高速切削技術應用淺析

張寧 賈朝瑾 張帥

【摘 要】隨著高速，高性能，高精密化的數控機床快速發展；金屬切削加工對加工質量和加工效率的要求越來越高。高速切削作為一項新的實用加工技術，克服了一些傳統切削加工的不足，已成為現代切削加工技術的重要發展方向。高速切削以其高效、優質的加工特性逐漸獲得青睞，本文立足于高速切削的加工方式與特點，總結了高速切削技術中包括刀具材料、編程等多方面的理論和經驗。

【關鍵詞】高速加工 切削技術 刀具 編程

高速切削技術之所以得到越來越廣泛的應用，是因為它相對于傳統加工具有幾個顯著的優勢：（1）可以提高生產率，（2）降低了切削力，（3）提高了加工質量；第四，降低了加工能耗，節約了制造資源。高速切削加工較傳統加工雖然有著顯著的優勢，但高速加工在其切削加工過程中也提出了較傳統加工更多的要求。

1 高速切削對刀具材料的要求

（1）優異的高溫力學性能，要求刀具在高溫下保持高的高溫強度、高硬度及抗熱沖擊性。在加工導熱性差的零件時，還應具有良好的導熱性能，以利于切削區熱量的迅速傳出，降低切削區溫度。（2）良好的化學穩定性，減小高溫對化學作用的催化作用，保持刀具材料在高溫下優異的抗黏結性能和抗擴散性能。（3）高可靠性。由于刀具材料組分和結構的分散性，刀具的靜、動態性能會有一定的差別，同時刀具在使用過程中的磨損與破損，將會影響刀具的壽命、質量穩定性及切削刃重復定位精度，因此，刀具材料應具有高的可靠性。目前適合進行高速切削的刀具材料有金剛石（PCD）、立方氮化硼（PCBN）、陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質合金和超細晶粒硬質合金等。

2 高速切削對刀具系統的要求

刀具系統是由裝夾刀柄與切削刀具所組成的完整刀具體系。裝夾刀柄與機床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，兩者都很重要。高速切削加工刀具系統必須滿足以下條件。

（1）系統的剛性。裝夾剛性要好，傳遞轉矩大，體積小。刀具系統的靜，動剛性是影響加工精度及切削性能的重要因素，所以靜動平衡性要好。如果刀具系統剛性不足，將導致刀具系統振動或傾斜，使加工精度和加工效率降低。同時，系統振動又會使刀具磨損加劇，降低刀具和機床的使用壽命。（2）安全性要求高。作為應用于高速切削加工的刀具系統，在高轉速情況下會產生很大的離心力，造成兩種危險：一是普通彈簧夾頭夾緊力會下降；二是大直徑刀具可能會破壞。（3）刀具的平衡。刀具或工具系統由于結構的不對稱或制造、組裝的誤差帶來的偏心，會使刀具相對回轉中心存在不平衡量，在高速旋轉時產生周期的徑向跳動力，作用在主軸的軸承系統，甚至傳遞至機床的其他部位，影響加工質量、刀具壽命和機床的性能。為此，應對高速旋轉刀具的許用平衡量，最高使用轉速做出規定。（4）系統精度高。系統精度包括系統定位夾持精度、刀具重復定位精度以及良好的精度保持性。具備這些精度要求的刀具系統，才能保證高速加工整個系統的靜態和動態穩定性，從而滿足高速，高精加工的要求。

3 高速切削加工對機床系統的要求

（1）使用適用于高速運轉的主軸部件及驅動系統。主軸的變速范圍完全由變頻調速交流主軸電機來實現，并將電機和機床主軸合二為一，構成所謂的電主軸。由于電主軸結構緊湊，重量輕，慣性小，響應特性好，并且避免振動與噪音，因而是高速主軸單元的理想結構。（2）高速主軸單元的核心是高速精密軸承。高速主軸采用的軸承包括空氣軸承，靜壓軸承，動壓軸承，滾動軸承和磁浮軸承。目前空氣軸承受到切削載荷較小及過載能力較小的限制，靜壓軸承則由于摩擦熱及有關功率損失而受到轉速的限制，故這兩種軸承應用受限。動靜壓混合軸承采用流體動力和流體靜力結合的方法，使軸承在油膜支撐中旋轉，具有徑向和軸向跳動精度高、剛度好、阻尼特性好、粗精加工均適用，軸承壽命無限長等優點。（3）高速軸承的應用。在高速旋轉條件下，滾動軸承中滾動體的離心力和陀螺力將急劇增大。為減少滾珠離心力，一般采取兩種措施：一是減少滾珠直徑，二是采用氯化硅陶瓷材料做滾珠。（4）合理的選擇潤滑方式。主軸潤滑為高速主軸轉速的提高起著重要作用，特別是滾動軸承，采用油空氣潤滑或噴油潤滑。采用空氣潤滑后，軸承的DN值將比脂潤滑提高30%--50%。（5）快速反應的數空伺服系統和進給部件高速機床是精密的數控機床。在進行高速切削時，為保持刀具每齒進給量不變，隨著主軸轉速的提高，進給速度也必須大幅提高。（6）高速切屑的處理方法。大流量噴射冷卻系統在高速切削時，單位時間內將產生大量的熱切屑，必須把它迅速從工作臺清除，以免防礙高速切削的正常進行，避免產生機床刀具和工件的熱變形。

使用“三剛”（靜剛度、動剛度、熱剛度）特性都很好的機床支承元件。

4 高速加工程序編制的內容及策略

數控程序編程的主要內容：（1）認真分析加工要求并進行工藝設計，確定加工方案，選擇合適的機床、刀具、夾具，確定合理的走刀線路和切削用量。（2）建立工件的幾何模型，計算加工過程中刀具相對工件的運動軌跡或機床運動軌跡。（3）按照數控系統所接受的程序格式生成零件加工程序，然后對其進行驗證和修改，直到得出合格的加工程序。

相比傳統加工方式，高速加工對工藝走刀方式有著特殊的機能要求，因而在程序編制時要注意以下問題：

（1）避免走刀時刀具軌跡的突然變化，保持加工過程中刀具軌跡的平穩和連續性，避免突然加速或減速，否則會因局部過切造成刀具和設備的損壞。（2）下刀或刀行間過渡部分采用斜式下刀或圓弧下刀，避免直上直下下刀。當刀具與被加工曲面呈90度時，意味著刀具的刃口只有很少一部分在工作，這樣刀具的使用壽命會大大縮短。同時，在給定轉速時，刀具的刀尖相比全刀寬切削時移動的距離較短，導致材料去除率也降低。（3）行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接。（4）除非必要，應盡量避免全刀寬切削。（5）避免多余空刀造成重復計算，這對CAM系統的刀具軌跡編輯優化功能要求也很高，可以通過這些功能對刀具軌跡進行鏡像，復制，旋轉等操作，從而精確地裁減空刀數量以提高效率。

參考文獻：

[1] 鄭貞平，黃云林，黎勝容.VERICUT7.0中文版數控仿真技術與應用實例詳解[M].機械工業出版社，2011.

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