关各种材料在高速加工条件下，切屑的形成机理，切削力、切削 热的变化规律，刀具磨损规律及对加工表面质量的影响规律，对以上基础理论的实验和研究，将有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择，为具体零件和材料的加工工艺制定提供理论基础，属于原理技术。目前，黑色金属及难加工材料的高速切削工艺规范和切削用量的确定，是高速切削生产中的难点，也是高速切削

加工领域研究的焦点。 2）高速切削机床技术模块：高速切削机床需要高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统。高速加工要求主轴单元能够在很高的转速下工作，一般主轴转速10000 r/min以上，有的甚至高达60000－100000r/min，且保证良好动态和热态性能。其中关键部件是主轴轴承，它决定着高速主轴的寿命和负载容量，也是高速切削机床的核心部件之一，主轴结构的改进和性能的提高是高速机床的一项重要单元技术。另一项重要的单元技术是高速进给系统。随着机床主轴转速的提高，为保证刀具每齿或每转进给量不变，机床的进给速度和进给加速度也相应提高，同时空行程速度也要提高。因此，机床进给系统必须快速移动和快速准确定位，这显然对机床导轨、伺服系统、工作台结构等提出了新的更高要求，是制约高速机床技术的关键单元技术。 2.高速切削加工机床的选用。 机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、和刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床和立柱材料用聚合物混凝土你，这种材料阻尼特性为铸铁的7~10倍，比重只有铸铁的1/3.提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。高速主轴是实现高速切削加工最关键的 技术之一。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和 大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对主轴提出如下性能要求： 1.高转速和高转速范围；2.足够的刚性和较高的回转精度；3.良好的热稳定性；4.大功率；5.可靠的工具装卡性能；6.先进的润滑和冷却系统；7.可靠的主轴监测系统。除此之外机床还应具有高速进给结构；高速切削时，为了保持刀具每齿进给基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。要实现并准确控制这样的进给速度，对机床导轨。滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。当然高速CNC控制系统也是高速切削加工所必须的；CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保持在高速切削时仍具有良好的加工性能。在高速切削加工时安全的问题也是至关重要的。高速切削的速度相当的高，当主轴转速达40000r/min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。因此，对高速切削引起的安全问题必须注意。

3）高速切削刀具技术模块：由机床、刀具和工件组成的高速切削加工工艺系

统中，刀具是最活跃的因素。切削刀具是保证高速切削加工顺利进行的最关键技术之一。随着切削速度的大幅度提高，对切削刀具材料、刀具几何参数、刀体结构等都提出了不同于传统速度切削时的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化，高速切削加工时，要保证高的生产率和加工精度，更要保证安全可靠。因此，高速切削加工的刀具系统必须满足具有良好的几何精度和高的装夹重复定位精度，装夹刚度，高速运转时良好的平衡状态和安全可靠。尽可能减轻刀体质量，以减轻高速旋转时所受到的离心力，满足高速切削的安全性要求，改进刀具的夹紧方式。刀具系统的技术研究和发展是数控高速切削加工的关键任务之一。 3.高速切削刀具材料的选用。 高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的力学性能、热稳定性、抗冲击和耐磨损。目前国内外适用于高速切削的刀具材料主要有：陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和涂层刀具等。1.陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，它的硬度高、耐磨性好，刀具寿命可比硬质合金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1200％ 以上的高温下仍能进行切削，这时陶瓷的硬度与200～600％时硬质合金的硬度相当。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高3—10倍的切削速度进行加工。它与钢铁金属的亲和力小，摩擦系数低，抗粘结和抗扩散能力强，加工表面质量好。另外，它的化学稳定性好，陶瓷刀具的切削刃即使处于赤热状态也能长时问连续使用。2.金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，诸如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来，随着数控机床的普遍应用和数控加工技术 的迅速发展，可实现高效率高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及，金刚石刀具已成为现代数控加工中不可缺少的重要工具。3. CBN在硬度和热导率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不发生氧化。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可以广泛用于钢铁制品的加工。由于CBN具有超硬特性、高热稳定性、高化学稳定性而引起广泛关注。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢(45～65HRC)、轴承钢(60—62HRC)、高速钢(>62HRC)、工具钢(57—60HRC)和冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的切削加工，大幅度提高加工效率。被加工材料的硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优越性。4.涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。涂层刀具是在具有高强度和韧性 的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。涂层材料及基体材料之间要求粘结牢固，不易脱落。涂层刀具可以提高加工效率，提高加工精度，延长刀具使用寿命，降低加工成本。