高速銑削加工技術研究

吳龍威 白廣華

摘 要：高速銑削加工技術，是采用超硬材料刀具以超高的加工速度，來實現材料高速加工，對超硬材料實施快速加工。筆者對高速銑削加工技術進行了全面分析和深入研究 ，并進行整理總結。

關鍵詞：高速加工；銑削

1 銑削加工存在問題

在零件加工行業進入自動化時代以來，我們就開始著力提高零件生產速度，其實質是加工速度的提高和生產過程中的輔助動作速度的提高。但是對加工的輔助動作是一定的。近幾十年的生產自動化進程，工序間輔助動作的時間已經被完全壓縮了。例如，經過自動化進程的發展，最近生產的加工中心換刀速度已經接近1秒了。空程速度達到30到50米每分。如果再提高空程速度，我們在技術上很難解決，在經濟上已經不值得。 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年間銑削工時演變。在1970年到1980年，由于自動化進程的加速，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，高速銑削技術得到了長足發展，銑削加工工時得以很快提高。在之后，這個趨勢一直在持續。

2 高速銑削加工的原理

最早提出高速銑削理論的是德國物理學家薩洛蒙。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。但是，在峰值過后，銑削速度與銑削溫度成負相關。峰值與材料有關。而對于所有材料，峰值均是存在的，峰值所在的區域就是刀具無法承受的高溫區，經過多次反復試驗，高速鋼刀具， 硬質合金刀具，涂層刀具， 陶瓷刀具均無法在這個溫度下正常進行切削加工。

在當時，限于技術條件的落后，理論體系不是很完善，無法區分工作溫度和銑削溫度。但是，這個思想是一個很正確的方向：超過這個區域，則有可能在現有的基礎上更大的提高銑削效率。根據這個理論，在1960年科學家開始了高速加工的試驗。限于當時的條件，試驗是用加農炮將待加工零件射向刀具的。 其結果表明，在超過高溫區后，切屑的形成和低速區完全不同。銑削速度從低速區到高速區過程中，材料碎屑從帶狀變為到碎屑。銑削力從最開始的增漲到后來的逐漸降低。這表明，高速銑削加工的作用機理已經與低速時期不同了。

最早在加工中心進行高速銑削試驗是在1977年。試驗表明，與傳統的銑削相比，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的系統研究，科學界開始了為輕質合金加工材料進行高速加工的先進加工研究項目，對高速銑削技術進行相關理論研究。研究表明，在超過高溫區后，銑削力與銑削速度程負相關。制作刀具所使用的材料的導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時效果最好。在之后，多所大學的生產工程與機床研究所和四十多家公司開始了聯合研究。對高速銑削所需的機床、刀具和控制系統進行系統的研究并對相關的工藝技術進行分析。對各種常用材料（鋼、鑄鐵、特殊合金、鋁合金、鋁鎂鑄造合金、銅合金和纖維增強塑料等）在高速銑削技術的加工應用數據進行試驗，并在工廠實際生產中推廣應用，經濟效果明顯。而后，高速銑削技術進入了實質生產應用階段。研究人員發現，銑削加工時，產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。高速銑削機床的開發和生產正式進入批量化階段。

3 高速銑削加工的優越

在高速銑削加工的實施條件中最主要的是高性能的電主軸。主軸應具有很高的轉速及相應的功率和扭矩。為了給主軸的高轉速提供有力的支持，我們需要整體剛度和穩定性高的機床。現代機床一般都是整體鑄鐵落地式結構，龍門式框架的主軸立柱。配合高轉速主軸，我們需要一個快速進給系統。現在進給系統一般都是由無接觸直接驅動的直線電機驅動，可以有效避免傳動累計誤差，其精確度和穩定性良好。為了適應高速銑削的特性，我們要有高性能刀具。在高速銑削時，銑削扭矩無需過大。但是高速帶來大的離心力，所以我們通常選用短圓刀柄。刀具通常選用熱穩定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、復合涂層刀具等。

高速銑削的關鍵是改變了原有的加工策略。首先高速銑削加工技術采用了小銑削深度，高速銑削技術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量。在普通銑削加工時，由于小進給量帶回使加工時間延長。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，高速銑削加工技術應有高主軸轉速，在高轉速時轉速較高，銑削會帶走大部分熱量，從而使加工刀具得到冷卻，壽命得以提高，也見笑了對冷卻系統的要求。再次，高速銑削加工應該保持恒定的刀具載荷，進給速率的自動調整銑削角度。我們一般都會采用計算機編程系統，以自動分層加工的方法來實現加工的合理性與載荷的恒定。檢測毛坯狀況，避免空走刀。把進給速率變化降到最低。采用靈活有效的進刀方式，輪廓切向進刀，曲面切向進刀。最后，高速銑削加工技術要有高級數控機床銑削刀具系統。我們選擇刀具時應該具有較高的硬度和耐磨性，足夠的強度和韌性，較高的耐熱性，較好的導熱性、良好的工藝性，較好的經濟性。

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