數控高速切削加工技術在機械制造中的應用

凌魁

摘 要：數控高速切削加工技術能夠大幅度提升機械加工質量與加工效率，已成為當前機械制造業發展的必然趨勢，尤其是在汽車制造工業、航空航天工業、模具工業等領域已得到廣泛應用，且成效相當顯著。文章主要圍繞數控高速切削加工技術在機械制造中的技術應用展開分析論述。

關鍵詞：數控高速切削加工技術；機械制造；編程策略；刀具；模具

現如今，數控高速切削加工技術已經逐漸取代組合機床，它的效率更高，技術功能性更強，已成為高科技技術背景下柔性生產線的主力加工設備之一，進一步推動了機械制造生產的柔性化過程。同時，也極大縮短了各類機械產品的開發周期。

1 數控高速切削加工技術的優勢分析

數控高速切削加工技術具有優質、高效、低耗、先進等特點，是現代化機械自動化制造技術。所能提供的進給速度、切削速度都是傳統切削工藝所無法比擬的。同時它的切削機理也有了質的改變，整體切削加工質量呈持續穩步上升發展趨勢。數控高速切削加工的技術優勢主要體現在以下四點。

1.1 切削速度上升

數控高速切削加工技術具有較高的切削速度，比傳統常規切削速度高出3～8倍。且機床的空程速度也有提升，減少了設備非切削的空行程時間，對汽車模具等機械設備的加工效率有大幅度提升。

1.2 高速精密加工

由于數控高速切削加工技術具有相當可觀的切削速度，所以它的切削力會相應平均下降30%左右，特別是徑向切削力下降幅度更大，有利于提高該技術針對薄壁類或剛性較差零件的技術加工。總體而言，數控高速切削加工技術系統整體精度較高，包括系統定位夾持精度與刀具重復定位精度都有良好的精度保持性，所以說該系統中的刀具系統精度要求也相對較高，能夠保持高速切削加工過程中系統整體的動態與靜態穩定性，進而滿足高速、高精度加工技術要求。

1.3 熱變形零件加工

在高速切削技術實施過程中，一般95%～98%甚至以上的切削熱都無法及時傳遞給工件，而被切屑帶走，所以工件會在大部分時間內保持冷態狀態。因此該技術對那些容易產生熱變形的零件更加有效。當然，也要考慮熱變形誤差問題，能夠影響高速高精密數控切削加工技術，特別是對機床等機械設備切削加工過程的影響，所以應該選擇誤差補償技術來消除機床的熱變形誤差問題，該技術具有較高的補償精度，魯棒性較強且經濟效益優異。

1.4 難加工材料的加工

鈦合金、鎳基合金等加工難度偏大，因其整體強度、硬度較大，且耐沖擊，加工過程中也容易出現硬化現象，會產生較高的切削溫度，長此以往刀具很容易嚴重磨損。如果采用高速切削加工技術既可以克服上述問題，也可以提高機械制造生產率，優化模具等產品的表面質量。

2 數控高速切削加工技術在機械制造中的應用

數控高速切削加工技術先進、復雜且系統性較強，對機床、刀柄、刀具、控制系統、CAD/CAM軟件等多項指標的要求更高，以下談談在各種機械制造過程中的關鍵技術應用。

2.1 在銑削加工機床中的技術應用

當前，數控高速切削加工技術主要配合微電子技術、CNC技術、新材料結構基礎技術展開，銑削加工中應用相當廣泛，對機床系統的部件要求也相當高，包括以下三方面。

第一：對機床系統的剛性要求較高，在銑削機床加工制造過程中，需要提供配合高速供給驅動器來實現數控高速切削加工技術的發揮最大化。要求驅動器的快進速度要在40m/min，3D輪廓加工速度也要在10m/min左右，同時還要為銑削系統提供0.4m/s的加速度和0.3m/s的減速度。

第二：對刀柄和主軸的剛性要求較高，一般要求系統轉速要達到10000～50000r/min，主要基于主軸來壓縮空氣，冷卻系統，以控制刀柄與主軸二者之間的軸向間隙在0.00762mm以內。

第三：對加工工藝的可靠性要求較高，優質的工藝模型對切削條件及刀具壽命之間關系的融合非常關鍵。能有效提升機床的利用效率，確保在無人操作狀態下數控高速切削加工技術也具有較高的安全可靠性。

2.2 在刀柄與刀具加工中的技術應用

數控高速切削加工技術在刀柄與刀具中的技術應用主要講求幾何精度與裝夾重復定位精度。在數控高速切削加工過程中系統會受到強烈振動與離心力的雙重影響，促使它提高了對刀柄與刀具加工的剛度及高速動平衡要求，確保所切削加工的刀柄刀具具有較高的質量與安全可靠性。在高速加工過程中，刀具的選擇與普通切削區別較大，因為要考慮到“高速”這一基本特性。目前較為常見的HSK高速刀柄，是一種具有熱脹冷縮緊固式特性的高速刀柄，非常適合于機械制造過程中的數控高速切削加工環節。

刀具在高速加工過程中須承受外界載荷：高溫、高壓、摩擦、沖擊與振動等，一定要考慮刀具的工藝性能與經濟性能，這些是實現高速加工的主要因素。在選擇數控高速切削刀具材料過程的同時，還要考慮高速切削的方式。

2.3 高速數控切削加工技術的數控編程策略

高速數控切削加工技術具有控制特殊性與復雜性，不能簡單理解為對普通加工進給與轉速的提高，尤其是在數控編程過程中，要求刀具路徑更加精確安全，確保預期的機械制造加工精度與表面質量，以下提出數控高速切削加工技術中的具體編程策略。

首先在數控高速切削加工過程中要確保工件、刀具與夾具之間不會出現任何干涉與碰撞，確保刀具與機床不過載，因為刀具與機床之間發生過載會大幅度提升機械制造加工成本，也會降低加工精度，因此在數控編程中應該將該方面作為重點來考慮。

其次要在編程過程中保證恒定切削載荷，是數控高速切削加工技術過程的主要特征，必須保持金屬切削層厚度適中恒定，其分層加工相比于仿形加工更利于確保材料去除量的有效恒定；再一方面要選擇平滑的刀具切入工件方式；最后要確保刀具軌跡能夠平滑過渡，不要出現任何直角過渡現象。

第三要確保加工工件的加工精度，是因為在數控高速切削加工過程中要時刻保證工件的表面質量與加工精度，是為了盡可能降低刀具的切入次數，并采用最為合理的螺旋走刀軌跡方式。另外，要保證切削進給量合理，如果進給量過小也會造成切削不穩定，產生切削振動現象。所以，進給量一定要保持平衡狀態，以確保加工表面質量的穩定提升。

3 案例分析

數控高速切削加工技術在汽車機械制造行業中應用廣泛，下面主要介紹了汽車覆蓋件模具中發動機前罩的數控高速切削加工技術應用流程和汽車覆蓋件模具加工的基本參數。

汽車覆蓋件模具加工一般所涉及尺寸偏大，且由于它是3D型面所以相對結構復雜，要求加工精度較高，切削量也較大，因此可以采用數控高速切削加工技術。以汽車發動機前罩翻邊模具為例，它的工件材料為CH-1，工件硬度為HB330，外形尺寸為2000mm×1400mm×400mm。要采用涂層硬質合金刀具材料對其進行高速切削加工汽車發動機前罩翻邊模具高速加工的加工時間在24h左右，其表面加工粗糙程度可以控制在1μm左右，所以不需要再進行手工研磨過程，只需要進行油石拋光即可。再配合鉗工修配（3h），總共需要27h。相比于傳統切削加工操作時間降低了83%左右，加工效率提升明顯。

4 結束語

數控高速切削加工技術已成為機械制造領域的主力核心技術之一，特別適合于工藝要求極高的航天航空與汽車模具制造行業。在未來，對該技術的研究也將繼續深入，以確保該實踐應用領域不斷向前發展。

參考文獻

[1]蘇艷紅.高速切削加工技術及其在模具制造中的應用[D].四川大學，2005：81-82.