高速切削加工技术的特点及应用要求

维普资讯 http://www.cqvip.com 第６卷第１Ｏ期２００６年５月　科学技术与工程　Ｖｏ１．６　Ｎｏ．１０　Ｍａｙ　２００６　１６７１－１８１５（２００６）１０—１４０４—０３　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　⑧２００６　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　冶金学　高速切削加工技术的特点及应用要求　熊建武　周　进　陈湘舜　（湖南铁道职业技术学院机电工程系，株洲４１２００１）　摘要高速切削加工是一种高效、高质、高精度低能耗的新型加工方法。高速切削加工技术的有效运用，对机床、刀具、控制　系统、编程、工艺流程、设计系统等都有更高的要求。　关键词高速切削加工　特点　应用要求　中图法分类号ＴＧ５０６．１；　文献标识码Ａ　ｍｉｎ；铣肖０（３００～６　０００）ｍ／ｒａｉｎ；钻肖０（２００～１　１００）　１　高速切削加工　ｍ／ｒａｉｎ；磨削（９　０００—２１　６００）ｍ／ｒａｉｎ。按材料划定　高速切削范围：镍基合金７０　ｍ／ｒａｉｎ以上，钛合金　高速切削加工（ＨＳＭ或ＨＳＣ）的概念源于德国　１２０　ｍ／ｍｉｎ以上，钢材３８０　ｍ／ｍｉｎ以上，铸铁７００　ｍ／　的切削物理学家萨洛蒙（Ｃａｒｌ　Ｊ．Ｓａｌｏｍｏｎ）…，认为一　ｍｉｎ以上，铝材１１００　ｍ／ｍｉｎ以上，塑料１　１５０　ｍ／ｍｉｎ　定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温　以匕。　度最高。在常规切削范围内　切削温度随着切削速　度的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度　２　高速切削加工的特点　后，切削速度再增大，切削温度反而下降，切削力也　会大幅度下降。按照他的假设，在具有一定速度的　高速切削加工与传统的切削加工主要区别在　高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比　于主轴转速、进给速度、加工速度和切削参数等方　较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高　面。高速切削加工采用高转速、快进给、快的加工　速切削，从而大幅度地减少切削时问，成倍地提高　速度和小切削参数；而传统数控加工采用低转速、　机床的生产率，且还将给切削过程带来一系列的优　低进给、低的加工速度和大切削参数。高速切削加　良特性。　工具有下列特点¨。　。　高速切削加工不能简单地用某一具体的切削　（１）高速切削大大提高了加工效率，缩短了加　速度值来定义，但是，通常把切削速度比常规高出５　工时问。与传统切削方法相比，高速切削进给速度　～１０倍以上的切削加工叫高速切削加工。按加工　提高（５～１０）倍，单位时问的材料切除率提高（３～　工艺规定的高速切削范围：车削（７００—７　０００）Ⅱ　６）倍，甚至更高，大大提高了能源和设备的利用率；　２００６年２月３日收到　湖Ｉ＿｝『铁道职业技术学院科研规划项目　而且粗加工，半精加工和精加工可在一台机床一次　（川铁院办［２００４］３６号、［２００４］７２　完成，避免多次装夹产生的安装误差，极大地提高　号）资助　第一作者简介：熊建武（１９６４一），男，湖南安化县人，工学硕士，　了加工精度。美国洛克希德飞机公司在高速铣削　高级工程师、副教授，研究方向：模具设计与精暂切削。　通讯作者简介：周进（１９６５一），女，湖南南县人，高级讲师，研　铝合金时，当主轴转速从４　０００　ｒ／ｍｉｎ提高到２０　０００　究方向：计算机应用与机电工程。　ｒ／ｍｉｎ时，材料切除率增加３倍，单位功率的材料切　Ｅ・ｍａｉｌ：ｘｉｏｎｇｊｉａｎｗｕ２００６＠１２６．ｃｏｍ；ｘｉｏｎｇｊｉａｎｗｕ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ。　除率可达到（１３０～１６０）ｃｍ。／ｍｉｎ・ｋＷ，是普通铣削　维普资讯 http://www.cqvip.com １Ｏ期　熊建武，等：高速切削加工技术的特点及应用要求　１４０５　的（４—５）倍。在ＲＢ６２５超高速外圆磨床上由毛坯　直接磨成曲轴，每分钟可磨除２　金属，是普通外　圆磨床的磨削量的数十倍。　（２）刀具和工件受热影响小。９５％～９８％的切　削热被切屑带走，工件基本保持冷态。实验证明当　切削速度超过６００　ｍ／ｒａｉｎ后，切削时工件温度的上　升在大多数情况下不会超过３ｃｃ，故特别适合加工　易产生热变形的零件。　（３）工件表面质量好。由于切屑在瞬间切离工　件，使得工件表面的残余应力非常小；同时由于高　速切削机床的激振频率远远高于机床的高阶固有　频率，使得工件加工往往处于“无振动”的切削状　态，因而能获得较好的表面质量。采用高速车削可　加工淬硬钢，表面粗糙度Ｒａ可低于０．６　ｍ；以１　３２５　ｍ／ｍｉｎ的速度铣削灰铸铁工件，获得的表面粗　糙度Ｒａ仅为０．５３　ｍ，取得了以铣代磨，以车代磨　的加工效果，节约了大量磨削抛光时问。　（４）“有利于薄壁零件加工”。由于切削速度　高，切削参数小，切削力降低３０％一９ｏ％，尤其是径　向力大幅减小，特别适用于薄壁细肋件的高速精密　加工。国外采用数控高速切削加工技术加工铝合　金、钛合金薄壁零件的最小壁厚可达０．００５　ｍｍ。　（５）高速切削可加工各种难加工材料。对于镍　基合金和钛合金使用传统加工方法，切削温度高，　刀具磨损严重，而采用高速切削加工，切削速度可　达（１００—１　０００）ｍ／ｍｉｎ，可有效减少刀具磨损，提高　加工质量。对于硬脆材料和高塑性材料，采用高速　切削加工亦可得到较满意的加工质量。　３　高速切削加工技术的应用要求　高速切削加工时，高转速和快进给，机床设备、　工件和切削刀具的状态与普通切削加工时差异很　大，对机床、刀具、控制系统、编程、工艺流程、设计　系统等都有更高的要求　。　３．１　高速切削加工对机床的要求　（１）机床的功率必须足够大，而且主轴加速度　大，以满足在加工时对机床功率速度变化的需求。　（２）机床必须配备结构紧凑的高速主轴，高速　进给丝杠，高速、高精度的插补系统，快速响应数控　系统和高精度的伺服系统。主轴的轴向窜动和径　向跳动小，并具有良好的动平衡性能。　（３）机床必须配备实心的台架，有效消除切削　加工振动，提高机床的稳定性。　（４）机床伺服电动机线速度高，并且能提供恒　定的速率，速度变化不超过０．Ｏ１％。　（５）机床数控系统必须具备程序预读、转角自　动减速、优化插补、可适用于通用计算平台等功能，　如西门子８４０Ｄ／８４０Ｅ，ＦＡＮＵＣＩ５０ｉ等系统。　３．２　高速切削加工对刀具的要求　高速切削加工刀具的结构必须保证高速旋转　状态下的刀具动平衡，并确保刀具寿命。为保证高　速旋转状态下刀具能够绕轴线稳定旋转，目前采用两　种办法，一是采用带有动平衡装置的刀具，此类刀具　在刀套表面安装了机械滑块或采用流体动平衡设计；　另外一种就是采用整体刀具，刀套与刀体合为一体，　以确保刀体与刀套安装过程中安装间隙最小。　高速切削加工刀具的材料，必须具有较长的使　用寿命。常使用涂层刀具，如ＴｉＮ、ＴｉＮＣ、ＴｉＡ１Ｎ及金　刚石涂层刀具。因ＰＣＤ和ＣＢＮ刀具的高耐磨性和　寿命，常用作高速切削加工刀具。　３．３　高速Ｊｊｕ－ｒ对切削参数的要求　高速加工的切削参数宜采用更高的切削速度，　精加工时更少的加工余量，更密的刀轨以及更小的　切深，特别是在自由曲面上，切深一般在（０．０２～　０．１）ｍｍ，如果使用细小直径刀具，如（０．３—０．８）　ｍｍ直径的刀具时，切深应更小，一般情况下为（０．　００８～０．０２）ｍｍ，精细紧密的刀轨会极大地降低加　工表面的粗糙度值。在主轴转速一定的情况下，要　注意控制切削深度，包括刀具的轴向切削深度和刀　具的径向切削深度。粗加工，使用轴向小切深，多　次分层切削出加工余量，精加工，小余量高速切削。　刀具路径连接参数也很重要，合理制订连接参　数，特别是粗加工合理的连接参数，可以大大减少　不必要的抬刀，提高加工效率，应尽量减少掠过距　离、下切距离和斜向进刀时的进刀高度。　３．４　高速加工对编程的要求　选择合适的走刀方法，克服因改变进给方向时　维普资讯 http://www.cqvip.com 科学技术与工程　６卷　机床惯性对加工质量的影响，以生成安全、有效和　度。因此，在加工过程中认真地考虑每个加工因素　精确的刀具路径和理想的曲面精度。尽量在空走　是非常重要的，最好是所使用的ＣＡＭ系统具有这样　刀的时候换向，不在切削刀具处于切削状态的时候　的分析功能。此外，自动特征识别、高速加工支持、　改变方向，且在改变进给方向之前降低进给速度。　进给速率优化、自动收集最佳惯量等功能均是应该　在两层之间加工最好选择螺旋线的方式进行铣切　具备的，其他还有以下几个方面要求：　的方式，尽量不要直接下刀。在加工型腔等特殊形　（１）ＣＡＭ应具有很高的计算编程速度，　状时，由于刀具没有办法导出，因此，在编程时转角　（２）能够对加工干涉进行检验，　部分应尽量采用圆弧过渡，以使转向变得尽量平　（３）具有进给率优化功能，　稳。如果能在转角的时候适当降低进给速度，效果　（４）具有符合加工要求的丰富的加工策略，　就会更好。刀具在工件内部进刀时，应该始终以螺　（５）应保持刀具轨迹的平稳，　旋线或最大角度５。的斜线进刀。　（６）应具有自动识别粗加工剩余材料的功能，　另外，编制工艺流程时，要尽量保持切削条件　（７）具有高速精确的模拟加工功能。　恒定。因为，不同刀具载荷能够引起刀具产生偏　差，这会降低工件精度、曲面精度和刀具寿命。在　４　结语　双向加工中，连续的刀路轨迹应用圆环连接，在加　工矩形转角时，应尽可能地减少加速和减速。　高速切削加工技术是现代的先进制造技术，它　３．５　高速切削加工对ＣＡＤ的要求　可以大幅度地提高生产效率和加工质量，并有效地　高速切削加工过程始于设计阶段。在零件建　降低能耗和加工成本。高速切削加工技术的有效　模时，设定适当的几何公差，或恰当的剪裁曲面，以　运用，对机床、刀具、控制系统、编程、工艺流程、设　防止数据转换丢失而造成表面的分段、断裂和轮廓　计系统等都有更高的要求。　错误。采用能实现ＣＮＣ与ＣＡＤ／ＣＡＭ之间双向无　缝连接的曲面数据转换标准，如１９９７年欧共体提出　参考文献　的新标准ＳＴＥＰ，消除数据不兼容情况。　１　艾兴．高速切削加工技术．北京：国防工业出版社，２００３　３．６　高速加工对ＣＡＭ的要求　２张伯霖．高速切削技术及应用．北京：机械工业出版社，２００２　对于高速铣削，ＣＡＭ必须更改其加工策略，以　３　聂福全．现代高速加工的特点及要求．现代零部件，２００５；（１）　４林宋，田建君．现代数控机床．北京：化学工业出版社，２００３　生成安全、有效和精确的刀具路径及理想的曲面精　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｙ　Ｒｅｑｕｅｓｔ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＸＩＯＮＧ　Ｊｉａｎｗｕ，ＺＨＯＵ　Ｊｉｎ　，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｎｇｓｈｕｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００１）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｅｉｆｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｎｅｗ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｑｕｅｓｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｃｕｔ—　ｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｃｕｔｔｉｎｇ・ｔｏｏｌｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｒａｆｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｔｃ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｐｐｌｙ　ｒｅｑｕｅｓｔ