高速切削的加工技術(shù)和高速機床

                                                                                 作者：單錫林

 

 

在現(xiàn)代機械切削加工技術(shù)中，高速切削正在越來越多地被人提及，其技術(shù)已開始被使用，隨之而來的，首先是高速機床，那么，高速切削與傳統(tǒng)切削技術(shù)究竟有什么不同? 其實現(xiàn)的條件是什么? 實現(xiàn)它有哪些益處? 其適用性怎么樣呢? 本文將試圖回答這些問題，并且盡可能結(jié)合目前在世界上居領(lǐng)先水平的瑞士MIKRON公司的機床的結(jié)構(gòu)、特點來分析，用它同目前國內(nèi)仍在普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)的加工方法和切削理論相比較，促進高新技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和普及。

                                                                                             高速機床

                                                                                   

縮短加工時的切削與非切削時間，對于復(fù)雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量，是我們提高勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)經(jīng)濟性生產(chǎn)的一個重要的目標(biāo)。

有人認(rèn)為，一提高速加工，就是主軸轉(zhuǎn)速要幾萬轉(zhuǎn)；只要主軸轉(zhuǎn)速一達到幾萬轉(zhuǎn)，就可以實現(xiàn)高速切削，這其實是不全面的。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機床已經(jīng)具備了下面的條件，也只有具備這些條件，才會使得高速切削成為可能。

1.機電一體化的主軸，即所謂電主軸�，F(xiàn)代化的主軸是電機與主軸有機地結(jié)合成一體，采用電子傳感器來控制溫度，自有的水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使得主軸在高速下成為“恒溫”；又由于使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使得主軸可以免維護、長壽命、高精度。由于采用了機電一體化的主軸，減去了皮帶輪、齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，其主軸轉(zhuǎn)速就可以輕而易舉地達到0～42000r/min，甚至更高。不僅如此，由于結(jié)構(gòu)簡化，造價下降，精度和可靠性提高，甚至機床的成本也下降了。 噪聲、振動源消除，主軸自身的熱源也消除了。MIKRON公司便采用了本集團“STEP－TEC”公司生產(chǎn)的電主軸，這種電主軸采用了其特別的、最先進的矢量式閉環(huán)控制、高動平衡的主軸結(jié)構(gòu)、油霧潤滑的混合陶瓷軸承，可以隨室溫調(diào)整的溫度控制系統(tǒng)，確保主軸在全部工作時間內(nèi)溫度衡定。

何為矢量式閉環(huán)控制呢？其實就是借助數(shù)/模轉(zhuǎn)換，將交流異步電動機的電量值變換為直流電模型，這樣，既可實現(xiàn)用無電刷的交流電機來實現(xiàn)直流電機的優(yōu)點，即在低轉(zhuǎn)速時，保持全額扭矩，功率全額輸出，主軸電機快速起動和制動。以UCP710機床切削45#鋼為例，用STEP-TEC的主軸銑削，銑刀直徑ø63mm, 主軸轉(zhuǎn)速為1770r/min，金切量為540cm³/min；在無底孔鉆孔時，鉆頭直徑ø50mm, 轉(zhuǎn)速1350r/min，可一次鉆出，而無需常用的先打中心孔,而后鉆孔再擴孔的方法。

2.機床普遍采用了線性的滾動導(dǎo)軌，代替過去的滑動導(dǎo)軌，其移動速度、摩擦阻力、動態(tài)響應(yīng)，甚至阻尼效果都發(fā)生了質(zhì)的改變。用手一推就可以將幾百公斤甚至上千公斤的重工作臺推動。其特有的雙Ｖ型結(jié)構(gòu)，大大提高了機床的抗扭能力；同時，由于磨損近乎為零，導(dǎo)軌的精度壽命較之過去提高幾倍。 又因為配合使用了數(shù)字伺服驅(qū)動電機，其進給和快速移動速度已經(jīng)從過去最高的6m/min，提高到了現(xiàn)在的20～60m/min，MIKRON公司的最新型機床使用線性電機，進給和快移速度可達80m/min。

3.目前最先進的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)可以同時控制8根以上的軸，實現(xiàn)五軸五聯(lián)動，甚至六軸五聯(lián)動，多個CPU，數(shù)據(jù)塊的處理時間不超過0.4ms；同時，均配置功能強大的后置處理軟件，運算速度快，仿真能力強且具備程序運行中的“前視”功能，隨時干預(yù)，隨時修改。外接插口，數(shù)據(jù)傳輸速度快，甚至可以與以太網(wǎng)直聯(lián)；加上全閉環(huán)的測量系統(tǒng)， 配合使用數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)，機床的線性移動可以實現(xiàn)1～2g的加速和減速運動。

4.機床床身結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，現(xiàn)代機床均采用落地式床身，整體鑄鐵結(jié)構(gòu)，龍門式框架的主軸立柱，盡可能由主軸部件來實現(xiàn)二軸甚至三軸的線性移動，考慮到刀具重量的變化極小，這樣，在工件乃至工作臺不進行快速線性移動的情況下， 機床快速線性移動的部件的重量近乎常量，因此，更容易實現(xiàn)快速加速和減速情況下的運動慣量及實現(xiàn)動態(tài)平衡，減少由于動態(tài)沖擊所帶來的不穩(wěn)定，從而保證穩(wěn)定的且更高的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

5.刀具的材料和技術(shù)的發(fā)展也是高速切削得以實現(xiàn)的一個重要因素。由于在高速切削時，切削力已經(jīng)不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄，而是短圓柄，即HSK型柄，不需拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響。重要的是需要動平衡， 即需加上動平衡環(huán)，在裝好刀具后，由動平衡儀進行平衡。刀具本身采用通體硬質(zhì)合金刀，或在硬質(zhì)合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金剛石，即PCD等，使刀具可以承受高達300～500m/min的切削線速度。

6.切削時采用油霧潤滑加工區(qū)，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。

高速切削

顧名思義，高速切削，首先是高的速度，即要有高的主軸轉(zhuǎn)速，比如12000r/min、18000r/min、30000r/min、40000r/min，甚至還有更高的轉(zhuǎn)速仍在試驗中；另一方面，又應(yīng)有更大的進給量，如30000mm/min、40000mm/min，甚至60000mm/min；再有就是快速移動、快速換刀、主軸換刀后從靜態(tài)到達其所需轉(zhuǎn)速的加速時間等等，只有達到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速。

其次是要針對不同的加工對象、不同的硬度、不同的材質(zhì)、不同的形狀來選擇相應(yīng)合理的參數(shù)，而不能一味地追求為高速而高速，特別是對于型腔加工，形狀復(fù)雜而刀具直徑又較小時，由于刀具的運動軌跡不是簡單的直線運動而是曲線，甚至有直角拐彎的時候，工藝參數(shù)的合理性就尤為重要，因為要想保持同一進給速度進行直角切削，搞不好會由于機床運動部件的巨大慣性而導(dǎo)致刀具做彎角運動時突然斷裂，而變速運動又會由于加速和減速等運動造成切削厚度的瞬間變化，而導(dǎo)致切削刀變化使工件表面有切紋，由此使加工質(zhì)量下降，所以，針對不同的加工對象，需要編程人員選擇合理的刀具運動軌跡，優(yōu)化切削參數(shù)；另一方面，根據(jù)需要選擇適合的切削速度，只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削的長處。

應(yīng)用高速切削，我們可以實現(xiàn)下列目標(biāo)：

(1)由于采用小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量極小，因而機床主軸、導(dǎo)軌的受力就小，機床的精度壽命長， 同時刀具壽命也延長了。

(2)雖然切削深度和厚度小，但由于主軸轉(zhuǎn)速高，進給速度快，因此使單位時間內(nèi)的金屬切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。

(3)加工時可將粗加工、半精加工、精加工合為一體，全部在一臺機床上完成，減少了機床臺數(shù)，避免由于多次裝夾使精度產(chǎn)生誤差。

(4)可以加工高硬度、難加工材料(可達62HRC左右)，可以鉆ø1mm以下的小孔。

(5)最重要的是，加工時間短，經(jīng)濟性能好。

高速切削的應(yīng)用

目前，高速切削已經(jīng)不是實驗室里的技術(shù)了，它更多的是應(yīng)用于以下幾個方面。(1)有色金屬，如鋁、鋁合金，特別是鋁的薄壁加工。目前已經(jīng)可以切出厚度為0.1mm、高為幾十毫米的成形曲面。

(2)石墨加工。在模具的型腔制造中，由于采用電火花腐蝕加工，因而石墨電極被廣泛使用。但石墨很脆，所以，必須采用高速切削才能較好地進行成形加工。

(3)模具，特別是淬硬模具的加工。 由于淬硬的材料可以直接從供應(yīng)商處購買， 因此采用高速切削可以直接將模具切出，這不單單是省去了過去機加工→電加工的幾道工序；節(jié)約工時，還由于目前高速切削已經(jīng)可以達到很高的表面質(zhì)量(Ra≤0.4um)，因此省去了電加工后面的磨削和拋光的工序；相反，切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài)，還會提高模具工件表面的耐磨程度（有統(tǒng)計說模具壽命因此能提高3～5倍），這樣，鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能。

(4)硬的、難切削的材料，如耐熱不銹鋼等。

高速切削的適用性

高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點是顯而易見的，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?顯然不行。目前， 即便是在金屬切削機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對于這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究當(dāng)中。實際上，人們對高速切削的經(jīng)驗還很少，還有許多問題有待于解決：比如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題，機床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩傳輸）、冷卻潤滑液的選擇、CAD/CAM 的程序后置處理問題、高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。迄今為止，國內(nèi)目前真正在實際加工中使用的是瑞士MIKRON公司的主軸轉(zhuǎn)速為42000r/min的機床， 南京航空航天大學(xué)購買了MIKRON的主軸為18000r/min機床，上海交大、大連理工大學(xué)等也買了主軸轉(zhuǎn)速為18000r/min的機床，山東工大、西安交大、北京理工大學(xué)都將購買高速機床做相應(yīng)的研究。應(yīng)該說，高速切削在我國，尚未正式進入大學(xué)課堂，如果一些教授、導(dǎo)師們的頭腦中還是空白，那怎么去教學(xué)生、去發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)？更不要說國內(nèi)的機床廠家的情況了。應(yīng)該實事求是地講，由于多年來國有企業(yè)科研投入少，現(xiàn)有的機制不能充分鼓勵創(chuàng)新，基礎(chǔ)研究和元器件水平薄弱，新產(chǎn)品開發(fā)滯后等諸多問題的影響，我國的機床行業(yè)與國外同行業(yè)一流水平的差距已經(jīng)拉大，這一差距總的來說恐怕在十年以上。

現(xiàn)在看來，主軸轉(zhuǎn)速為10～42000r/min這樣的高速切削在實際應(yīng)用時仍受到一些限制：

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

(2)機床裝備轉(zhuǎn)速為10～42000r/min的電主軸時，其扭矩極小，通常只有十幾個N·m，最高轉(zhuǎn)速時只有5～6N·m。這樣的高速切削，一般可用來進行石墨、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的機床，盡力提高進給量(40000～60000mm/min)，以保證機床既能進行粗加工，又能進行精加工，既省時效率又高。

(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)可以實現(xiàn)7500m/min的線速度來切削鋁合金；但是切削鋼和鑄鐵時，目前世界上實際進行的高速加工所能實現(xiàn)的最高速度，也只能達到加工鋁合金的 1/3～1/5，約為1000～1200m/min， 其原因是切削熱會使刀尖產(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，其共同特點是在高溫下能保持高強度和高的耐腐蝕性，但它們又都是難加工材料。目前加工這種材料時的最高進給速度為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。