高速切削的加工技術(shù)和高速機床

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。

有人認為，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軌，代替過去的滑動導軌，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，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，只有達到了上述標準才能稱之為高速。

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：

(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， 南京航空航天大學購買了MIKRON的主軸為18000r/min機床，上海交大、大連理工大學等也買了主軸轉(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，尚未正式進入大學課堂，如果一些教授、導師們的頭腦中還是空白，那怎么去教學生、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。