高速加工技術(shù)初探

高速加工技術(shù)基于金屬（非金屬）傳統(tǒng)切削加工技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)，現(xiàn)已廣泛實(shí)用于生產(chǎn)工藝流程型制造企業(yè)，如現(xiàn)代轎（汽）車生產(chǎn)企業(yè)。隨著個(gè)性化產(chǎn)品的社會(huì)需求增加，其生產(chǎn)條件為多品種、單件小批制造加工。在機(jī)械制造業(yè)中，這種生產(chǎn)模式將占到總產(chǎn)值的70%。筆者認(rèn)為，高速加工技術(shù)必將在生產(chǎn)工藝離散型或混和型企業(yè)中（如模具、能源設(shè)備、船舶、航天航空等制造企業(yè)）得到進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)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(duì)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(duì)于銑削鋁、鎂合金，切削速度大于1000m/min，可稱為高速加工；而對(duì)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(shù)的發(fā)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(zhuǎn)速外，還應(yīng)具有高的進(jìn)給速度。

一、高速加工的優(yōu)點(diǎn)

第一，由于采用高的切削速度和高的進(jìn)給速度，高速加工能在單位時(shí)間內(nèi)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(shí)候，可以采用較少的步距，達(dá)到提高零件表面質(zhì)量的目的，采用高速加工技術(shù)，可以使得零件表面達(dá)到磨削的效果。

第三，由于高速加工時(shí)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(zhuǎn)速，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)激勵(lì)的振動(dòng)頻率能大大高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而使機(jī)床和工藝系統(tǒng)的振動(dòng)小，工作平穩(wěn)，這也有利于提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量。

第五，由于高速加工時(shí)，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(shù)主要涉及機(jī)床、刀具和高速加工數(shù)控編程（CAM技術(shù)）3個(gè)方面。目前，高速加工機(jī)床和刀具技術(shù)已取得了相當(dāng)進(jìn)展，為高速加工技術(shù)得廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

二、高速加工機(jī)床

實(shí)施高速加工技術(shù)，首先應(yīng)有高速加工機(jī)床。高速加工機(jī)床具有不同于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。

第一，高速加工機(jī)床的主軸部件，要求采用耐高溫、高速、能承受大的負(fù)荷的軸承。同時(shí)，主軸動(dòng)平衡性能好，有良好的熱穩(wěn)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(cè)過熱裝置和冷卻裝置。

第二，高速加工機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)一般采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高的進(jìn)給速度，達(dá)到大的加速度。

第三，高速加工機(jī)床采用高性能的數(shù)控系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算速度低和伺服滯后等缺陷，從而能實(shí)現(xiàn)高精密伺服控制、高速數(shù)控運(yùn)算和全公差控制功能。

第三，高速加工的機(jī)床結(jié)構(gòu)一般通過優(yōu)化設(shè)計(jì)采用較輕的移動(dòng)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(tài)和動(dòng)態(tài)剛度，適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的需要，高速加工機(jī)床對(duì)刀具有嚴(yán)格的要求。尤其是對(duì)主軸于刀柄的聯(lián)結(jié)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(tǒng)的大錐度刀柄。

第六，高速加工具有數(shù)控代碼預(yù)覽功能，即高速加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)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(jī)床調(diào)整進(jìn)給速度以適應(yīng)刀具軌跡變化的需要。

三、高速加工刀具系統(tǒng)

由于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和切削速度都很高，所以對(duì)刀柄的結(jié)構(gòu)和刀具的材料有很高要求。

1.高速加工用刀柄技術(shù)

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

為了達(dá)到以上的要求，德國HSK（1:10）刀柄系統(tǒng)將刀柄完全做成對(duì)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(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金刀具的硬涂層可提高刀具壽命和生產(chǎn)率?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)已從早期的單涂層發(fā)展到現(xiàn)在的由TiC、TiN、TiCN、Al2O3復(fù)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(kuò)散性磨損、優(yōu)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(yīng)用。

四、高速加工數(shù)控編程（CAM技術(shù)）

目前，有關(guān)適合高速加工編程的CAM系統(tǒng)的研究，引起了較為廣泛的重視。在許多商用CAD/CAM系統(tǒng)，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(tǒng)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(jìn)刀、退刀方式

采取輪廓的切向進(jìn)退刀方式，以保證刀具軌跡的平滑。在對(duì)曲面進(jìn)行加工時(shí)，可采用斜向或螺旋式的進(jìn)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(huán)切的情況下，一種是圓弧切出與切入連接。這種方法的缺點(diǎn)是在加工3D復(fù)雜零件時(shí)，由于移刀軌跡直接在兩個(gè)刀具路徑之間生成圓弧，在間距較大的情況下，會(huì)產(chǎn)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(gè)平面內(nèi)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(diǎn)。在進(jìn)行等高加工時(shí)，切削層之間應(yīng)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(tǒng)能夠準(zhǔn)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(fù)載不變的關(guān)鍵，更是關(guān)系到高速加工成敗的關(guān)鍵。

4.采用新的加工方法

（１）基于毛坯殘留知識(shí)的加工。整個(gè)過程的思想就是始終保持刀具切到材料，減少空走刀，以達(dá)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(shè)定之后的加工為基于殘余毛坯的方式，系統(tǒng)在計(jì)算下一步刀位時(shí)，總是基于上一步加工后的殘余毛坯。因?yàn)橛辛水?dāng)前毛坯信息，隨后產(chǎn)生的刀具軌跡就可以做到比較優(yōu)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(jì)算新方法。這種加工方式是使用切削刀具的側(cè)刃來切削被加工材料?！皵[線”是圓上一固定點(diǎn)隨著圓沿直線滾動(dòng)時(shí)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(diǎn)，當(dāng)Ａ沿另一曲線Ｂ進(jìn)行無滑動(dòng)的滾動(dòng)時(shí)，固定點(diǎn)的軌跡就是擺線?！皵[線”加工非常適合高速銑削，因?yàn)榍邢鞯牡毒呖偸茄刂粭l具有固定半徑的曲線運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)加工過程中，它使刀具運(yùn)動(dòng)總能保持一致的進(jìn)給率。

（作者單位：河南省南陽市高級(jí)技工學(xué)校）