探析高速切削加工技术在数控机床中的应用

探析高速切削加工技术在数控机床中的应用作者：任群生

来源：《数字化用户》2013年第10期

【摘要】随着经济的快速发展，科学技术水平的不断提高，先进的工程技术、机械加工技术都得到了广泛的应用。高速切削加工技术是机械加工技术的重要组成部分，将其引入到数控机床中不仅能够提高数控机床的工作水平和工作效率，而且能够极大限度的节约资源，保护环境。因此，本文首先阐述高速切削的含义、发展现状以及适用于高速切削的材料种类，然后分析高速切削机床的技术要求，明确高速切削加工中相关部件的选择，最后，对高速切削加工技术在数控机床中的应用性进行展望，从而提高高速切削加工技术的实用性。

【关键词】高速切削数控机床刀柄刀具材料技术要求

在机械加工技术中，高速切削是最常用的加工方法之一。这是因为高速切削具有高效率、高环保性能、高精度的特点，因此，在机械加工中高速切削不仅能够做到省时环保，而且还能够极大地提高产品质量，降低资源损耗。数控机床作为机械制造的重要工具和加工平台，加强高速切削技术的引入和应用对于提高机械加工效率具有重要的推动作用。

一、高速切削技术的含义、发展现状及适用对象

（一）高速切削技术的含义

所谓切削是指利用刀具或砂轮等工具对工件上的冗余材料、冗余设计部分进行切除和削减的过程。高速切削是在传统刀具切削的基础上发展起来的一种新型切削技术，因此高速切削具有传统切削技术的特点和功能，但是高速切削技术在提高生产率、降低生产成本、提高加工精细程度等方面要优于传统的切削技术。

高速切削技术是一项复杂的系统工程，因为高速切削技术涉及的领域大而广，如机床结构的设计技术、数控机床的控制系统以及刀具结构的设计和制造技术等。因此，要想充分发挥高速切削技术的优势，需要对各领域内的技术指标进行充分的考虑和定位，实现高速切削技术与各个子系统中相关控制指标的结合，从而确保高速切削技术的可靠性。

（二）高速切削技术的发展现状

高速切削技术的应用离不开高速运转的机床支撑平台，因此，开发和研制数控机床能够拉动切削技术的发展。自20世纪90年代以来，随着高速切削加工机床的普及，以高速切削、高精度运作为主要特征的高速切削加工技术得到了快速的发展。

（三）高速切削技术的适用对象

高速切削技术不是对任何一种材料都能够进行加工和制造，而是针对一部分材料的切削工作有效。在常用的制造加工材料中，有三类材料可以用于高速切削，这三类材料分别为：轻金属材料、钢材和铸铁材料以及超级合金材料。

1.轻金属材料。在轻金属材料中，铝合金是最常见的轻金属材料。由于铝合金不仅具有良好的抗腐蚀性和导电导热性，而且具有较好的韧性、拉伸性和延展性，这些特点决定了其快速成型能力，因此铝合金被广泛额应用于汽车制造业中。另外，铝镁合金在铸件的构造中使用较为广泛，这是因为轻合金的切割性能较好，在切削的过程中不仅能够带走大部分的热量，从而降低合金的热变形程度，而且切削速度较高，从而能够提高切削的精度。

2.钢材和铸铁。在对钢材进行高速切削时，会选择较锋利的切削刃，并且严格控制切削的后角，这样不仅能够减少刀具的磨损，延长刀具的使用年限，还能够实现钢材快速准确的切削。在对铸铁进行高速切削时，加强刀具材料的选取是提高切削速度和切削质量的重要参考系数和指标。

3.超级合金。超级合金的高速切削需要选择适当的刀具，如氧化铝刀具、PCBN刀具等都可以提高切削的速度和精度。

二、高速切削技术在数控机床应用中的技术要求

（一）高速主轴单元的运行条件

高速切削机床区别于普通机床的关键在于高速主轴单元的设计。高速主轴单元的设计是进行高速切削操作的核心部件。高速主轴单元的运转需要具备的条件包括：具有较高的同轴度、较高的传递力矩、较高的传动功率、良好的冷却装置、良好的平衡性、较高的角加速度以及良好的动态性能。

（二）高速主轴单元技术参数的设定

高速主轴单元的技术参数需要满足：

第一，主轴的转速较高，一般每分钟要大于1000转，高速主轴的转速多为普通机床转速的5到10倍；

第二，高速主轴机床的输出功率一般设定为20千瓦到80千瓦，这样不仅可以实现高速切削、高效率加工，还能够实现重荷载材料和部件的切削；

第三，高速主轴单元在运转的启动过程中仅需1到2秒即可达到最高转速，即启动时间和制动时间较短。这就反映出了主轴单元的加速度要高于普通机床，其参数一般设定为（1—8）g（g=9.8lm/s2）。

三、高速切削加工中相关部件的选择

在高速切削加工的操作中，需要进行相关部件的选择，因为适宜的、有效的部件不仅能够提高生产效率，而且还能够极大地减少机械配件的磨损，延长机械配件的使用年限，因此选择恰当的切削工具对切削工作是十分必要的。

（一）高速切削部件选择：刀柄的选择

刀柄系统是高速切削加工技术的重要部分，因此，选择适合高速切削加工的刀柄对切削工作具有积极的推动作用。

1.ER弹性夹套。ER弹性夹套由于性价比和切削精度较高，因此适用于高速切削加工。ER 弹性夹套的优势主要表现在：ER弹性夹套的同心性较好，因此可以能够加速旋转向心力；ER 弹性夹套的直径小，因此夹套的夹力较大；ER弹性夹套的使用需要平衡螺帽的协助，从而增强ER弹性刀柄的稳定性和平衡性。

2.热缩式刀柄。热缩式刀具采用的是新型的设计理念和技术，虽然热缩式刀柄对刀具具有一定的限制性，但是热缩式刀柄具备以下特点：向心性较好，热缩式刀柄的直径相对较小，因此使得热缩式刀具的离心力低；热缩式刀柄的材质均匀，平衡度高，而且还具有加热系统。热缩式刀具的特点决定了其实用性。

3.强力铣夹刀柄。强力铣夹刀柄的使用范围具有一定的局限性，其适用于大直径的刀具。强力铣夹刀柄的优点主要表现在同心力和同心性较高，刀柄的夹紧力度较大，因此，在高速切削过程中，强力铣夹刀柄是确保大直径刀具发挥切削功能的重要保证。

4.液压刀柄。液压技术在很多领域中都有广泛的应用，液压刀柄是液压技术与刀柄设计的完美融合。液压技术的应用使得刀柄的拆卸工作更为方便，而且能够进行准确的切削定位。液压刀柄的优点为：同心性好，直径小，便于刀具的清洁和擦拭。

5.高精度HP夹套。高精度HP夹套与ER弹性夹套相似，但是二者的夹紧方式不相同，高精度的HP夹套主要是通过定位进行刀具夹紧，因此，高精度的HP夹套具有更高的精度水平，而且经济性较高。高精度HP夹套的优点为：同心性好，夹紧的力度较大，直径小，容易进行刀具的清洁工作，容易进行动平衡操作。

（二）高速切削部件选择：刀具材料的选择

刀具材料的选择问题是制约高速切削运作的重要参数，因此，加强刀具材料的选择对高速切削操作是至关重要的。

1.涂层材料刀具。涂层刀具中的涂层材料主要分为两大类，一类为硬涂料，如常见的TiC、TiN等涂层刀具，这两种涂料具有很强的抗磨损能力；另一类为软涂料，如常见的WS