試論數控高速切削加工技術的發展與應用研究

張曉曉+張朝輝

摘 要：本文系統介紹了數控高速切削加工的基礎理論及發展過程，分析了高速加工的優點和應用領域，總結了發展數控高速切削加工需要的關鍵技術和研究方向。

關鍵詞：高速切削；關鍵技術；應用研究

數控高速切削技術（High Speed Machining，HSM，或High Speed Cutting，HSC），是提高加工效率和加工質量的先進制造技術之一，相關技術的研究已成為國內外先進制造技術領域重要的研究方向。我國是制造大國，在世界產業轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業結構調整中，我國制造業將進一步落后。研究先進技術的理論和應用迫在眉睫。

一、數控高速切削加工的含義

高速切削理論由德國物理學家Carl.J.Salomon在上世紀三十年代初提出的。他通過大量的實驗研究得出結論：在正常的切削速度范圍內，切削速度如果提高，會導致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損；然而，當切削速度提高到某一定值后，只要超過這個拐點，隨著切削速度提高，切削溫度就不會升高，反而會下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過高而造成刀具磨損不利于切削的問題，獲得良好的加工效益。

隨著制造工業的發展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎上逐漸形成了數控高速切削技術研究領域，數控高速切削加工技術在發達國家的研究相對較早，經歷了理論基礎研究、應用基礎研究以及應用研究和發展應用，目前已經在一些領域進入實質應用階段。

關于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來看，認為切削速度超過常規切削速度5-10倍即為高速切削。也有學者以主軸的轉速作為界定高速加工的標準，認為主軸轉速高于8000r/min即為高速加工。還有從機床主軸設計的角度，以主軸直徑和主軸轉速的乘積DN定義，如果DN值達到（5～2000）×105mm.r/min，則認為是高速加工。生產實踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應不同。一般認為車削速度達到（700～7000）m/min，銑削的速度達到（300～6000）m/min，即認為是高速切削。

二、數控高速切削加工的優越性

由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術不僅提高了切削加工的生產率，和常規切削相比還具有一些明顯的優越性：第一、切削力小：在高速銑削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削形式，使切削力比常規切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少。既減輕刀具磨損，又有效控制了加工系統的振動，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高：采用高速切削，切削速度和進給速度都大幅度提高，相同時間內的材料切除率也相應大大提高。從而大大提高了加工效率。第三、工件熱變形小：在高速切削時，大部分的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，因此加工表面的受熱時間短，不會由于溫升導致熱變形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力學性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高：高速切削通常進給量也比較小，使加工表面的粗糙度大大降低，同時由于切削力小于常規切削，加工系統的振動降低，加工過程更平穩，因此能獲得良好的表明質量，可實現高精度、低粗糙度加工。第五、綠色環保：高速切削時，工件的加工時間縮短，能源和設備的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時由于高速切削可以實現干式切削，減少甚至不用切削液，減少污染和能耗。

三、數控高速切削技術的應用領域研究

鑒于以上所述高速切削加工的特點，使該技術在傳統加工薄弱的領域有著巨大應用潛力。首先，對于薄壁類零件和細長的工件，采用高速切削，切削力顯著降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補采用傳統方法時由于切削力和切削熱的影響而造成其變形的問題，大大提高了加工質量。其次，由于切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復合材料、耐磨鑄鐵等用傳統方法難以加工的材料，可以研究采用數控高速切削技術來加工。

四、實現數控高速切削加工的關鍵技術研究

數控高速切削加工是一個復雜的系統工程，涉及到切削機理、切削機床、刀具、切削過程監控及加工工藝等諸多相關的硬件與軟件技術，數控高速切削技術的實施和發展，依賴于此系統中的各個組成要素的，這些實現數控高速切削技術離不開的關鍵技術，具體體現在以下方面：

1.高速切削機理：有關各種材料在高速加工條件下，切屑的形成機理，切削力、切削熱的變化規律，刀具磨損規律及對加工表面質量的影響規律，對以上基礎理論的實驗和研究，將有利于促進高速切削工藝規范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝制定提供理論基礎，屬于原理技術。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規范和切削用量的確定，是高速切削生產中的難點，也是高速切削加工領域研究的焦點。

2.高速切削機床技術模塊：高速切削機床需要高速主軸系統、快速進給系統和高速CNC控制系統。高速加工要求主軸單元能夠在很高的轉速下工作，一般主軸轉速10000 r/min以上，有的甚至高達60000-100000r/min，且保證良好動態和熱態性能。其中關鍵部件是主軸軸承，它決定著高速主軸的壽命和負載容量，也是高速切削機床的核心部件之一，主軸結構的改進和性能的提高是高速機床的一項重要單元技術。另一項重要的單元技術是高速進給系統。隨著機床主軸轉速的提高，為保證刀具每齒或每轉進給量不變，機床的進給速度和進給加速度也相應提高，同時空行程速度也要提高。因此，機床進給系統必須快速移動和快速準確定位，這顯然對機床導軌、伺服系統、工作臺結構等提出了新的更高要求，是制約高速機床技術的關鍵單元技術。

3.高速切削刀具技術模塊：由機床、刀具和工件組成的高速切削加工工藝系統中，刀具是最活躍的因素。切削刀具是保證高速切削加工順利進行的最關鍵技術之一。隨著切削速度的大幅度提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數、刀體結構等都提出了不同于傳統速度切削時的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技術都發生了巨大的變化，高速切削加工時，要保證高的生產率和加工精度，更要保證安全可靠。因此，高速切削加工的刀具系統必須滿足具有良好的幾何精度和高的裝夾重復定位精度，裝夾剛度，高速運轉時良好的平衡狀態和安全可靠。盡可能減輕刀體質量，以減輕高速旋轉時所受到的離心力，滿足高速切削的安全性要求，改進刀具的夾緊方式。刀具系統的技術研究和發展是數控高速切削加工的關鍵任務之一。

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