淺析高速切削(HSC)技術(shù)

   一、高速切削的原始定義 

    1931年，德國切削物理學(xué)家薩洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一個假設(shè)，即同年申請了德國專利(Machine with high cutting speeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個臨界切削速度V0，在切削速度達(dá)到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5～6倍時，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小。 切削塑性材料時，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但進(jìn)給速度低，切削力大。實(shí)踐證明隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀演化，所需單位切削力在初期呈上升趨勢，而后急劇下降，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機(jī)理也不同。

    二、現(xiàn)代高速切削技術(shù)的概念 

    所羅門原理出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行高速度切削，從而提高生產(chǎn)率。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學(xué)研究所證實(shí)。但這一原理的成功應(yīng)該不只局限于此。高速切削技術(shù)是切削技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的角度去確切定義高速切削，目前還沒有取得一致，因?yàn)樗�是一個相對概念，不同的加工方式，不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數(shù)。這里包含了高速軟切削、高速硬切削、高速濕切削和高速干切削等等。

    事實(shí)上，高速切削技術(shù)是一個非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涵蓋了機(jī)床材料的研究及選用技術(shù)，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高性能CNC控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統(tǒng)，高精度快速進(jìn)給系統(tǒng)，高性能刀具夾持系統(tǒng)，高性能刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高效高精度測試測量技術(shù)，高速切削機(jī)理，高速切削工藝，適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關(guān)的硬件和軟件技術(shù)。只有在這些技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，建立起來的高速切削技術(shù)才具有真正的意義。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能，必須是CAD/CAM系統(tǒng)、CNC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、機(jī)床、刀具和工藝等技術(shù)的完美組合。

    三、高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點(diǎn) 

    自所羅門原理申請專利以來，高速切削技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)理論探索階段，應(yīng)用探索階段，初步應(yīng)用階段和較成熟應(yīng)用階段。特別是20世紀(jì)70年代后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼投入大量的人力、物力、財(cái)力研究開發(fā)高速切削技術(shù)及相關(guān)技術(shù)，發(fā)展日新月異，德國、美國、瑞典、瑞士、英國和日本等制造強(qiáng)國走在了世界前列。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大推動，高速切削機(jī)床、刀具技術(shù)和相關(guān)技術(shù)迅速進(jìn)步，使高速切削(HSC-High Speed Cutting)技術(shù)以其高效率、高質(zhì)量應(yīng)用于航天、航空、汽車、模具和機(jī)床等行業(yè)中，各種切削方式、各種材料幾乎無所不能，尤其是高速銑削和高速車削發(fā)展神速。該技術(shù)為“輕切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap與ae很小，但切削線速度大，為傳統(tǒng)的3～5倍，進(jìn)給速度大，為傳統(tǒng)的5～10倍。其優(yōu)點(diǎn)在于： 

    加工時間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍。

    刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%~90%。同時，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質(zhì)量。
    
    刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。

    工件表面質(zhì)量好。首先ap與ae小，工件粗糙度好，其次切削線速度高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。

    高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走，可進(jìn)行高速干切削，不用冷卻液，減少了對環(huán)境的污染，能實(shí)現(xiàn)綠色加工。 

    可完成高硬度材料和硬度高達(dá)HRC40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層(TiAlN)的硬質(zhì)合金刀具，在高速、大進(jìn)給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工(EDM)的3~6倍，而且獲得十分高的表面質(zhì)量(Ra0.4)，基本上不用鉗工拋光。 

    四、高速切削系統(tǒng) 

    高速切削系統(tǒng)主要由高速切削CNC機(jī)床、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、高速切削CAM系統(tǒng)軟件等幾部分組成。 

    高速切削CNC機(jī)床 

    (1) 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件 高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，不但保證機(jī)床精度穩(wěn)定，也防止切削時刀具振顫；采用封閉式床身設(shè)計(jì)，整體鑄造床身，對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋，如德國Deckel Maho公司的橋式結(jié)構(gòu)或龍門結(jié)構(gòu)的DMC系列高速立式加工中心，美國Bridgeport公司的VMC系列立式加工中心，日本日立精機(jī)VS系列高速加工中心，使機(jī)床獲得了在靜態(tài)和動態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門在設(shè)計(jì)過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。

    (2) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)，也是高速切削機(jī)床最重要的部件。要求動平衡性很高，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準(zhǔn)確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。高速切削一般要求主軸轉(zhuǎn)速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kW。通常采用主軸電機(jī)一體化的電主軸部件，實(shí)現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，電機(jī)大多采用感應(yīng)式集成主軸電動機(jī)。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機(jī)，該電機(jī)能更高效，大功率地傳遞扭矩，且傳遞扭矩大。易于對使用中產(chǎn)生的溫升進(jìn)行在線控制，且冷卻簡單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以大有取代感應(yīng)式集成主軸電動機(jī)之勢。最高主軸轉(zhuǎn)速受限于主軸軸承性能，提高主軸的dn值是提高主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵。目前一般使用較多的是熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承和液體動、靜壓軸承以及空氣軸承。潤滑多采用油-氣潤滑、噴射潤滑等技術(shù)。最近幾年也有采用性能極佳的磁力軸承的。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。

    (3) 高精度快速進(jìn)給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削量的組合，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的5～10倍。這就要求機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)很高的進(jìn)給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進(jìn)給率不小于60m/min，程序可編輯進(jìn)給率小于40m/min，軸向正逆向加速大于10m/s²(1g)。機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的直線電動機(jī)已經(jīng)問世，并成功應(yīng)用于CNC機(jī)床。先進(jìn)的直線電動機(jī)驅(qū)動使CNC機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動等問題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。不僅能使機(jī)床在f=60m/min以上進(jìn)給速度下進(jìn)行高速加工，而且快速移動速度達(dá)f=120m/min，加速度達(dá)2g，提高了零件的加工精度。但直線電動機(jī)在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問題，有待改進(jìn)。

    (4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機(jī)床的主軸、滾珠絲杠 、導(dǎo)軌等產(chǎn)生大量的熱，如不進(jìn)行有效的冷卻，將會嚴(yán)重影響機(jī)床的精度。大多采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動機(jī)、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動機(jī)、液壓油箱等。Yamazen公司將壓力為6.8MPa的冷卻液通過主軸中心孔，對機(jī)床主軸、刀具和工件進(jìn)行冷卻。日本日立精機(jī)公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液，達(dá)到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導(dǎo)軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出Eeo-Eeo的導(dǎo)軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)，能進(jìn)行自動潤滑及不需專用設(shè)備等特點(diǎn)。日立精機(jī)機(jī)床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤滑脂，具有良好的使用及經(jīng)濟(jì)效果。 

    (5) 高性能CNC控制系統(tǒng) 高速切削加工要求CNC控制系統(tǒng)有快速處理數(shù)據(jù)的能力，來保證高速加工時的插補(bǔ)精度。一般要求程序段傳送速率 1.6～20ms，RS232系列數(shù)據(jù)接口 19.2 Kbit/s(20ms)，Ethernet數(shù)據(jù)傳送 200Kbit/s(1.6ms)。 新一代的高性能CNC控制系統(tǒng)采用32位或64位CPU，程序段處理時間短至1.6ms。 近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為CNC機(jī)床加工中的主要通訊手段和控制工具，相信不久的將來，將形成一套先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，通訊將更快和更方便。大量的加工信息可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時傳輸和交換，包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、圖形文件、工藝資料和加工狀態(tài)等，極大提高了生產(chǎn)率。但目前用得最多的還是利用網(wǎng)絡(luò)改善服務(wù)，給用戶提供技術(shù)支持等等。美國Cincinati Machine公司研制開發(fā)出了網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，用戶只要購買所需的軟件、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和耳機(jī)等，即可上網(wǎng)，無需安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過網(wǎng)上交換多種信息，生產(chǎn)率得到了提高。日立精機(jī)機(jī)床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式CNC系統(tǒng)，能將機(jī)床CNC操作系統(tǒng)軟件和因特網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換。

    (6) 高安全性 機(jī)床安全門罩高速切削機(jī)床普遍采用全封閉式安全門罩，高強(qiáng)度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施，來保證機(jī)床操作者及機(jī)床周圍現(xiàn)場人員的安全，避免機(jī)床、刀具和工件等有關(guān)設(shè)施受到損傷。一些機(jī)床公司還在CNC系統(tǒng)中開發(fā)了機(jī)床智能識別功能，識別并避免可能引起重大事故的工況，保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

    (7) 高精度、高速度的傳感檢測技術(shù) 這包括位置檢測、刀具狀態(tài)檢測、工件狀態(tài)檢測和機(jī)床工況監(jiān)測等技術(shù)。

    高性能的刀具

    夾持系統(tǒng)高速銑床的刀具夾持系統(tǒng)要求其有很高的動平衡性，要求主軸具有30000r/min之上的動平衡能力，且具有絕對的定心性。主軸、刀柄、刀具三者在旋轉(zhuǎn)時應(yīng)具有極高的同心度，這樣才能保證高速、高精度加工。否則轉(zhuǎn)速越高離心力越大，當(dāng)其達(dá)到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)將會使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振，其結(jié)果是加工質(zhì)量下降，刀具壽命縮短，加速主軸軸承磨損，嚴(yán)重時會使刀具與主軸損壞。刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔應(yīng)結(jié)合緊密，現(xiàn)在刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時接觸的雙定位錐柄。如日本的BBT刀柄，德國的HSK空心刀柄。刀具夾持裝置一般用經(jīng)動平衡處理的彈簧卡頭，不過現(xiàn)在已有效果更好的液壓真空裝刀，強(qiáng)力銑卡頭裝刀。

    高速切削刀具

    刀具技術(shù)和機(jī)床制造，從一開始就相輔相成共同發(fā)展，可以毫不夸張的說，只有刀具技術(shù)和機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，才推進(jìn)了高速切削技術(shù)。高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。其采用的刀具材料主要是硬質(zhì)合金，并且普遍采用刀具涂層技術(shù)，涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等等。涂層技術(shù)由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層。這一技術(shù)已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。世界各大硬質(zhì)合金刀具制造商一般都將銷售收入的3～11%投入到研發(fā)中，其中相當(dāng)一部分用于硬質(zhì)合金和涂層材料的基礎(chǔ)研究。高速切削鋼材時，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時，針對圓刀片和球頭銑刀，應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動平衡設(shè)計(jì)制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы牵瑏碓龃蟮都饨�，防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。刀具材料與被切削材料應(yīng)具有較小的化學(xué)親和力。高速銑削大多采用硬質(zhì)合金刀具。在保證安全和滿足加工要求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。 

    高速切削機(jī)理

    對高速切削機(jī)理的研究，總的來說還處于一種邊探索邊應(yīng)用之中。高速切削機(jī)理主要包括高速切削中切削力、切削熱變化規(guī)律，刀具磨損的規(guī)律，切屑的成型機(jī)理以及這些規(guī)律和機(jī)理對加工的影響。目前對鋁合金的高速切削機(jī)理的研究與應(yīng)用比較成功，但對黑金屬和難加工材料的高速切削機(jī)理的研究與應(yīng)用尚處于不斷探索之中，應(yīng)用也是在不成熟的理論指導(dǎo)下進(jìn)行。另外，高速切削機(jī)理的研究與應(yīng)用已進(jìn)入鉆鉸、攻絲等的切削方式中，但還處于探索階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對高速切削的切削力、切削熱、切屑成型、刀具磨損、刀具壽命、加工的精度和表面質(zhì)量等的變化規(guī)律將做更加深入的分析與研究。

    高速切削的CAM系統(tǒng)軟件

    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，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。一個優(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，全程自動過切檢查及處理能力，自動刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能，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，加工殘余分析功能等等。數(shù)控編程可分為幾何設(shè)計(jì)(CAD)和工藝安排(CAM)，在使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行高速加工數(shù)控編程時，除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關(guān)鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應(yīng)該同時也是一名合格的設(shè)計(jì)與工藝師，他應(yīng)對零件的幾何結(jié)構(gòu)有一個正確的理解，具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設(shè)計(jì)的知識和概念。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，這會直接影響刀具的壽命。

    另外，在國內(nèi)外眾多的CAD/CAM軟件中并不是都適用于高速切削數(shù)控編程。這其中比較成熟適用于高速加工編程的有：英國DelCAM公司的PowerMill軟件模塊，日本Makino公司的FFCUT軟件(其FF加工模塊已集成到美國UGS公司的CAM軟件中)，以色列的Cimatron軟件，美國PTC公司的Pro/ENGINEER軟件，國內(nèi)北航海爾華正軟件有限公司的CAXA-ME軟件等。

    五、高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用 

    目前國際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)和模具行業(yè)，尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域，顯示了強(qiáng)大的功能。其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。國內(nèi)高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，應(yīng)用于模具、航空、航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機(jī)床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進(jìn)口為主。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，作為制造業(yè)的重要基礎(chǔ)的模具行業(yè)迅速發(fā)展，這為高速銑削技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的空間。高速銑削加工技術(shù)加工時間短，產(chǎn)品精度高，可以獲得十分光滑的加工表面，能有效地加工高硬度材料和淬硬鋼，避免了電極的制造和費(fèi)時的電加工(EDM)時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。同時，模具表面因電加工(EDM)產(chǎn)生白硬層消失了，扭變絕跡了，這樣就提高了模具的壽命，減少了返修。因?yàn)殡姌O的制造工作不需要了，所以模具改型只需通過CAD/CAM，使改型加快。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可又快又好完成。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、交貨時間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的今天是非常適宜的。所以高速銑削得到了快速而廣泛的推廣。反過來，這又促進(jìn)了高速銑削技術(shù)的發(fā)展。

    六、結(jié)束語 

    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，它會隨著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)展而邁上更高的臺階。但我們也應(yīng)清醒的看到，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)等等。同時高速切削所用的CNC機(jī)床，車、銑、鉆等刀具，CAD/CAM軟件等技術(shù)含量高，價格昂貴，使得高速切削投資大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。