高速切削技术概述

刘亚军

　　一、高速切削技术概述
　　1931年4月德国物理学家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理论，并于同年申请了专利。他指出：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。由于实验条件的限制，当时高速切削无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示。
4 w& w+ Z! t: I+ e1 X5 d8 P　　高速加工技术经历了理论探索，应用探索，初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广。特别是20世纪80年代以来，航空工业和模具工业的需求大大推动了高速加工的应用。飞机零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、长桁、框等，它们有很薄的壁和筋，加工中金属切除率很高，容易产生切削变形，加工比较困难；另外，飞机制造厂方也迫切要求提高零件的加工效率，从而缩短飞机的交付时间。在模具工业和汽车工业中，模具制造是一个关键，缩短模具交货周期，提高模具制造质量，也是人们长期努力的目标。高速切削无疑是解决这些问题的一条重要途径。自20世纪90年代起，高速加工逐步在制造业中推广应用。目前，据统计，在美国和日本，大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国，这个比例高于40%。在飞机制造业中，高速切削已经普遍用于零件的加工。
　　目前高速切削已经有了一定的应用，但要给高速铣削下一个确切的定义还较困难，高速切削的切削速度范围较难给出。高速切削是一个相对概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍。对常用材料，一些资料给出了大致数据：铝合金1500～5500 m/min；铜合金900～5000 m/min；钛合金100～1000 m/min；铸铁750～4500 m/min；钢600～800 m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为2～25m/min。
. Q3 G. d& d: ?- H. w　　二、高速切削技术的优势
　　高速切削之所以得到工业界越来越广泛的应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：
" |$ h8 z  z$ z' y　　1.可提高生产效率
% ^0 O0 o) {8 }8 C  ~　　高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。
　　2.降低了切削力
; P! M4 @$ v2 o3 @( j3 s! B/ x　　由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，参见图1。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。
* n& {( h  F0 d/ {3 u. _  U; R　　3.提高了加工质量
　　因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
　　4.加工能耗低，节省制造资源
* }7 j. ~# B$ o7 ^　　由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。
0 F9 Z' ]2 t: O　　5.简化了加工工艺流程
　　常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。图2为某模具制造中采用常规加工与高速切削加工的工序比较。
) ~0 @) i, T4 ]+ [& o& R/ a1 Z% ~　　三、高速铣削加工工艺
　　安全、高效和高质量是高速切削的主要目标。高速加工按目的分为两种情况：以实现单位时间最大材料去除量为目的的高速加工和以实现单位时间最大加工表面积为目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。
+ I  Y( p8 r5 e6 x' F& h+ _　　由于高速铣削要求切削载荷均匀，没有剧烈的变化，因此除铝合金和非铁合金外，通常粗加工可采用有较高金属切除率的常规铣削。精加工时由于余量较均匀，采用高速铣削能达到很高的走刀速度，切削更多的表面积。对小的零件，从粗加工到精加工都可采用高速铣削。在粗加工后的半成品工件上，怎样用半精加工方法获得余量比较均匀的半成品毛坯，为精加工采用高速铣削创造条件；另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和设置切削参数，采用先进的走刀方法等，这些都是要考虑的重要问题。
　　对于一个高速铣削加工任务来说，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体考虑，设计出一个合理的加工方案，从总体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势，这就是高速铣削工艺设计的原则。
　　1.粗加工
　　粗加工的目标是追求单位时间的最大切除量，表面质量和轮廓精度要求不高，重要的是让机床平稳地工作，避免切削方向和载荷急剧变化。
& R7 Q0 e8 D7 }4 x　　为了防止切削时速度矢量方向的突然改变，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角。所有进刀、退刀、步距和非切削运动的过渡也都尽可能圆滑，如在平面铣削中，可采用螺旋或倾斜方式(倾角为5°左右)的垂直进退刀运动、圆弧方式的水平进退刀运动；而在曲面轮廓铣中，使用切圆弧的进退刀运动等。
　　刀具通常采用球头铣刀和平底圆角铣刀，采用2.5轴加工方式，加工时充分利用主轴的加工功率。
　　为了平稳地加工硬化了的材料，步距通常不得大于刀具直径的6%～8%，深度不超过刀具直径的10%。分层切削能控制切削载荷均匀，在粗加工中常采用此法。
" d7 ~6 T# B! f% U　　2.半精加工
1 W* r. E& ], F3 c, k  V4 ^0 F: v　　半精加工的目的是把前道工序加工后的残留加工面变得平滑，同时去除拐角处的多余材料，在工件加工面上留下一层比较均匀的余量，为精加工的高速铣削做准备。半精加工应沿着粗加工后的棱状轮廓进行铣削，以便使切入过程稳定，并减小切削力波动对刀具的不利影响。另外，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁地进退刀。
) w0 f  U% o% a+ D# z　　以前的CAM系统(包括目前的一般系统)基本上没有基于残留模型的编程功能。粗加工以后，不是针对残留材料作后续加工，而是以一个假设的、估计的“毛坯”作为加工对象，来进行半精加工的刀位轨迹计算。这样得到的加工指令，在实际切削过程中会出现空切现象，造成切削状态不连续，引起刀具震动或撞击，缩短了刀具寿命，并容易造成加工缺陷。现在，一些顶尖的CAD/CAM系统已推出了这项技术。如在UG中，粗加工后可生成工件的残留材料模型(IPW)，然后以该残留材料模型为毛坯，生成半精加工操作。这样可去除空刀，减小刀具切入/切出材料时的冲击，延长刀具寿命，并可获得较为均匀的加工余量，为高速铣削精加工创造条件。
9 a) Q* V- Z" Z, I: g5 d　　3.精加工
　　精加工的目的是按照零件的设计要求，达到较好的表面质量和轮廓精度。精加工的刀位轨迹紧贴零件表面，要求平稳、圆滑，没有剧烈的方向改变。精加工中除需对工艺参数进行优化外，还建议采用下面的加工顺序：外轮廓加工、凸起规范几何体的加工、自由型面的加工、阶梯层面加工、平面加工和凹陷规范几何体的加工等。
( \/ ]# S2 p8 b. ^0 T* {　　四、结论
　　在高速切削加工中，机床、夹具、刀具、数控系统及软件等只是必要装备，加工工艺方法及参数设定等因素才是直接影响加工是否成功的重要因素。这些因素需要经验的积累及反复实践和总结，才能真正发挥高速切削加工的优势。
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