高速切削加工工藝及應(yīng)用

撰文:常州蘭生公司刀具部       戴軍

 1 高速切削工藝

加工工藝是成功進(jìn)行高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。選擇不當(dāng)，會(huì)使刀具磨損加劇，完全達(dá)不到高速加工的目的。高速切削工藝技術(shù)包括切削參數(shù)、切削路徑、刀具材料及刀具幾何參數(shù)的選擇等。

 ( l ）切削參數(shù)的選擇

在高速切削加工中，必須對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行選擇，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移動(dòng)的方向和切削過(guò)程（順銑還是逆銑）等．

 ( 2 ）切削路徑的選擇與優(yōu)化在高速切削加工中，除了刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇外，還要采取不同的切削路徑才能得到較好的切削效果．

切削路徑優(yōu)化的目的是提高刀具耐用度，提高切削效率，獲得最小的加工變形，提高機(jī)床走刀利用率，充分發(fā)揮高速加工的優(yōu)勢(shì)。主要包括:

① 走刀方向的優(yōu)化在走刀方向的選擇上，以曲面平坦性為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，確定不同的走刀

方向選取方案；對(duì)于曲率變化大的曲面以最大曲率半徑方向?yàn)樽顑?yōu)進(jìn)給方向，對(duì)曲率變化小的曲面，以單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)為原則選擇走刀方向。

② 刀位軌跡生成按照刀位路徑盡可能簡(jiǎn)化，盡量走直線，路徑盡量光滑的要求選擇加

工策略，選擇合適的插補(bǔ)方法，保證加工面殘留高度的要求，采用過(guò)渡圓弧的方法處理加工干涉區(qū)，這樣在加工時(shí)就不需要減速，提高加工效率。

 ③ 柔性加減速和斷刀的幾率。選取合適的加減速方式，減少啟動(dòng)沖擊，保持機(jī)床的精度，減少刀具顫振

( 3 ）刀具材料的選擇

刀具材料的合理選擇遵循以下原則:

① 切削刀具材料與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配，主要指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能相匹配

刀具材料的硬度大小順序?yàn)?PCD > PCBN ) AIO 基陶瓷＞ si3N 基陶瓷＞ TIC ( N ）基硬質(zhì)合金＞ WC 基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞高速鋼（ HSs )

 刀具材料的抗彎強(qiáng)度的大小順序?yàn)椋?HSS > WC 基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金＞合金＞ siN ．基陶瓷＞ Al �；�陶瓷＞ PCD > PCBN 。

 斷裂韌性的大小順序?yàn)?HSS ) WC 基超級(jí)晶粒硬質(zhì)合金） TIC ( N ）基硬質(zhì)合金） PCBN > PCD > 51 , N 基陶瓷＞ A12O 基陶瓷。

具有優(yōu)良高溫力學(xué)性能的刀具尤其適合高速切削加工。對(duì)于硬脆刀具（如硬質(zhì)合金和陶瓷）的磨損起決定作用的主要因素是其力學(xué)性能。

② 切削刀具材料與加工對(duì)象的物理性能匹配，土要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊能力等物理參數(shù)要相匹配。加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱較好的刀具材料，以使切削熱得以迅速傳出而降低切削溫度。對(duì)于精密加工則要選用熱膨脹系數(shù)小的刀具材料（金剛石等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性，要求刀具材料熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性能好、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性強(qiáng)。

 ③ 切削刀具材料與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配主要是指刀具材料與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能相匹配。各種刀具材料所適合加工的工件材料如表 2 . 所列。

 ( 4 ）干式（準(zhǔn)干式）切削技術(shù)高速加工中不采用切削液或采用微量的切削液可以帶來(lái)大量的好處低切削過(guò)程對(duì)環(huán)境的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成本、降低切削過(guò)程對(duì)環(huán)境的危害、提高切屑的回收利用率等.

( 5 ）加工誤差綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

高速切削加工中誤差產(chǎn)生的主要原因有伺服系統(tǒng)的滯后、加減速引起的滯后、插補(bǔ)周期引起的形狀誤差、數(shù)控系統(tǒng)的輪廓誤差等

目前采用的補(bǔ)償技術(shù)有：溫度補(bǔ)償、象限補(bǔ)償、絲杠誤差補(bǔ)償、使用非均勻有理 B 樣條 ( NuRBs ）插補(bǔ)、納米插補(bǔ)、加減速預(yù)測(cè)及控制伺服電機(jī)最佳加減速轉(zhuǎn)矩、進(jìn)行前瞻性控制、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、刀具中心點(diǎn)及半徑補(bǔ)償、沖擊控制等．

高速切削工藝研究是一項(xiàng)很有意義的工作。實(shí)踐證明如果只有高速機(jī)床和刀具而沒(méi)有良好的工藝作指導(dǎo)，昂貴的高速加工設(shè)備也不能充分發(fā)揮作用高速切削的工藝和傳統(tǒng)的工藝方法有很大差別，至今還遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)工藝方法那樣成熟和普及。這一點(diǎn)在高速機(jī)床使用中應(yīng)特別加以注意.

2 高速切削加工的應(yīng)用

由于高速切削具備一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，因而首先受到航空航天、模具、汽車等行業(yè)的青睞航空部門大型整體薄壁飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工將普遍采用高速銑削工藝，減輕整機(jī)重量，提高飛機(jī)整機(jī)性能。模具制造業(yè)中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高進(jìn)給速度、小切深、小走刀步距、能連續(xù)長(zhǎng)路程切削的模具加工新工藝，對(duì)淬硬鋼的高速銑削成為縮短模具開(kāi)發(fā)周期、降低制造成本的主要途徑。汽車制造業(yè)將更加積極地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生產(chǎn)。

飛機(jī)機(jī)體材料 60 % -70 ％為鋁合金，而且絕大多數(shù)坯料的去除需要切削加工，零件通常采用“整體去除”法制造，即在整塊毛坯上去除大量材料后形成高精密度的鋁合金復(fù)雜構(gòu)件，其切削時(shí)間占整個(gè)零件制造總工時(shí)的比例很大。對(duì)這樣的大型、壁薄、加強(qiáng)肋復(fù)雜的鋁合金零件進(jìn)行高精度、高效率加工是切削加工技術(shù)中的一個(gè)難題。采用高速切削加工，可大幅度提高生產(chǎn)效率，切削效率是傳統(tǒng)切削的 25 - 28 倍，并可節(jié)省經(jīng)費(fèi)，降低制造成本。 Marwm Produc tlon System ，公司生產(chǎn)的機(jī)床 Automa 可加工規(guī)格達(dá) 5 mx25m 的整體鋁合金薄壁航空零件而專門加工飛機(jī)蒙皮的機(jī)床長(zhǎng)度可達(dá) 87m ，能同時(shí)加工 6 件空中客車的機(jī)冀蒙皮板．目前在航空工業(yè)中，使用高速銑削鋁合金已經(jīng)比較普遍，收到了縮短制造周期、提高飛機(jī)性能的雙重功效。

高速切削加工主耍應(yīng)用于車削和銑削工藝。隨著各類高速切削機(jī)床的開(kāi)發(fā)，高速切削藝范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，高速切削將涵蓋所有的傳統(tǒng)加工范疇，包括從粗加工到精加工，從鉆到徨削、拉削、欽削、攻絲、滾齒等。下面主要介紹一下高速硬車削、高速鉆削、高速銑削。

  ( 1 ）高速硬車削對(duì)淬硬鋼材料進(jìn)行高速車削加工叫高速硬車削高速硬車削主要作為對(duì)悴硬鋼零件的終加工或精加工。淬硬鋼加工的傳統(tǒng)方法主要是磨削 ．

和磨削加工相比，硬車削的特點(diǎn)是：

 ① 加工效率高采用高轉(zhuǎn)速、大切深切削，金屬切除率通常是磨削加工的 3 一 10 倍．床一次裝夾，可完成多工序加工，如粗、精加工在一臺(tái)設(shè)備上一次完成；多表面加工，如精切圓、內(nèi)孔、切槽外圓、內(nèi)孔、切槽等，加工位置精度高

 ② 潔凈加工大多數(shù)情況下，高速硬車削不用或不便使用切削液。一方面，硬車削是過(guò)使剪切部分材料變軟退火而形成切屑，冷卻速率過(guò)高會(huì)降低這種效果，加大機(jī)械磨損，縮刀具壽命；另一方面，高速切削所使用刀具的抗熱沖擊能力差，在高速下切削，切削液不容易

達(dá)切削表面，而使刀具溫度變化決，容易使刀具碎裂。所以，采用少量冷卻液或干切削是高速硬車削的特點(diǎn)之一，千切削可以省去與切削液有關(guān)的裝置，簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，降低生產(chǎn)成本，同形成的切屑干凈清潔，便于回收處理.

 ③ 減少設(shè)備有利于柔性生產(chǎn)和敏捷生產(chǎn)。一方面車床的投資比磨床少占地面積小輔助費(fèi)用低，另一方面，在生產(chǎn)線上應(yīng)用硬車削技術(shù)，更適應(yīng)產(chǎn)品的改型，提高了生產(chǎn)線的性，使產(chǎn)品適應(yīng)市場(chǎng)的能力增強(qiáng)，符合敏捷制造的要求。與磨削加工相比，硬車削能更好地應(yīng)多品種、短周期、小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)。

 ④ 零件整體加工精度高高速硬車削中產(chǎn)生的大部分熱量被切屑帶走，不會(huì)像磨削加那樣容易產(chǎn)生表面燒傷和裂紋，可以得到更好的加工精度、表面質(zhì)量和加工的位置精度，特減少了零件的裝夾次數(shù).

可以采用硬車削替代磨削加工的場(chǎng)合很多，如汽車曲軸加工、軸承加工、淬硬螺紋加工等目前的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，人們對(duì)于高速硬車削代替磨削加工的認(rèn)識(shí)不足，昂貴的硬車削具、缺乏深人的切削機(jī)理研究和切削工藝試驗(yàn)研究等，都是制約高速硬車削技術(shù)迅速推廣應(yīng)的不利條件。就目前的應(yīng)用情況，高速硬車削的加工尺寸精度還達(dá)不到磨削的水平，但在一精度范圍內(nèi)，硬車削具有非常大的優(yōu)越性，而且，隨著硬車削技術(shù)的提高和普及，采用這種新工藝的加工精度也會(huì)逐漸提高.

（2）高速鉆、鉸和攻螺紋

高速鉆、鉸和攻螺紋也是高速切削技術(shù)的重要組成部分 · 在機(jī)械加工中，鉆、鉸和攻螺紋占很大比例，提高這些工序的切削速度一直是提高生產(chǎn)率需要解決的問(wèn)題，在高速切削技術(shù)快速發(fā)展和普遍應(yīng)用的倩況下，提高鉆、鉸和攻螺紋的加工速度已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)高速鉆、鉸和攻螺紋的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：

①     大幅度提高材料切除率，提高生產(chǎn)率

②     傳遞給工件的熱量少，減少零件的熱變形和熱應(yīng)力。

高速鉆、鉸和攻螺紋和車削、銑削不同，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的難度更大實(shí)現(xiàn)高速鉆、，和攻，紋要解決的主要間題有以下幾個(gè)方面．

 ① 排屑和散熱問(wèn)題；

② 刀具材料、形狀、幾何參數(shù)的選擇等問(wèn)題；

 ③ 改進(jìn)加工工藝，優(yōu)化加工參數(shù)．

 ④ 提供高主軸轉(zhuǎn)速的機(jī)床。例如，在鋁材料上鉆 5 mm 的孔時(shí)，要求切削速度達(dá)到 800m / mln ，所對(duì)應(yīng)的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速要求達(dá)到 25000r / mm 以上.．

隨著刀具材料技術(shù)、涂層技術(shù)的發(fā)展和高速切削技術(shù)的需求，用于高速鉆、鉸和攻螺紋的新型刀具越來(lái)越多，主要有高速鋼涂層刀具、整體硬質(zhì)合金刀具、硬質(zhì)合金涂層刀具、整體硬質(zhì)合金涂層刀具，鑲金剛石刀具、硬質(zhì)合金基體和金剛石共同燒結(jié)而成的復(fù)合刀具、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、多層涂覆刀具、 CBN 刀具和陶瓷刀具.

在改進(jìn)刀具材料的同時(shí)，為了滿足高速切削和干切削的要求，應(yīng)根據(jù)不同的被加工材料，對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，包括螺旋角、排屑槽形狀、齒數(shù)、鉆尖形狀、刀柄結(jié)構(gòu)、切削刃負(fù)荷分布和冷卻方式等，使切削過(guò)程更合理、排屑更順暢、切削力更小、切削溫度更低、刀具壽命更長(zhǎng)以及提高加工精度等．

高速鉆、鉸和攻螺紋的加工工藝過(guò)程中，改進(jìn)加工參數(shù)和加工條件，有利于提高切削速度在鉆削中，生成的連續(xù)切屑要能從鉆頭的槽中順利排出來(lái)。然而鉆得越深排屑越難，因此產(chǎn)生的切削熱不容易散出去，一部分傳到刀柄，一部分傳給工件。在高速鉆削中，迫切需要解決排屑和散熱問(wèn)題.

改進(jìn)的方法之一是改善潤(rùn)滑和冷卻條件。在鉆削中采用刀具中心通切削液是比較好的一種方法，一方面更好的冷卻、潤(rùn)滑，另一方面也有利于排屑，特別是在鉆較深的孔時(shí)，效果更好.

 ( 3 ）高速銑削

高速銑削是為了滿足航空中大型整體零件的加工和模具行業(yè)高硬度腔體加工要求而發(fā)展起來(lái)的，圖 2-27 為高速銑削加工復(fù)雜型面的照片.