試論數控高速切削加工技術(shù)的發(fā)展與應用研究

　　摘要：本文系統介紹了數控高速切削加工的基礎理論及發(fā)展過(guò)程,分析了高速加工的優(yōu)點(diǎn)和應用領(lǐng)域，總結了發(fā)展數控高速切削加工需要的關(guān)鍵技術(shù)和研究方向。

　　關(guān)鍵詞：高速切削　關(guān)鍵技術(shù)　應用研究

　　數控高速切削技術(shù)(High Speed Machining,HSM，或High Speed Cutting,HSC)，是提高加工效率和加工質(zhì)量的先進(jìn)制造技術(shù)之一，相關(guān)技術(shù)的研究已成為國內外先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域重要的研究方向。我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結構調整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步落后。研究先進(jìn)技術(shù)的理論和應用迫在眉睫。

　　1、數控高速切削加工的含義

　　高速切削理論由德國物理學(xué)家 Carl.J.Salomon在上世紀三十年代初提出的。他通過(guò)大量的實(shí)驗研究得出結論：在正常的切削速度范圍內，切削速度如果提高，會(huì )導致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損;然而，當切削速度提高到某一定值后，只要超過(guò)這個(gè)拐點(diǎn)，隨著(zhù)切削速度提高，切削溫度就不會(huì )升高，反而會(huì )下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過(guò)高而造成刀具磨損不利于切削的問(wèn)題，獲得良好的加工效益。

　　隨著(zhù)制造工業(yè)的發(fā)展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎上逐漸形成了數控高速切削技術(shù)研究領(lǐng)域，數控高速切削加工技術(shù)在發(fā)達國家的研究相對較早，經(jīng)歷了理論基礎研究、應用基礎研究以及應用研究和發(fā)展應用，目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)質(zhì)應用階段。

　　關(guān)于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來(lái)看，認為切削速度超過(guò)常規切削速度5-10倍即為高速切削。也有學(xué)者以主軸的轉速作為界定高速加工的標準，認為主軸轉速高于8000r/min即為高速加工。還有從機床主軸設計的角度，以主軸直徑和主軸轉速的乘積DN定義，如果DN值達到(5～2000)×105mm.r/min，則認為是高速加工。生產(chǎn)實(shí)踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應不同。一般認為車(chē)削速度達到(700～7000)m/min，銑削的速度達到(300～6000)m/min，即認為是高速切削。

　　另外，從生產(chǎn)實(shí)際考慮，高速切削加工概念不僅包含著(zhù)切削過(guò)程的高速，還包含工藝過(guò)程的集成和優(yōu)化，是一個(gè)可由此獲得良好經(jīng)濟效益的高速度的切削加工，是技術(shù)和效益的統一。

　　高速切削技術(shù)是在機床結構及材料、機床設計、制造技術(shù)、高速主軸系統、快速進(jìn)給系統、高性能CNC系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術(shù)、高效高精度測量測試技術(shù)、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展基礎之上綜合而成的。因此，高速切削技術(shù)是一個(gè)復雜的系統工程，是一個(gè)隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展而不斷發(fā)展的概念。

　　2、數控高速切削加工的優(yōu)越性

　　由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術(shù)不僅提高了切削加工的生產(chǎn)率，和常規切削相比還具有一些明顯的優(yōu)越性：第一、切削力�。涸诟咚�銑削加工中,采用小切削量、高切削速度的切削形式,使切削力比常規切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少。既減輕刀具磨損，又有效控制了加工系統的振動(dòng)，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高:采用高速切削，切削速度和進(jìn)給速度都大幅度提高，相同時(shí)間內的材料切除率也相應大大提高。從而大大提高了加工效率。第三、工件熱變形小:在高速切削時(shí)，大部分的切削熱來(lái)不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，因此加工表面的受熱時(shí)間短，不會(huì )由于溫升導致熱變形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力學(xué)性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高:高速切削通常進(jìn)給量也比較小，使加工表面的粗糙度大大降低，同時(shí)由于切削力小于常規切削，加工系統的振動(dòng)降低，加工過(guò)程更平穩，因此能獲得良好的表明質(zhì)量，可實(shí)現高精度、低粗糙度加工。第五、綠色環(huán)保：高速切削時(shí)，工件的加工時(shí)間縮短，能源和設備的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時(shí)由于高速切削可以實(shí)現干式切削，減少甚至不用切削液，減少污染和能耗。

　　3、數控高速切削技術(shù)的應用領(lǐng)域研究

　　鑒于以上所述高速切削加工的特點(diǎn)，使該技術(shù)在傳統加工薄弱的領(lǐng)域有著(zhù)巨大應用潛力。首先，對于薄壁類(lèi)零件和細長(cháng)的工件，采用高速切削，切削力顯著(zhù)降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補采用傳統方法時(shí)由于切削力和切削熱的影響而造成其變形的問(wèn)題，大大提高了加工質(zhì)量。其次，由于切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復合材料、耐磨鑄鐵等用傳統方法難以加工的材料，可以研究采用數控高速切削技術(shù)來(lái)加工。另外，在汽車(chē)、模具、航天航空等制造領(lǐng)域, 一些整體構件需要比較大的材料切除率，由于數控高速切削的進(jìn)給速度可隨切削速度的提高而相應提高, 使得單位時(shí)間內的材料切除率大大提高，因而在模具制造、汽車(chē)制造、航空航天制造中，數控高速切削技術(shù)的應用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。第四，由于高速切削時(shí)，加工過(guò)程平穩、振動(dòng)小，與常規切削相比, 高速切削可顯著(zhù)提高加工精度1～2級,完全可以取消后續的光整加工, 同時(shí)，采用數控高速切削技術(shù), 能夠在一臺機床上實(shí)現對復雜整體結構件同時(shí)進(jìn)行粗、精加工,減少了轉工序中可能的定位誤差, 因而也有利于提高工件的加工精度。因此, 高速切削技術(shù)在精密制造中有著(zhù)廣闊的應用前景。如某企業(yè)加工的鋁質(zhì)模具，模具型腔長(cháng)達1500mm，要求尺寸精度誤差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm，原先的制造工藝為：粗刨—半精刨—精刨—手工鏟刮— 手工拋光，制造周期要60小時(shí)。采用高速銑床加工后，經(jīng)過(guò)半精加工和精加工，加工周期僅需6小時(shí)，不僅效率提高，而且模具質(zhì)量也大大提高。

　　4、實(shí)現數控高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　數控高速切削加工是一個(gè)復雜的系統工程，涉及到切削機理、切削機床、刀具、切削過(guò)程監控及加工工藝等諸多相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)，數控高速切削技術(shù)的實(shí)施和發(fā)展，依賴(lài)于此系統中的各個(gè)組成要素的，這些實(shí)現數控高速切削技術(shù)離不開(kāi)的關(guān)鍵技術(shù)，具體體現在以下方面：

　　1)高速切削機理：有關(guān)各種材料在高速加工條件下，切屑的形成機理，切削力、切削熱的變化規律，刀具磨損規律及對加工表面質(zhì)量的影響規律，對以上基礎理論的實(shí)驗和研究，將有利于促進(jìn)高速切削工藝規范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝制定提供理論基礎，屬于原理技術(shù)。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規范和切削用量的確定，是高速切削生產(chǎn)中的難點(diǎn)，也是高速切削加工領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。

　　2)高速切削機床技術(shù)模塊：高速切削機床需要高速主軸系統、快速進(jìn)給系統和高速CNC控制系統。高速加工要求主軸單元能夠在很高的轉速下工作，一般主軸轉速10000 r/min以上，有的甚至高達60000-100000r/min，且保證良好動(dòng)態(tài)和熱態(tài)性能。其中關(guān)鍵部件是主軸軸承，它決定著(zhù)高速主軸的壽命和負載容量，也是高速切削機床的核心部件之一，主軸結構的改進(jìn)和性能的提高是高速機床的一項重要單元技術(shù)。另一項重要的單元技術(shù)是高速進(jìn)給系統。隨著(zhù)機床主軸轉速的提高，為保證刀具每齒或每轉進(jìn)給量不變，機床的進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度也相應提高，同時(shí)空行程速度也要提高。因此，機床進(jìn)給系統必須快速移動(dòng)和快速準確定位，這顯然對機床導軌、伺服系統、工作臺結構等提出了新的更高要求，是制約高速機床技術(shù)的關(guān)鍵單元技術(shù)。

　　3)高速切削刀具技術(shù)模塊：由機床、刀具和工件組成的高速切削加工工藝系統中，刀具是最活躍的因素。切削刀具是保證高速切削加工順利進(jìn)行的最關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著(zhù)切削速度的大幅度提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數、刀體結構等都提出了不同于傳統速度切削時(shí)的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技術(shù)都發(fā)生了巨大的變化，高速切削加工時(shí)，要保證高的生產(chǎn)率和加工精度，更要保證安全可靠。因此，高速切削加工的刀具系統必須滿(mǎn)足具有良好的幾何精度和高的裝夾重復定位精度，裝夾剛度，高速運轉時(shí)良好的平衡狀態(tài)和安全可靠。盡可能減輕刀體質(zhì)量，以減輕高速旋轉時(shí)所受到的離心力，滿(mǎn)足高速切削的安全性要求，改進(jìn)刀具的夾緊方式。刀具系統的技術(shù)研究和發(fā)展是數控高速切削加工的關(guān)鍵任務(wù)之一。

　　4)數控高速切削工藝：高速切削作為一種新的切削方式，要應用于實(shí)際生產(chǎn)，缺乏可供參考的應用實(shí)例，更沒(méi)有實(shí)用的切削用量和加工參數數據庫，高速加工的工藝參數優(yōu)化是當前制約其應用的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，高速切削的零件NC程序要求必須保證在整個(gè)切削過(guò)程中載荷穩定，但是現在使用的多數CNC軟件中的自動(dòng)編程功能都還不能滿(mǎn)足這一的要求，需要由人工編程加以補充和優(yōu)化，這在一定程度上降低了高速切削的價(jià)值，必須研究采用一種全新的編程方式，使切削數據適合高速主軸的功率特性曲線(xiàn)，充分發(fā)揮數控高速切削的優(yōu)勢。

　　高速切削加工技術(shù)的發(fā)展和應用有賴(lài)于以上原理方面、機床、刀具、工藝等各項關(guān)鍵單元技術(shù)的發(fā)展和綜合。

　　5、高速切削技術(shù)應用方面研究狀況和發(fā)展趨勢

　　由于高速切削在提高生產(chǎn)效益方面具有巨大潛力，早己成為美、日、德等國競相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域。美國日本等國早在60年代初，就開(kāi)始了超高速切削機理的研究。上世紀70年代，美國已經(jīng)研制出最高轉速達20000r/min 的高速銑床。如今，歐美等發(fā)達國家生產(chǎn)的不同規格的各種超高速機床已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并進(jìn)入市場(chǎng)，在飛機、汽車(chē)及模具制造行業(yè)實(shí)際應用。例如，在美國波音公司等飛機制造企業(yè)，已經(jīng)采用數控高速切削加工技術(shù)超高速銑削鋁合金、鈦合金等整體薄壁結構件和波導管、撓性陀螺框架等普通方法難加工的零件。近年來(lái)，美、歐、日等國對新一代數控機床、高速加工中心、高速工具系統的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，高性能的電主軸技術(shù)及其產(chǎn)品的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)步伐加大;高性能的刀具系統技術(shù)也進(jìn)展迅速;直線(xiàn)電機技術(shù)應用于高速進(jìn)給系統。

　　我國在研究和開(kāi)發(fā)高速切削技術(shù)方面，許多高校和研究所作了努力和探索，包括切削機理、刀具材料、主軸軸承、等方面，也取得了相當大的成就。 然而，與國外工業(yè)發(fā)達國家相比，仍存在著(zhù)較大的差距，基本上還處在實(shí)驗室的研究階段。為適應社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展需要，滿(mǎn)足航空航天、汽車(chē)、模具等各行業(yè)的制造需求，數控高速切削技術(shù)應用研究任重道遠。

　　目前，針對高速切削技術(shù)的研究已從實(shí)驗階段轉向應用階段。在應用方面的研究包括兩個(gè)層面：一是高速加工關(guān)鍵技術(shù)的基礎理論研究，包括高速主軸單元和高速進(jìn)給單元等，實(shí)現高速機床國產(chǎn)化。另一方面，在現有實(shí)驗室實(shí)踐技術(shù)基礎上，進(jìn)行工藝性能和工藝范圍的應用研究。其中，關(guān)于高速切削工藝的研究是當前最活躍的研究領(lǐng)域之一，主要目標是通過(guò)試驗或引進(jìn)的先進(jìn)設備直接進(jìn)行工藝研究，努力解決關(guān)鍵零部件的加工工藝問(wèn)題，開(kāi)發(fā)和完善特種材料的高速切削工藝方法;研究開(kāi)發(fā)適應高速加工的CAD/CAM軟件系統和后處理系統，建立在新型檢測技術(shù)基礎上的加工狀態(tài)安全監控系統。

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