高速加工技術機理及應用

摘要：本文介紹了高速加工的概念，闡述了高速切削加工的機理及特點，分析了高速加工技術鏈的要求及實現，介紹了高速加工技術的應用。

關鍵詞：高速加工；機理；技術鏈；應用

中圖分類號：TG506文獻標志碼：A文章編號：1671－7953(2009)03－0078－04

高速加工技術的應用與發展已有10多年的歷史，作為現代先進制造技術之一的高速加工技術代表了切削加工的發展方向，并逐漸成為切削加工的主流技術。一般凡切削速度、進給速度高于常規值 5～10倍以上，稱為高速加工。由于高速加工的高切削速度和高進給速度可顯著提高加工效率和加工精度、降低切削力、減小切削熱對工件的影響、實現工序集中等，因此已在模具制造、汽車制造、航空航天、精密機械等領域得到廣泛應用，并取得了良好的技術經濟效益。

1高速加工技術機理

在常規狀態下隨著切削速度、進給速度的增加，切削力、切削熱都會不斷增加，刀具磨損也會加劇。而高速加工技術的切削速度在高于常規加工5～6倍時，確能達到良好的切削效果，這是高速加工所特有切削機理所決定的。

1.1高速加工技術機理

1931年，德國切削物理學家薩洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一個假設，即同年申請了德國專利(Machine with high cutting speeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個臨界切削速度V₀，在切削速度達到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當切削速度達到普通切削速度的 5～6倍時，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小。這說明高速切削比常規切削輕快，兩者的機理也不同。

從圖1中可以看出，當切削速度達到一定值時，切削刃口的溫度開始隨切削速度的增大而降低，從圖2中我們了解到隨切削速度的增加切削力也會有所下降。

圖3是通過熱輻射測量傳統切削過程中熱量產生的效果圖，由于傳統切削一般采用較大的切深，較小的切削速度，因此傳統切削的特點是大量但是較慢的材料去除率。

2高速加工技術鏈

高速加工技術是一個非常龐大而復雜的系統工程，它涵蓋了機床材料的研究及選用技術，機床結構設計和制造技術，高性能CNC控制系統、通訊系統，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統，高精度快速進給系統，高性能刀具夾持系統，高性能刀具材料、刀具結構設計和制造技術，高效高精度測試測量技術，高速切削機理，高速切削工藝，適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關的硬件和軟件技術。

圖5所示是完成高速加工一般所必須的技術鏈，高速切削加工要獲得良好的應用效果，3必須將高性能的高速切削機床、與工件材料相適應的刀具和對于具體加工對象最佳的加工工藝技術相結合。

2.1高速加工刀具系統

事實上，直接參與切削加工的對象是刀具，因此刀具在機械加工過程中所起的作用至關重要。為達到理想的高速加工效果，需要從刀具材料、幾何參數、懸伸長度、夾頭、刀柄、切削參數、切削幾何關系、走刀路線、潤滑冷卻等各方面采取措施，盡可能減少刀具壽命的降低，提高加工效率及加工質量。

1)刀具材料。高速切削刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，其硬度、耐磨性、強度、韌性、耐熱性、工藝性和經濟性等性能是實現高速加工的關鍵因素。對不同材料的工件高速切削時，刀具的選用要注意與工件材料的匹配，由于轉速較高，刀具直徑不宜太大，一般直徑不超過16mm。

2)刀柄結構。高速切削加工時，刀柄與主軸的聯接在大多數高速切削機床上采用圓錐空心柄(HSK)為主，它具有：重量輕、重復使用時裝夾和定位精度高、剛度高、并可傳送大的轉矩；裝夾力隨轉速升高而加大。它是德國工業界聯合研究的成果，目前已列入國際標準。為適應高速加工的回轉精度及動平衡，也常采用熱裝刀柄。

3)夾頭。高速加工要求刀具裝夾具有穩定的高精度、高動平衡性及夾持可靠性。目前，在高速精密加工技術中常用熱裝式夾頭、液壓夾頭和力縮夾頭等三種新型夾頭。

2.2高速切削機床

高速切削機床是高速切削應用的基本條件，是實現高速切削的關鍵技術之一，也是實現高速加工的前提和基本條件。高速機床技術主要包括高速單元技術(或稱功能部件)和機床整機技術［7］。單元技術包括高速主軸、高速進給伺服系統、高速 CNC控制系統等；機床整機技術包括機床床身、冷卻系統、安全設施和加工環境等。

2.2.1高速主軸

高速主軸是高速切削的首要條件，對于不同的工件材料，目前的切削速度可達5-100m／s。主軸的轉速與刀具的直徑有關，采用小直徑球頭銑刀時，主軸轉速可達100000r／min。

2.2.2高穩定性的機床支撐部件

高速加工在要求機床高速的同時，還要求機床具有高精度和高的靜、動剛度和抗震性。因此，高速切削機床的床身等支撐部件應具有很好的動、靜剛度、熱剛度、吸震性和最佳的阻尼特性。

2.2.3高速進給伺服系統

為了實現高速切削加工，機床不但要有高速主軸，還要有高速的進給伺服系統，這不僅是為了提高生產效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件。

2.2.4高性能的CNC控制系統

高速切削加工要求CNC控制系統有快速處理數據的能力，來保證高速加工時的插補精度。高速切削加工對數控系統的基本要求為：高速的數字控制回路、先進的插補方法。

2.3高速切削的CAM軟件

高速切削有著比傳統切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。一個優秀的高速加工CAM編程系統應具有很高的計算速度，較強的插補功能，全程自動過切檢查及處理能力，自動刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能，進給率優化處理功能，待加工軌跡監控功能，刀具軌跡編輯優化功能，加工殘余分析功能等等。

3高速加工技術應用

目前國際上高速切削加工技術主要應用于航空航天工業、汽車工業和模具工業等的如下領域：

1)有色金屬加工。如鋁、鋁合金，特別是鋁的薄壁加工。目前已經可以切出厚度為0.1mm、高為幾十毫米的成型曲面。

2)石墨加工。在模具的型腔制造中，由于采用電火花腐蝕加工，因而石墨電極被廣泛使用。但石墨很脆，所以，必須采用高速切削才能較好地進行成型加工。

3)模具制造。特別是淬硬模具的加工。由于淬硬的材料可以直接從供應商處購買，因此采用高速切削可以直接將模具切出，這不單單是省去了過去機加工一電加工的幾道工序，節約工時，還由于目前高速切削已經可以達到很高的表面質量，因此省去了電加工后面的磨削和拋光的工序。

4)硬的、難切削的材料的加工。如耐熱不銹鋼等。

5)大批生產領域。如汽車工業，如美國福特汽車公司與Ingersoll公司合作研制的HVM800臥式加工中心及鏜汽缸用的單軸鏜缸機床以實際用于福特公司的生產線。

4結束語

高速切削技術是切削加工技術的主要發展方向之一，是一項全新的、正在發展之中的先進實用技術，在工業發達國家已得到廣泛的應用，取得巨大的經濟和社會效益。它會隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發展而邁上更高的臺階。但高速切削技術自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數據庫、開發適用于高速切削加工狀態的監控技術和綠色制造技術等等。但國內已進口了大批高速加工設備，也開發了多種高速機床和加工中心，還有許多可供應高速切削刀具系統的工具企業，只要充分認識高速切削加工技術的優越性和巨大經濟效益的潛力，很有可能把我國高速切削加工技術的應用推進到一個新水平。

參考文獻

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