高速切削技術(shù)

  
一、概述 

   自20世紀(jì)30年代德國 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以來，經(jīng)過50年代的機(jī)理與可行性研究，70年代的工藝技術(shù)研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究，到90年代初，高速切削技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)用化，到90年代后期，商品化高速切削機(jī)床大量涌現(xiàn)，21世紀(jì)初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用，正成為切削加工的主流技術(shù)。 

   根據(jù)1992年國際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)年會(huì)主題報(bào)告的定義，高速切削通常指切削速度超過傳統(tǒng)切削速度5－10倍的切削加工。因此，根據(jù)加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范圍也不同。高速切削包括高速銑削、高速車削、高速鉆孔與高速車銑等，但絕大部分應(yīng)用是高速銑削。目前，加工鋁合金已達(dá)到2000－7500m/min；鑄鐵為900－5000m/min；鋼為600－3000m/min；耐熱鎳基合金達(dá)500m/min；鈦合金達(dá)150－1000m/min；纖維增強(qiáng)塑料為2000－9000m/min。  

   高速切削是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，圖1顯示了影響高速技術(shù)的各方面因素，企業(yè)必須根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，購置合適的高速切削機(jī)床，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，以達(dá)到理想的高速加工效果。 

二、高速切削的特點(diǎn)與應(yīng)用 

實(shí)踐表明，高速切削具有以下加工特點(diǎn)： 

切削力降低 
工件熱變形減少 
有利于保證零件的尺寸、形位精度 
已加工表面質(zhì)量高 
工藝系統(tǒng)振動(dòng)減小 
顯著提高材料切除率 
加工成本降低  

   高速切削的上述特點(diǎn)，反映了在其適用領(lǐng)域內(nèi)，能夠滿足效率、質(zhì)量和成本越來越高的要求，同時(shí)，解決了三維曲面形狀高效精密加工問題，并為硬材料和薄壁件加工提供了新的解決方案。 

   高速切削在航空航天業(yè)、模具工業(yè)、電子行業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在航空航天業(yè)主要是解決零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、難加工材料和加工效率等問題，特別是整體結(jié)構(gòu)件高速切削，既保證了零件質(zhì)量，又省去了許多裝配工作；模具業(yè)中大部分模具均適用高速銑削技術(shù)，高速硬切削可加工硬度達(dá)50－60HRC的淬硬材料，因而取代了部分電火花加工，并減少了鉗工修磨工序，縮短了模具加工周期；高速銑削石墨可獲得高質(zhì)量的電火花加工電極。高速切削的高效率使其在電子印刷線路板打孔和汽車大規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。目前，適合高速切削的工件材料有鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼、淬硬鋼、石墨和石英玻璃等。 

三、高速切削機(jī)床 

   高速切削要獲得良好的應(yīng)用效果，必須將高性能的高速切削機(jī)床、與工件材料相適應(yīng)的刀具和對(duì)于具體加工對(duì)象最佳的加工工藝技術(shù)相結(jié)合。高速切削機(jī)床是高速切削應(yīng)用的基本條件。  

   高速銑床的主軸轉(zhuǎn)速一般在18,000rpm以上，30,000－60,000rpm也已在工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用，功率在十幾至幾十千瓦，高速狀態(tài)下達(dá)到最大功率，但扭矩降到最小，同時(shí)許用的銑刀直徑也將減小。高動(dòng)態(tài)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)直線工作進(jìn)給速度一般在20－40m/min，采用直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度在60－120m/min，加速度1－2g�；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)速度可達(dá)360rmp，回轉(zhuǎn)加速度達(dá)47°/s²，基本滿足高速五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。 

   機(jī)床主軸和床身要有良好的剛性，優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能。人造大理石床身具有很高的熱穩(wěn)定性，良好的吸振性能，并能根據(jù)需要制作最合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)。研究表明人造大理石的吸振性是鑄鐵的6倍左右。 

   具有快速數(shù)據(jù)處理能力的CNC控制系統(tǒng)是高速機(jī)床的必要保證。前視技術(shù)、大容量?jī)?nèi)存和ETH-ERNET通訊等技術(shù)是高數(shù)據(jù)處理速度的基礎(chǔ)，NURBS曲線插補(bǔ)為復(fù)雜曲面提供了短程序段和光滑插補(bǔ)解決方案，數(shù)字驅(qū)動(dòng)克服了模擬控制微量的時(shí)間滯后問題，高分辨率反饋技術(shù)是高精度加工的保障。  

   此外，機(jī)床的安全防護(hù)、刀庫數(shù)量、換刀速度、冷卻潤滑、排屑能力等等，也是設(shè)計(jì)或選購高速機(jī)床必須考慮的重要問題。 

四、高速切削刀具技術(shù) 

   高速切削刀具不僅在耐用度和可靠性方面比常規(guī)加工有更高的要求，在刀具系統(tǒng)的安全性方面也有特殊的要求。 

從提高耐用度和可靠性角度，需要考慮： 

刀具基體與涂層材料 
刀尖幾何結(jié)構(gòu) 
刀刃數(shù)和刀桿伸出量 
切削用量 
走刀方式 
冷卻條件 
刀具與工件材料匹配 

從提高使用安全性方面，需要考慮： 

刀具系統(tǒng)強(qiáng)度與尺寸 
刀桿與機(jī)床的夾持方式 
刀片夾緊方式 
刀具動(dòng)平衡 

   由于高速切削高轉(zhuǎn)速和快進(jìn)給等特點(diǎn)，除了良好的耐磨性和高的強(qiáng)度韌性的先進(jìn)刀具材料，優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)，合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和高同心度的刀刃精度質(zhì)量等因素外，還需特別注意其它因素對(duì)刀具耐用度的影響。圖3為不同刀具伸出量對(duì)切削路徑長(zhǎng)度的影響，可見伸出量越短，耐用度越高。一般情況下，順銑的耐用度高于逆銑，而往復(fù)銑的耐用度最低(見圖4)。圖4中向下進(jìn)實(shí)際反映刀具頂著進(jìn)給方向進(jìn)刀，而向上進(jìn)反映刀具拖著進(jìn)給方向進(jìn)刀，對(duì)耐用度也有較大影響。鋁合金高速銑削通常用雙刃銑刀，過多的刀刃會(huì)減少容屑空間，容易引起切屑粘刀。為避開共振頻率，也可采用三刃銑刀以增加沖擊頻率。鋁合金加工容易產(chǎn)生積屑瘤，這對(duì)高速銑削非常有害。要減少積屑瘤的產(chǎn)生，刀具表面要平滑；避免采用物理氣相沉積(PVD)涂層刀具，因?yàn)門iAlN涂層很易與鋁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以選用非涂層刀具，細(xì)晶金剛石涂層或類金剛石涂層刀具；如有可能，盡量采用油霧刀具內(nèi)冷進(jìn)行冷卻潤滑。  
 

 

 

 

 

 

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                          圖1 刀具伸出量對(duì)耐用度的影響 
 

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                     圖2 球頭鐵刀不同銑削方式對(duì)耐用度的影響
高速銑削刀具結(jié)構(gòu)對(duì)刀具耐用度和安全性均有很大影響，關(guān)鍵要點(diǎn)包括刀具系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)；減少徑向和軸向跳動(dòng)；控制動(dòng)平衡精度；與機(jī)床聯(lián)接普遍采用HSK刀柄或類似雙面接觸短錐刀柄；刀具的夾緊最新趨勢(shì)是采用冷縮式夾緊結(jié)構(gòu)(或稱熱裝式)，裝夾時(shí)利用感應(yīng)或熱風(fēng)加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具，裝入新刀具，然后采用風(fēng)冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合夾緊，這種結(jié)構(gòu)刀具的徑向跳動(dòng)在4µm，剛性高，動(dòng)平衡性好，夾緊力大，高轉(zhuǎn)速下仍能保持高的夾緊可靠性，特別適用于更高轉(zhuǎn)速的高速銑削加工。 

五、高速切削工藝技術(shù) 

   高速切削工藝主要包括：適合高速切削的加工走刀方式，專門的CAD/CAM編程策略，優(yōu)化的高速加工參數(shù)，充分冷卻潤滑并具有環(huán)保特性的冷卻方式等等。 

   高速切削的加工方式原則上多采用分層環(huán)切加工。直接垂直向下進(jìn)刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不宜采用。斜線軌跡進(jìn)刀方式的銑削力是逐漸加大的，因此對(duì)刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。螺旋式軌跡進(jìn)刀方式采用螺旋向下切入，最適合型腔高速加工的需要。 

   CAD/CAM編程原則是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進(jìn)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：盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；在程序段中可加人一些圓弧過渡段，盡可能減少速度的急劇變化；粗加工不是簡(jiǎn)單的去除材料，要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，盡可能減少銑削負(fù)荷的變化；多采用分層順銑方式；切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行切向進(jìn)刀，以保證恒定的切削條件；充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗(yàn)證的功能。零件在加工前必須經(jīng)過仿真，驗(yàn)證①刀位數(shù)據(jù)的正確性，②刀具各部位是否與零件發(fā)生干涉，③刀具與夾具附件是否發(fā)生碰撞，確保產(chǎn)品質(zhì)量和操作安全。  

   高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時(shí)，加工用量會(huì)有很大差異，目前尚無完整的加工數(shù)據(jù)。通常，隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進(jìn)給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。對(duì)于刀具壽命，每齒進(jìn)給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對(duì)較窄。高速銑削參數(shù)一般的選擇原則是高的切削速度、中等的每齒進(jìn)給量fz、較小的軸向切深ap和適當(dāng)大的徑向切深ae。 

   在高速銑削時(shí)由于金屬去除率和切削熱的增加，冷削介質(zhì)必須具備將切屑快速?zèng)_離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的能力。常規(guī)的冷卻液及加注方式很難進(jìn)入加工區(qū)域，反而會(huì)加大銑刀刃在切入切出過程的溫度變化，產(chǎn)生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性�，F(xiàn)代刀具材料，如硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷和金屬陶瓷、CBN等具有較高的紅硬性，如果不能解決熱疲勞問題，可不使用冷卻液。 

   微量油霧冷卻一方面可以減小刀具－切屑－工件之間的摩擦，另一方面細(xì)小的油霧粒子在接觸到刀具表面時(shí)快速氣化的換熱效果較冷卻液熱傳導(dǎo)的換熱效果方式能帶走更多的熱量，目前已成為高速切削首選的冷卻介質(zhì)。  

   氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)在鈦合金的高速銑削中取得了很好的效果。氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)除具有空氣油霧的冷卻潤滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用，在33m/min的銑削速度時(shí)，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高60%，銑削力可降低20%－30%。 

六、結(jié)語 

   高速切削是一項(xiàng)先進(jìn)的、正在發(fā)展的綜合技術(shù)，必須將高性能的高速切削機(jī)床、與工件材料相適應(yīng)的刀具和對(duì)于具體加工對(duì)象最佳的加工工藝技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮高速切削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。高速切削工具技術(shù)也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為了適應(yīng)和推動(dòng)我國高速切削技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到，工具制造是一個(gè)高技術(shù)含量的行業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、工程研究和應(yīng)用研究；迅速發(fā)展的高速切削技術(shù)極大的刺激高性能刀具的需求，我國工具行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)在刀具的耐磨性、精度和可靠性方面加強(qiáng)研發(fā)力度，提高刀具的競(jìng)爭(zhēng)能力；刀具的競(jìng)爭(zhēng)力應(yīng)集中在高性能帶來的整體經(jīng)濟(jì)效益，在應(yīng)用領(lǐng)域推廣使用高性能刀具；提供個(gè)性化技術(shù)服務(wù)；根據(jù)我國目前的實(shí)際情況，建議重點(diǎn)發(fā)展涂層技術(shù)(如耐磨(硬、軟)涂層、復(fù)合涂層、納米結(jié)構(gòu)涂層等)，刀具質(zhì)量保障技術(shù)和刀具數(shù)據(jù)庫。