【摘 要】隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，高速切削技術(shù)成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，其應(yīng)用將大幅度地提高加工效率和加工質(zhì)量。高速切削技術(shù)涉及高速切削加工工藝、切削機(jī)理、高速切削所用的刀具、機(jī)床等諸多因素。本文著重介紹了高速切削各相關(guān)技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)，并對(duì)高速切削技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控技術(shù) 數(shù)控高速加工 數(shù)控加工技術(shù)

【中圖分類號(hào)】TG659 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674－4810（2011）20－0198－02

一 高速加工在技術(shù)上的優(yōu)勢

高速加工在切削原理上是對(duì)傳統(tǒng)切削認(rèn)識(shí)的突破。在國外的高速加工試驗(yàn)中已證實(shí)，當(dāng)切削速度超過一定值（600m/min）后，切削速度再增高，切削溫度反而降低，在切削過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)入切削被帶走，而且當(dāng)切削速度超過某一數(shù)值后，切削力近似保持不變。經(jīng)過理想的高速加工后，切屑變形及其收縮加工的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用對(duì)航空制造業(yè)有著重要的意義。高速加工自身必須是一個(gè)各相關(guān)要素相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，是多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用，為此機(jī)床廠商應(yīng)進(jìn)行大力的開發(fā)研制，推出與高速加工相關(guān)的新技術(shù)設(shè)備。

二 數(shù)控高速加工的現(xiàn)狀

高速加工技術(shù)跟隨引進(jìn)的先進(jìn)數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線、刀具（工具）、數(shù)控機(jī)床（設(shè)備），在機(jī)械制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的管理模式、技術(shù)隨之融入企業(yè)。在我國航天航空、汽輪機(jī)、模具等行業(yè)，不同程度地應(yīng)用了高速加工技術(shù)，相對(duì)于汽車制造業(yè)而言，這類機(jī)械制造行業(yè)基本上屬于工藝離散型制造業(yè)，其高速加工技術(shù)主要表現(xiàn)在對(duì)高速數(shù)控機(jī)床與刀具技術(shù)的應(yīng)用上。

目前，國內(nèi)已引進(jìn)的加工中心、數(shù)控鏜、銑床主軸轉(zhuǎn)速一般≤8000r/min（極少有12000r/min），快進(jìn)速度≤40m/min。對(duì)鑄鋁、鍛鋁合金體、高強(qiáng)度鑄鐵和結(jié)構(gòu)鋼件，多采用超細(xì)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具材料和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結(jié)構(gòu)刀具應(yīng)用相對(duì)較少，加之機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速偏低，一般不能進(jìn)入高速切削領(lǐng)域。以銑削加工為例，這些行業(yè)加工鋁合金工件：切削速度＜1000m/min，進(jìn)給速度＜15m/min，每齒進(jìn)刀量＜0.35mm。車削：切削速度＜700m/min。銑削鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼（含不銹鋼）工件：切削速度＜500m/min，進(jìn)給速度＜10m/min，每齒進(jìn)刀量＜0.3mm。上述行業(yè)中，數(shù)控設(shè)備利用率僅為1/4左右。

三 數(shù)控高速加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的前提和關(guān)鍵。具有高精度的高轉(zhuǎn)速主軸，具有控制精度高的高軸向進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度的軸向進(jìn)給系統(tǒng)，又是高速機(jī)床的關(guān)鍵所在。

1．高速主軸

高速主軸是高速切削最關(guān)鍵的零件之一。目前，主軸轉(zhuǎn)速在10000～20000r/min的加工中心越來越普及，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min、200000r/min、250000r/min的實(shí)用高速主軸也正在研制開發(fā)中。高速主軸轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會(huì)引起高溫和變形，為此對(duì)高速主軸提出如下性能要求：（1）高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速范圍；（2）足夠的剛性和較高的回轉(zhuǎn)精度；（3）良好的熱穩(wěn)定性；（4）大功率；（5）先進(jìn)的潤滑和冷卻系統(tǒng)；（6）可靠的主軸監(jiān)測系統(tǒng)。

2．快速進(jìn)給系統(tǒng)

高速切削時(shí)，為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅度提高。目前，高速切削進(jìn)給速度已高達(dá)50～120m/min，要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣的進(jìn)給速度對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的要求。而且由于機(jī)床上直線運(yùn)動(dòng)行程一般較短，高速加工機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)較高的進(jìn)給加減速才有意義。為了適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高速化的要求，在高速加工機(jī)床上主要采用如下措施：一是采用新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積很小，其摩擦系數(shù)僅為槽式導(dǎo)軌的1/20左右，而且使用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后，“爬行”現(xiàn)象可大大減少；二是高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠或粗螺距多頭滾珠絲杠，其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速度；三是高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化，高速切削機(jī)床已開始采用全數(shù)字交流伺服電機(jī)和控制技術(shù)；四是為了盡量減少工作臺(tái)重量但又不損失剛度，高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；五是為提高進(jìn)給速度，更先進(jìn)、更高速的直線電機(jī)已經(jīng)發(fā)展起來。

3．高速切削刀具技術(shù)

第一，刀具材料。高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親和力要小，并具有優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，抗沖擊、耐磨損，目前常用的有單涂層或多涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石等。

第二，高速切削刀具結(jié)構(gòu)。高轉(zhuǎn)速引起的離心力在高速切削中會(huì)使抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都較低的刀片發(fā)生斷裂，會(huì)帶來危險(xiǎn)，高速切削刀具必須滿足動(dòng)平衡要求。動(dòng)平衡一般對(duì)小直徑刀具要求不嚴(yán)，對(duì)大直徑刀具或盤類刀具要求嚴(yán)格。外伸較長的刀具，必須進(jìn)行動(dòng)平衡。另外需要對(duì)刀具、夾頭、主軸等每個(gè)元件單獨(dú)進(jìn)行平衡，還要對(duì)刀具與夾頭組合體進(jìn)行平衡。最后，將刀具連同主軸一起進(jìn)行平衡。

第三，高速切削刀柄系統(tǒng)。針對(duì)剛性不足、ATC（自動(dòng)換刀）的重復(fù)精度不穩(wěn)定、受離心力作用的影響較大、刀柄錐度大等問題，相繼開發(fā)了刀柄與主軸內(nèi)孔錐面和端面同時(shí)貼緊的兩面定位刀柄。兩面定位刀柄主要有兩類：一類是對(duì)現(xiàn)有7B24錐度刀柄進(jìn)行的改進(jìn)性設(shè)計(jì)，如BIG－PLUS、WSU、ABSC等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設(shè)計(jì)的1B10中空短錐刀柄系統(tǒng)，有德國開發(fā)的HSK、美國開發(fā)的KM及日本開發(fā)的NC5等幾種形式。

4．高速切削工藝

高速切削具有加工效率高、加工精度高、單件加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。高速加工和傳統(tǒng)加工工藝有所不同，傳統(tǒng)加工認(rèn)為高效率來自低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進(jìn)給、單行程，而在高速加工中，高轉(zhuǎn)速、中切深、快進(jìn)給、多行程則更為有利。高速切削NC編程需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程加以修改。零件程序要求精確并必須保證切削負(fù)荷穩(wěn)定。多數(shù)CNC軟件中的自動(dòng)編程還不能滿足高速切削加工的要求，需要由人工編程加以補(bǔ)充。應(yīng)采用一種全新的編程方式，使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特性曲線。目前，Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM軟件，都已添加了適合于高速切削的編程模塊。

四 結(jié)束語

高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)的制造技術(shù)之一，其產(chǎn)生是市場經(jīng)濟(jì)全球化和各種先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。在此背景下，高速加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。高速加工的巨大吸引力在于實(shí)現(xiàn)高速加工的同時(shí)，保證高速加工精度。航空航天、汽車及模具制造業(yè)對(duì)高速加工的認(rèn)同與強(qiáng)烈要求，推動(dòng)著高速加工技術(shù)在國際上的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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〔責(zé)任編輯：李錦雯〕