高速切削工藝

一、高速切削技術(shù)概述

    1931年4月德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High Speed Cutting）的理論，并于同年申請(qǐng)了專利。他指出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削溫度不但不會(huì)升高反而會(huì)降低，且該切削速度VC與工件材料的種類有關(guān)。對(duì)于每一種工件材料都存在一個(gè)速度范圍，在該速度范圍內(nèi)，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進(jìn)行。要是能越過這個(gè)速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度地提高生產(chǎn)效率。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，當(dāng)時(shí)高速切削無法付諸實(shí)踐，但這個(gè)思想給后人一個(gè)非常重要的啟示。

    高速加工技術(shù)經(jīng)歷了理論探索，應(yīng)用探索，初步應(yīng)用和較成熟應(yīng)用等四個(gè)階段，現(xiàn)已在生產(chǎn)中得到了一定的推廣。特別是20世紀(jì)80年代以來，航空工業(yè)和模具工業(yè)的需求大大推動(dòng)了高速加工的應(yīng)用。飛機(jī)零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、長(zhǎng)桁、框等，它們有很薄的壁和筋，加工中金屬切除率很高，容易產(chǎn)生切削變形，加工比較困難；另外，飛機(jī)制造廠方也迫切要求提高零件的加工效率，從而縮短飛機(jī)的交付時(shí)間。在模具工業(yè)和汽車工業(yè)中，模具制造是一個(gè)關(guān)鍵，縮短模具交貨周期，提高模具制造質(zhì)量，也是人們長(zhǎng)期努力的目標(biāo)。高速切削無疑是解決這些問題的一條重要途徑。自20世紀(jì)90年代起，高速加工逐步在制造業(yè)中推廣應(yīng)用。目前，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)和日本，大約有30%的公司已經(jīng)使用高速加工，在德國(guó)，這個(gè)比例高于40%。在飛機(jī)制造業(yè)中，高速切削已經(jīng)普遍用于零件的加工。

    目前高速切削已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，但要給高速銑削下一個(gè)確切的定義還較困難，高速切削的切削速度范圍較難給出。高速切削是一個(gè)相對(duì)概念，它與加工材料、加工方式、刀具、切削參數(shù)等有很大的關(guān)系。一般認(rèn)為，高速切削的切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍。對(duì)常用材料，一些資料給出了大致數(shù)據(jù)：鋁合金1500～5500 m/min；銅合金900 ～5000 m/min；鈦合金100～1000 m/min；鑄鐵750～4500 m/min；鋼600～800 m/min。各種材料的高速切削進(jìn)給速度范圍為2～25m/min。

二、高速切削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

    高速切削之所以得到工業(yè)界越來越廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗�相�?duì)傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下特點(diǎn)：

1.可提高生產(chǎn)效率

    高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。

2.降低了切削力

    由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30%。這對(duì)于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。

3. 提高了加工質(zhì)量

    因?yàn)楦咚傩�轉(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

4.加工能耗低，節(jié)省制造資源

    由于單位功率的金屬切除率高、能耗低、工件的在制時(shí)間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

5. 簡(jiǎn)化了加工工藝流程

    常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工。

三、高速銑削加工工藝

    安全、高效和高質(zhì)量是高速切削的主要目標(biāo)。高速加工按目的分為兩種情況：以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間最大材料去除量為目的的高速加工和以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間最大加工表面積為目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。

    由于高速銑削要求切削載荷均勻，沒有劇烈的變化，因此除鋁合金和非鐵合金外，通常粗加工可采用有較高金屬切除率的常規(guī)銑削。精加工時(shí)由于余量較均勻，采用高速銑削能達(dá)到很高的走刀速度，切削更多的表面積。對(duì)小的零件，從粗加工到精加工都可采用高速銑削。在粗加工后的半成品工件上，怎樣用半精加工方法獲得余量比較均勻的半成品毛坯，為精加工采用高速銑削創(chuàng)造條件；另外，在粗加工和半精加工時(shí)，如何選用刀具和設(shè)置切削參數(shù)，采用先進(jìn)的走刀方法等，這些都是要考慮的重要問題。

    對(duì)于一個(gè)高速銑削加工任務(wù)來說，要把粗加工、半精加工和精加工作為一個(gè)整體考慮，設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的加工方案，從總體上達(dá)到高效率和高質(zhì)量的要求，充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢(shì)，這就是高速銑削工藝設(shè)計(jì)的原則。

1.粗加工

    粗加工的目標(biāo)是追求單位時(shí)間的最大切除量，表面質(zhì)量和輪廓精度要求不高，重要的是讓機(jī)床平穩(wěn)地工作，避免切削方向和載荷急劇變化。

    為了防止切削時(shí)速度矢量方向的突然改變，在刀軌拐角處需要增加圓弧過渡，避免出現(xiàn)尖銳拐角。所有進(jìn)刀、退刀、步距和非切削運(yùn)動(dòng)的過渡也都盡可能圓滑，如在平面銑削中，可采用螺旋或傾斜方式（傾角為5°左右）的垂直進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)、圓弧方式的水平進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)；而在曲面輪廓銑中，使用切圓弧的進(jìn)退刀運(yùn)動(dòng)等。

    刀具通常采用球頭銑刀和平底圓角銑刀，采用2.5軸加工方式，加工時(shí)充分利用主軸的加工功率。

    為了平穩(wěn)地加工硬化了的材料，步距通常不得大于刀具直徑的6%～8%，深度不超過刀具直徑的10%。

    分層切削能控制切削載荷均勻，在粗加工中常采用此法。

2.半精加工

    半精加工的目的是把前道工序加工后的殘留加工面變得平滑，同時(shí)去除拐角處的多余材料，在工件加工面上留下一層比較均勻的余量，為精加工的高速銑削做準(zhǔn)備。半精加工應(yīng)沿著粗加工后的棱狀輪廓進(jìn)行銑削，以便使切入過程穩(wěn)定，并減小切削力波動(dòng)對(duì)刀具的不利影響。另外，半精加工時(shí)刀具的切削應(yīng)盡量連續(xù)，避免頻繁地進(jìn)退刀。

    以前的CAM系統(tǒng)（包括目前的一般系統(tǒng)）基本上沒有基于殘留模型的編程功能。粗加工以后，不是針對(duì)殘留材料作后續(xù)加工，而是以一個(gè)假設(shè)的、估計(jì)的“毛坯”作為加工對(duì)象，來進(jìn)行半精加工的刀位軌跡計(jì)算。這樣得到的加工指令，在實(shí)際切削過程中會(huì)出現(xiàn)空切現(xiàn)象，造成切削狀態(tài)不連續(xù)，引起刀具震動(dòng)或撞擊，縮短了刀具壽命，并容易造成加工缺陷�，F(xiàn)在，一些頂尖的CAD/CAM系統(tǒng)已推出了這項(xiàng)技術(shù)。如在UG中，粗加工后可生成工件的殘留材料模型（IPW），然后以該殘留材料模型為毛坯，生成半精加工操作。這樣可去除空刀，減小刀具切入/切出材料時(shí)的沖擊，延長(zhǎng)刀具壽命，并可獲得較為均勻的加工余量，為高速銑削精加工創(chuàng)造條件。

3. 精加工

    精加工的目的是按照零件的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到較好的表面質(zhì)量和輪廓精度。精加工的刀位軌跡緊貼零件表面，要求平穩(wěn)、圓滑，沒有劇烈的方向改變。精加工中除需對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，還建議采用下面的加工順序：外輪廓加工、凸起規(guī)范幾何體的加工、自由型面的加工、階梯層面加工、平面加工和凹陷規(guī)范幾何體的加工等。

四、結(jié)論

    在高速切削加工中，機(jī)床、夾具、刀具、數(shù)控系統(tǒng)及軟件等只是必要裝備，加工工藝方法及參數(shù)設(shè)定等因素才是直接影響加工是否成功的重要因素。這些因素需要經(jīng)驗(yàn)的積累及反復(fù)實(shí)踐和總結(jié)，才能真正發(fā)揮高速切削加工的優(yōu)勢(shì)。