高速加工技術初探

高速加工技術基于金屬（非金屬）傳統切削加工技術、自動控制技術、信息技術和現代管理技術，逐步發展成為綜合性系統工程技術，現已廣泛實用于生產工藝流程型制造企業，如現代轎（汽）車生產企業。隨著個性化產品的社會需求增加，其生產條件為多品種、單件小批制造加工。在機械制造業中，這種生產模式將占到總產值的70%。筆者認為，高速加工技術必將在生產工藝離散型或混和型企業中（如模具、能源設備、船舶、航天航空等制造企業）得到進一步應用和發展。那么，什么是高速加工呢？所謂高速加工，就是指切削速度高于臨界速度的切削加工。對不同的切削材料和不同的切削方式來說，高速切削定義的切削速度的范圍也不同。對于銑削鋁、鎂合金，切削速度大于1000m/min，可稱為高速加工；而對于加工鑄鐵或鋼，切削速度大于305m/min，就可以稱為高速加工。隨著技術的發展，高速加工的概念也在不斷變化。一般而言，高速銑削除了具有高的切削速度和主軸轉速外，還應具有高的進給速度。

一、高速加工的優點

第一，由于采用高的切削速度和高的進給速度，高速加工能在單位時間內切除更多的金屬材料，因而切削效率高。

第二，在高速加工的時候，可以采用較少的步距，達到提高零件表面質量的目的，采用高速加工技術，可以使得零件表面達到磨削的效果。

第三，由于高速加工時切削力大大降低，大部分切削熱被切屑帶走，因而工件的變形大大減少。

第四，高的切削速度意味著高的主軸轉速，機床運轉激勵的振動頻率能大大高于工藝系統的固有頻率，因而使機床和工藝系統的振動小，工作平穩，這也有利于提高被加工零件的精度和表面質量。

第五，由于高速加工時，切削溫度較低，單位切削力較小，因而刀具的耐用度能得到提高。

高速加工技術主要涉及機床、刀具和高速加工數控編程（CAM技術）3個方面。目前，高速加工機床和刀具技術已取得了相當進展，為高速加工技術得廣泛應用奠定了基礎。

二、高速加工機床

實施高速加工技術，首先應有高速加工機床。高速加工機床具有不同于傳統數控機床的特點。

第一，高速加工機床的主軸部件，要求采用耐高溫、高速、能承受大的負荷的軸承。同時，主軸動平衡性能好，有良好的熱穩定性，能夠傳遞足夠的力距和功率且能承受高的離心力。主軸的剛性好，有恒定的力矩，帶有檢測過熱裝置和冷卻裝置。

第二，高速加工機床的進給系統一般采用直線電機驅動，能夠實現高的進給速度，達到大的加速度。

第三，高速加工機床采用高性能的數控系統，克服傳統數控機床的運算速度低和伺服滯后等缺陷，從而能實現高精密伺服控制、高速數控運算和全公差控制功能。

第三，高速加工的機床結構一般通過優化設計采用較輕的移動部件，從而能獲得高的加速度特征。

第五，為了能獲得高的靜態和動態剛度，適應高速旋轉的需要，高速加工機床對刀具有嚴格的要求。尤其是對主軸于刀柄的聯結有特殊的要求，廣泛使用的ＨＳＫ刀具一般使用110的小錐度，而不使用傳統的大錐度刀柄。

第六，高速加工具有數控代碼預覽功能，即高速加工機床的數控系統在進行切削加工的過程中，其讀取的加工代碼可以有一定量的超前，以便于機床調整進給速度以適應刀具軌跡變化的需要。

三、高速加工刀具系統

由于機床主軸轉速和切削速度都很高，所以對刀柄的結構和刀具的材料有很高要求。

1.高速加工用刀柄技術

在高速化方面，刀柄要求具有以下的特性：非平衡質量??；安裝到主軸的精度高；不可降低主軸在高速時的結合特性；高速更換性能；切削刀具的夾持精度要高；在高速時，不可降低切削刀具的夾持力。

為了達到以上的要求，德國HSK（1:10）刀柄系統將刀柄完全做成對稱來提高平衡精度，利用兩面拘束解決安裝精度，用1:10短刀柄利于換刀且使刀柄輕量化。

2.高速加工用刀具材料

（１）超硬材料。例如，立方氮化硼（CBN）主要加工淬硬鋼、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等。低含量CBN（45%-65%）主要用于精加工45-61HRC的淬硬鋼，聚晶金剛石（PCD）勝任有色金屬的高速切削，加工PCD刀具能以2500-5000m/min的高速切削含硅量<12%的鋁合金。

（２）涂層硬質合金刀具。硬質合金刀具的硬涂層可提高刀具壽命和生產率?；瘜W氣相沉積（CVD）技術已從早期的單涂層發展到現在的由TiC、TiN、TiCN、Al2O3復合多涂層與中溫（MT）CVD TiCN涂層，而且通過選擇涂層的順序及涂層的總厚度，滿足特種金屬切削的要求。尤其是Al2O3涂層，可提供包括高的抗擴散性磨損、優良的抗氧化性和高的熱硬度等極好的高溫性能。所以，在鑄鐵及鋼等材料的高速加工中被廣泛應用。

四、高速加工數控編程（CAM技術）

目前，有關適合高速加工編程的CAM系統的研究，引起了較為廣泛的重視。在許多商用CAD/CAM系統，如英國Ddlcom公司的Powermill、以色列的Cimatron、德國SIEMENS公司的Siemens NX、PTC公司的Pro/e、CNC公司的Mastercam等，在傳統的CAM模塊中，添加了適合于高速加工編程的工藝策略。概括起來，主要有如下一些方法：

1.采用光滑的進刀、退刀方式

采取輪廓的切向進退刀方式，以保證刀具軌跡的平滑。在對曲面進行加工時，可采用斜向或螺旋式的進刀方式。

2.采用光滑的移刀方式

在行間切削用量（行間距）較大的情況下，采用高爾夫球竿頭式移刀方式。在環切的情況下，一種是圓弧切出與切入連接。這種方法的缺點是在加工3D復雜零件時，由于移刀軌跡直接在兩個刀具路徑之間生成圓弧，在間距較大的情況下，會產生過切。因此，該方法一般多用于在加工中所有的刀具路徑都在一個平面內的2.5軸加工。另一種是空間螺線式移刀。這種方法由于移刀在空間完成，避免了上面方法的缺點。在進行等高加工時，切削層之間應采用多種螺旋式的移刀方式。

3.加工殘余分析功能

許多軟件提供了適用于高速加工的“加工殘余分析”的功能。這一功能使得ＣＡＭ系統能夠準確地知道每次切削后加工殘余所在的位置。這既是保持刀具負載不變的關鍵，更是關系到高速加工成敗的關鍵。

4.采用新的加工方法

（１）基于毛坯殘留知識的加工。整個過程的思想就是始終保持刀具切到材料，減少空走刀，以達到提高加工效率的目的。在具有這一加工方式的CAM軟件中，一旦指定初始毛坯，并設定之后的加工為基于殘余毛坯的方式，系統在計算下一步刀位時，總是基于上一步加工后的殘余毛坯。因為有了當前毛坯信息，隨后產生的刀具軌跡就可以做到比較優化、合理。

（２）擺線加工。為了提高切削速度，人們提出一種被稱為“擺線”加工的刀位軌跡計算新方法。這種加工方式是使用切削刀具的側刃來切削被加工材料?！皵[線”是圓上一固定點隨著圓沿直線滾動時生成的軌跡。一般來說，“擺線”是這樣一種曲線：假如曲線Ａ上有一固定點，當Ａ沿另一曲線Ｂ進行無滑動的滾動時，固定點的軌跡就是擺線?！皵[線”加工非常適合高速銑削，因為切削的刀具總是沿著一條具有固定半徑的曲線運動。在整個加工過程中，它使刀具運動總能保持一致的進給率。

（作者單位：河南省南陽市高級技工學校）