淺析高速切削(HSC)技術

  一、高速切削的原始定義


    1931年，德國切削物理學家薩洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一個假設，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，當切削速度達到普通切削速度的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，但進給速度低，切削力大。實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，兩者的機理也不同。

    二、現(xiàn)代高速切削技術的概念


    所羅門原理出發(fā)點是用傳統(tǒng)刀具進行高速度切削，從而提高生產(chǎn)率。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學研究所證實。但這一原理的成功應該不只局限于此。高速切削技術是切削技術的重要發(fā)展方向之一，從現(xiàn)代科學技術的角度去確切定義高速切削，目前還沒有取得一致，因為它是一個相對概念，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。

    事實上，高速切削技術是一個非常龐大而復雜的系統(tǒng)工程，它涵蓋了機床材料的研究及選用技術，機床結構設計和制造技術，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)，高精度快速進給系統(tǒng)，高性能刀具夾持系統(tǒng)，高性能刀具材料、刀具結構設計和制造技術，高效高精度測試測量技術，高速切削機理，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的硬件和軟件技術。只有在這些技術充分發(fā)展的基礎上，建立起來的高速切削技術才具有真正的意義。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、機床、刀具和工藝等技術的完美組合。

    三、高速切削技術的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點


    自所羅門原理申請專利以來，高速切削技術的發(fā)展歷經(jīng)理論探索階段，應用探索階段，初步應用階段和較成熟應用階段。特別是20世紀70年代后，各工業(yè)發(fā)達國家相繼投入大量的人力、物力、財力研究開發(fā)高速切削技術及相關技術，發(fā)展日新月異，德國、美國、瑞典、瑞士、英國和日本等制造強國走在了世界前列。近幾年，隨著科學技術的突飛猛進和經(jīng)濟發(fā)展的強大推動，高速切削機床、刀具技術和相關技術迅速進步，使高速切削(HSC-High Speed Cutting)技術以其高效率、高質(zhì)量應用于航天、航空、汽車、模具和機床等行業(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，進給速度大，為傳統(tǒng)的5～10倍。其優(yōu)點在于：


    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，機床激振頻率遠高于工藝系統(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，可進行高速干切削，不用冷卻液，減少了對環(huán)境的污染，能實現(xiàn)綠色加工。

    可完成高硬度材料和硬度高達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機床 

    (1) 高穩(wěn)定性的機床支撐部件 高速切削機床的床身等支撐部件應具有很好的動、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機床都采用高質(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，不但保證機床精度穩(wěn)定，也防止切削時刀具振顫；采用封閉式床身設計，整體鑄造床身，對稱床身結構并配有密布的加強筋，如德國Deckel Maho公司的橋式結構或龍門結構的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VS系列高速加工中心，使機床獲得了在靜態(tài)和動態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結構計算，優(yōu)化了結構，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。

    (2) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術最重要的關鍵技術，也是高速切削機床最重要的部件。要求動平衡性很高，剛性好，回轉精度高，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速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kW。通常采用主軸電機一體化的電主軸部件，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，電機大多采用感應式集成主軸電動機。而隨著技術的進步，新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機，該電機能更高效，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，加之電動機體積小，結構緊湊，所以大有取代感應式集成主軸電動機之勢。最高主軸轉速受限于主軸軸承性能，提高主軸的dn值是提高主軸轉速的關鍵。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。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) 高精度快速進給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度、高進給率和小切削量的組合，進給速度為傳統(tǒng)的5～10倍。這就要求機床進給系統(tǒng)很高的進給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進給率不小于60m/min，程序可編輯進給率小于40m/min，軸向正逆向加速大于10m/s²(1g)。機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠。隨著電機技術的發(fā)展，先進的直線電動機已經(jīng)問世，并成功應用于CNC機床。先進的直線電動機驅(qū)動使CNC機床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動等問題，加快了伺服響應速度，提高了伺服控制精度和機床加工精度。不僅能使機床在f=60m/min以上進給速度下進行高速加工，而且快速移動速度達f=120m/min，加速度達2g，提高了零件的加工精度。但直線電動機在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問題，有待改進。

    (4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機床的主軸、滾珠絲杠 、導軌等產(chǎn)生大量的熱，如不進行有效的冷卻，將會嚴重影響機床的精度。大多采用強力高壓、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、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動機、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，對機床主軸、刀具和工件進行冷卻。日本日立精機公司研制開發(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的導軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)，能進行自動潤滑及不需專用設備等特點。日立精機機床公司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)絡技術已成為CNC機床加工中的主要通訊手段和控制工具，相信不久的將來，將形成一套先進的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，通訊將更快和更方便。大量的加工信息可通過網(wǎng)絡進行實時傳輸和交換，包括設計數(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)絡改善服務，給用戶提供技術支持等等。美國Cincinati Machine公司研制開發(fā)出了網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，用戶只要購買所需的軟件、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡攝像機和耳機等，即可上網(wǎng)，無需安裝網(wǎng)絡服務器，通過網(wǎng)上交換多種信息，生產(chǎn)率得到了提高。日立精機機床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式CNC系統(tǒng)，能將機床CNC操作系統(tǒng)軟件和因特網(wǎng)連接，進行信息交換。

    (6) 高安全性 機床安全門罩高速切削機床普遍采用全封閉式安全門罩，高強度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施，來保證機床操作者及機床周圍現(xiàn)場人員的安全，避免機床、刀具和工件等有關設施受到損傷。一些機床公司還在CNC系統(tǒng)中開發(fā)了機床智能識別功能，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 這包括位置檢測、刀具狀態(tài)檢測、工件狀態(tài)檢測和機床工況監(jiān)測等技術。

    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、刀具三者在旋轉時應具有極高的同心度，這樣才能保證高速、高精度加工。否則轉速越高離心力越大，當其達到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)將會使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振，其結果是加工質(zhì)量下降，刀具壽命縮短，加速主軸軸承磨損，嚴重時會使刀具與主軸損壞。刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔應結合緊密，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，強力銑卡頭裝刀。

    高速切削刀具

    刀具技術和機床制造，從一開始就相輔相成共同發(fā)展，可以毫不夸張的說，只有刀具技術和機床技術的不斷發(fā)展，才推進了高速切削技術。高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩(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，涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等等。涂層技術由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層。這一技術已成為提高高速切削能力的關鍵技術之一。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，其中相當一部分用于硬質(zhì)合金和涂層材料的基礎研究。高速切削鋼材時，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應選用細晶粒的K類硬質(zhì)合金進行粗加工，選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應選用聚晶金剛石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，應注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應按動平衡設計制造。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修圓或?qū)Ы�，來增大刀尖角，防止刀尖處熱磨損。應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具有較小的化學親和力。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雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復雜曲面。

    高速切削機理

    對高速切削機理的研究，總的來說還處于一種邊探索邊應用之中。高速切削機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，切屑的成型機理以及這些規(guī)律和機理對加工的影響。目前對鋁合金的高速切削機理的研究與應用比較成功，但對黑金屬和難加工材料的高速切削機理的研究與應用尚處于不斷探索之中，應用也是在不成熟的理論指導下進行。另外，高速切削機理的研究與應用已進入鉆鉸、攻絲等的切削方式中，但還處于探索階段。隨著科學技術的發(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床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。一個優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應具有很高的計算速度，較強的插補功能，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計(CAD)和工藝安排(CAM)，在使用CAM系統(tǒng)進行高速加工數(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鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應該同時也是一名合格的設計與工藝師，他應對零件的幾何結構有一個正確的理解，具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設計的知識和概念。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、高速切削加工技術的應用


    目前國際上高速切削加工技術主要應用于汽車工業(yè)和模具行業(yè)，尤其是在加工復雜曲面的領域，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領域，顯示了強大的功能。其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。國內(nèi)高速切削加工技術的研究與應用始于20世紀90年代，應用于模具、航空、航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，作為制造業(yè)的重要基礎的模具行業(yè)迅速發(fā)展，這為高速銑削技術的應用和發(fā)展提供了廣闊的空間。高速銑削加工技術加工時間短，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。因為電極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)點在資金回轉要求快、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，這又促進了高速銑削技術的發(fā)展。

    六、結束語


    高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一，它會隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發(fā)展而邁上更高的臺階。但我們也應清醒的看到，高速切削技術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)控技術和綠色制造技術等等。同時高速切削所用的CNC機床，車、銑、鉆等刀具，CAD/CAM軟件等技術含量高，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的推廣應用。