数控高速切削加工

浅析数控高速切削加工
【摘要】数控高速切削加工以高效率和高精度为基本特征，它在切削机理上是对传统切削的重大突破，是近20多年来迅速崛起的先进制造技术之一。

文章介绍了“数控高速切削加工”的内涵、优势、应用现状和发展趋向，提出了在实现高速切削加工中应关注的主要问题。

【关键词】高速；加工机理；优势；推广价值
1.前言
高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用能够得到解决。

“高速切削”的概念是由德国物理学家
carl.j.salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度与切削温度理论。

该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。

随后，高速切削技术的发展经历了4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段（193l—l971年），高速切削的应用探索阶段（1972-1978年），高速切削实用阶段（1979--1984年），高速切削推广阶段（20世纪90年代至今）。

对高速切削加工的界定有以下几种划分思路：一是以主轴转速作为界定高速切削加工的尺度，认为主轴转速在10000-20000r/min 以上即为高速切削加工；二是以主轴直径d和主轴转速n的乘积dn 来界定，当dn值达到（5～2000）×105mm.r/min，则认为是高速
切削加工，新近开发的加工中心主轴dn值大都已超过100万；三是以切削速度高低来区分，认为切削速度跨越常规切削速度5至10倍即为高速切削加工。

2.数控高速切削加工的优势
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。

同时，高速切削加工的“量小速快”使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，十分有利于刚性差和薄壁零件的加工。

高速切削加工中，主轴转速的提高使切削系统的工作频率远离了机床的低阶固有频率，提高了切削系统的刚性，进而使产品表面质量获得提高。

数控高速切削加工和常规切削相比的主要优势可归纳为：第一，生产效率可提高3～10倍。

第二，切削力可降低30%以上。

第三，切削热95%被切屑及时带走，特别适合加工容易热变形的零件。

第四，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，适合加工精密零件。

第五，经济效益明显。

3.数控高速切削加工的应用
数控高速切削工艺的应用，能使制造成本降低20%左右，产生新的经济增长点。

以某锻造厂加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工→仿形铣粗加工型槽→热处理→外形精加工→数控电火花粗、精加工型槽→钳工打磨抛光型槽→表面强化处理。

而采用高速切削加工后的工序为：外形粗加工→热处理→外形精加
工→高速铣加工型槽→表面强化处理。

通过高速铣削加工直接完成淬硬钢模具，使生产成本从传统工艺的27000多元降到22000元。

高速切削加工具备过程平稳、振动小的特点，与常规切削相比，可提高加工精度1～2级，并能取消后续的光整加工。

同时，采用数控高速切削加工工艺，可以在一台机床上实现对复杂整体结构件的粗、精加工，减少了转工序中多次装夹带来的定位误差，也有利于提高工件的加工精度。

如某企业加工的铝质模具，模具型腔长达1500mm，要求尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度ra0.8μm。

原先的制造工艺为：粗刨→半精刨→精刨→铲刮→抛光，制造周期为60小时。

采用高速切削加工工艺后，改为半精加工和精加工，加工周期仅需6小时，加工效率提高近10倍。

可见，高速切削加工在制造业中有着广阔的应用前景。

4.数控高速切削加工的关键环节
高速切削加工不仅包含着切削过程的高速，还包含了工艺过程的集成和优化，可谓是加工工艺的统一。

高速切削加工是在数控装置、机床结构及材料、机床设计、制造工艺、高速主轴系统、快速进给系统、高性能cnc系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造工艺、高效高精度测量测试工艺、高速切削工艺等诸多技术均获得充分成熟之后综合而形成，可谓是一个复杂的系统工程。

高速切削加工应用中还存在着一些有待解决的问题，如对高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损内因的研究，高
速切削数据库的建立，适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术的开发等。

数控高速切削加工所用的cnc机床、刀具和cad/cam软件等，价格昂贵，初期投资较大，在一定程度上也制约着高速切削技术的推广应用。

实现数控高速切削加工的关键环节如下：
4.1高速切削机理的研究
高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。

与传统的切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。

各类材料在高速加工前提下，切屑的形成机理，切削力、切削热的转变规律，刀具磨损规律及对加工概况质量的影响规律，都有了极大的变化。

通过对以上理论的研究，有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择，为具体零件和材料的加工工艺拟定能够提供理论依据。

4.2高速切削机床的配备
高速切削机床是实现高速切削加工的必备条件，高速主轴系统、快速进给系统和高速cnc控制系统是关键。

它要求具备高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。

通常，选用高速数控车床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床，
它们都具有高速主轴系统和高速进给系统。

一般主轴转速在10000r/min以上，有的甚至高达60000-100000r/min，且要保证动态和热态机能。

也可釆用高速丝杆或直线电机，提高机床进给系统的快速响应。

目前，直线电机最高加速度可达2-10g（g为重力加速度），最大进给速度可达60-200m/min或更高。

4.3高速切削工艺的刀具
随着切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工艺都要能适应新的环境。

刀具系统必需具有较高的几何精度和装夹再定位精度，以及较高的装夹刚度。

高速切削刀具除了满足静平衡外还必需满足动平衡要求，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速扭转时所受到的离心力。

高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（cbn）、聚晶金刚石等，高速切削刀具刀刃的外形正向着高刚性、复合化、多刃化和超精加工方向发展。

4.4数控编程系统要求
高速切削有着比传统切削更特殊的工艺要求，除了要具备高速切削机床和高速切削刀具外，还要有合适的cam编程软件。

高速加工的cam编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等特点。

高速切削应用程序首先要注意加工的安全性和有效性；其次，要保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；第三，要尽量使刀具载荷均匀，这会直
接影响刀具的寿命。

通常，使用的cnc软件中的编程功能都不能满足在整个切削过程中保证切削载荷不变的要求，需要由人工加以填补和优化，这在一定程序上降低了高速切削的价值。

因此，必需研究一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特征，充分发挥数控高速切削加工的优势。

目前，引进的cam软件，如cimatron、mastercam、ug、pro/e等，都在逐步增添适合于高速切削的编程模块，为高速切削加工的应用提供了良好的条件。

5.结束语
由于数控高速切削加工在提高生产效益、降低制造成本中潜力巨大，美国、日本等国早在上世纪60年代初，就起动了超高速切削机理的研究。

1978年美国完成了对高速加工数控铣床的改造，完成主轴转数30000r/min与100000r/min的重要参数指标。

现在，欧美等发达国家生产的各类超高速机床已经实现商业化，在飞机、汽车及模具制造行业中获得了大量的应用。

我国在研究和开发高速切削工艺方面，与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距。

为适应社会经济发展需要，满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求，必需加强对高速加工工艺基本理论的研究，加快高速主轴单元和高速进给单元的开发，努力实现高速机床的国产化，开发适应高速加工的cad/cam自主软件系统和后置系统，建立新型检测工艺监控系统。

发展数控高速切削加工是提高加工效率和质量、降低成本的主要途径，把当前的高速切削水平实用化，使我国机械加工业整体切削效率提高1～2倍，缩小
与工业发达国家的差距，是我国从事制造行业专业人员在新世纪的奋斗目标。

参考文献：
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