高速銑削加工技術(shù)研究

吳龍威 白廣華

摘 要：高速銑削加工技術(shù)，是采用超硬材料刀具以超高的加工速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料高速加工，對(duì)超硬材料實(shí)施快速加工。筆者對(duì)高速銑削加工技術(shù)進(jìn)行了全面分析和深入研究 ，并進(jìn)行整理總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高速加工；銑削

1 銑削加工存在問(wèn)題

在零件加工行業(yè)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代以來(lái)，我們就開始著力提高零件生產(chǎn)速度，其實(shí)質(zhì)是加工速度的提高和生產(chǎn)過(guò)程中的輔助動(dòng)作速度的提高。但是對(duì)加工的輔助動(dòng)作是一定的。近幾十年的生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程，工序間輔助動(dòng)作的時(shí)間已經(jīng)被完全壓縮了。例如，經(jīng)過(guò)自動(dòng)化進(jìn)程的發(fā)展，最近生產(chǎn)的加工中心換刀速度已經(jīng)接近1秒了。空程速度達(dá)到30到50米每分。如果再提高空程速度，我們?cè)诩夹g(shù)上很難解決，在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)不值得。 在銑削加工的速度提高的方法上，我們只能去研究如何提高工作工時(shí)上。提高銑削速度，才能大跨度的提高銑削加工速度。

圖為1960年到1990年間銑削工時(shí)演變。在1970年到1980年，由于自動(dòng)化進(jìn)程的加速，加工中心的普及，銑削加工輔助工序的速度得以極大提高；1980年后，高速銑削技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，銑削加工工時(shí)得以很快提高。在之后，這個(gè)趨勢(shì)一直在持續(xù)。

2 高速銑削加工的原理

最早提出高速銑削理論的是德國(guó)物理學(xué)家薩洛蒙。人們把銑削加工速度與溫度的曲線命名為“薩洛蒙曲線”。銑削溫度與銑削速度正相關(guān)。但是，在峰值過(guò)后，銑削速度與銑削溫度成負(fù)相關(guān)。峰值與材料有關(guān)。而對(duì)于所有材料，峰值均是存在的，峰值所在的區(qū)域就是刀具無(wú)法承受的高溫區(qū)，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，高速鋼刀具， 硬質(zhì)合金刀具，涂層刀具， 陶瓷刀具均無(wú)法在這個(gè)溫度下正常進(jìn)行切削加工。

在當(dāng)時(shí)，限于技術(shù)條件的落后，理論體系不是很完善，無(wú)法區(qū)分工作溫度和銑削溫度。但是，這個(gè)思想是一個(gè)很正確的方向：超過(guò)這個(gè)區(qū)域，則有可能在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更大的提高銑削效率。根據(jù)這個(gè)理論，在1960年科學(xué)家開始了高速加工的試驗(yàn)。限于當(dāng)時(shí)的條件，試驗(yàn)是用加農(nóng)炮將待加工零件射向刀具的。 其結(jié)果表明，在超過(guò)高溫區(qū)后，切屑的形成和低速區(qū)完全不同。銑削速度從低速區(qū)到高速區(qū)過(guò)程中，材料碎屑從帶狀變?yōu)榈剿樾肌ｃ娤髁淖铋_始的增漲到后來(lái)的逐漸降低。這表明，高速銑削加工的作用機(jī)理已經(jīng)與低速時(shí)期不同了。

最早在加工中心進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)是在1977年。試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的銑削相比，高速銑削的銑削速度增加了一到二倍，銑削力減小了百分之七十。隨后開始了高速銑削技術(shù)的系統(tǒng)研究，科學(xué)界開始了為輕質(zhì)合金加工材料進(jìn)行高速加工的先進(jìn)加工研究項(xiàng)目，對(duì)高速銑削技術(shù)進(jìn)行相關(guān)理論研究。研究表明，在超過(guò)高溫區(qū)后，銑削力與銑削速度程負(fù)相關(guān)。制作刀具所使用的材料的導(dǎo)熱性決定了刀具的使用壽命。鋁合金在銑削速度是1560～4500 m/min時(shí)效果最好。在之后，多所大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所和四十多家公司開始了聯(lián)合研究。對(duì)高速銑削所需的機(jī)床、刀具和控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究并對(duì)相關(guān)的工藝技術(shù)進(jìn)行分析。對(duì)各種常用材料（鋼、鑄鐵、特殊合金、鋁合金、鋁鎂鑄造合金、銅合金和纖維增強(qiáng)塑料等）在高速銑削技術(shù)的加工應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，并在工廠實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效果明顯。而后，高速銑削技術(shù)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)生產(chǎn)應(yīng)用階段。研究人員發(fā)現(xiàn)，銑削加工時(shí)，產(chǎn)生的熱量大部分隨著切屑離開工件。使得被加工零件溫度不至于升的太高。高速銑削機(jī)床的開發(fā)和生產(chǎn)正式進(jìn)入批量化階段。

3 高速銑削加工的優(yōu)越

在高速銑削加工的實(shí)施條件中最主要的是高性能的電主軸。主軸應(yīng)具有很高的轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的功率和扭矩。為了給主軸的高轉(zhuǎn)速提供有力的支持，我們需要整體剛度和穩(wěn)定性高的機(jī)床。現(xiàn)代機(jī)床一般都是整體鑄鐵落地式結(jié)構(gòu)，龍門式框架的主軸立柱。配合高轉(zhuǎn)速主軸，我們需要一個(gè)快速進(jìn)給系統(tǒng)。現(xiàn)在進(jìn)給系統(tǒng)一般都是由無(wú)接觸直接驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以有效避免傳動(dòng)累計(jì)誤差，其精確度和穩(wěn)定性良好。為了適應(yīng)高速銑削的特性，我們要有高性能刀具。在高速銑削時(shí)，銑削扭矩?zé)o需過(guò)大。但是高速帶來(lái)大的離心力，所以我們通常選用短圓刀柄。刀具通常選用熱穩(wěn)定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、復(fù)合涂層刀具等。

高速銑削的關(guān)鍵是改變了原有的加工策略。首先高速銑削加工技術(shù)采用了小銑削深度，高速銑削技術(shù)比普通銑削銑削深度小很多。零件表面的粗糙度取決于相臨刀具軌跡的大小，采用曉得銑削深度可以得到更好的表面質(zhì)量。在普通銑削加工時(shí)，由于小進(jìn)給量帶回使加工時(shí)間延長(zhǎng)。但在高速銑削加工使小銑削深度成為了可能。用小銑削量加工高硬度零件可以減少高硬度零件制作加工電極。其次，高速銑削加工技術(shù)應(yīng)有高主軸轉(zhuǎn)速，在高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速較高，銑削會(huì)帶走大部分熱量，從而使加工刀具得到冷卻，壽命得以提高，也見笑了對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求。再次，高速銑削加工應(yīng)該保持恒定的刀具載荷，進(jìn)給速率的自動(dòng)調(diào)整銑削角度。我們一般都會(huì)采用計(jì)算機(jī)編程系統(tǒng)，以自動(dòng)分層加工的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)加工的合理性與載荷的恒定。檢測(cè)毛坯狀況，避免空走刀。把進(jìn)給速率變化降到最低。采用靈活有效的進(jìn)刀方式，輪廓切向進(jìn)刀，曲面切向進(jìn)刀。最后，高速銑削加工技術(shù)要有高級(jí)數(shù)控機(jī)床銑削刀具系統(tǒng)。我們選擇刀具時(shí)應(yīng)該具有較高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性，較高的耐熱性，較好的導(dǎo)熱性、良好的工藝性，較好的經(jīng)濟(jì)性。

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