數控加工中心的高速切削加工特點與要求詳解

李寧

摘 要：數控的高速切削是一種高效、優質、低耗的先進制造技術，他可以有效的解決常規切削加工中備受的困擾問題，與傳統的切削加工比較，高速切削加工有著非常高的的單位功率的金屬切除率，比常規切削的切削力降低了30%，刀具的壽命反而提高了70%，常規切削中的切削振動幾乎消失的優點。

關鍵詞：數控；加工中心；高速切削；工藝

引言

高速加工技術經歷了理論探索、應用探索、初步應用和較為成熟應用四個階段，現在生產中得到了一定的推廣和應用。高速切削是一個相對的概念，他與加工材料、加工方式、刀具、切削參數等有很大的關系。本文將重點依據數控加工中高速切削的特點與工藝進行分析講解。

1.高速切削加工技術簡要

高速切削理論最早由德國物料學家Carl.J.Saloman于1931年提出，在常規切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削溫度不但不會升高反而還會降低，且切削速度與工件的材料有關系。對于每一種工件材料都存在一個速度范圍內，在該速度范圍內，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進行，越過該速度范圍，高速切削就能夠實現，并能大幅度的提高生產效率。

一般認為高速切削的切削速度是常規切削速度的5～10倍，對于常用材料，其大致的切削速度如表1-1：

2.高速切削的特點

高速切削加工系統由數控加工中心、可靠的刀具系統、高速可靠切削刀具、CAM高速切削軟件構成，隨著切削刀具技術的發展，高速切削廣泛的應用于各種制造行業的機械加工，高速切削較常規切削具有如下特點。

高效加工效率，高速切削較常規切削可以擁有較高的進給率，能夠達到常規切削的進給率的5～10倍，其單位時間的材料切除效率可以大幅提高3～6倍。

較低的切削力，是一種在常規切削中產生的作用在工件與刀具的大小相等。方向相反的作用力，即是一種材料工件抵抗刀具切削產生的阻礙力。高速切削因為采用極淺的切削深度與窄的切削寬度，因此切削力較小，只有常規切削產生的切削力的70%，可以大大的減少工件的加工變形，致使可以對一些薄壁精細工件的切削加工成為可能，以及對剛性較差的零件加工變形將更加小。

較高的加工質量，高速切削因為需要刀具在切削時高速的旋轉，其激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率，不會對工藝系統造成受迫振動，可以較好的保證工件的加工狀態。高速切削還因為切削的深度、切削寬度和切削力較小，可以有效的降低工件、刀具的變形量，增加了零件的加工尺寸精確性。

工藝流程簡化，常規切削加工不能加工淬火后的材料，淬火后材料變形必須經過人工修整、或者放電加工解決，工藝流程復雜。而高速切削則可以直接加工淬火材料，可以省略放電加工工序，消除放電加工帶來的表面硬化問題，進而減少或免除人工光整加工。

能耗低，因為高速切削單位功率的金屬切除效率高，繼而能耗低，同時工件的加工時間也就短，從而大大的提高了能源和設備的利用率，極大的降低了切削加工再制造系統的資源總量的比例，需求的能源消耗量較常規的加工切削能耗就低。

3.高速切削加工工藝要求

對于一個高速切削加工任務，要把粗加工、半精加工、精加工作為一個整體進行考慮，設計出一個合理的加工方案，從整體上達到高效率和高質量的要求，充分發揮高速切削的優勢。

3.1粗加工工藝

粗加工的目標是追求單位時間的最大切除量，表面質量和輪廓精度要求不高，重要的是讓機床平穩工作，避免切削方向和載荷急劇變化。

為防止切削時速度矢量方向的突然變化，在刀軌拐角處需要增加圓弧過渡，避免出現尖銳拐角，所有進刀、退刀和非切削運動的過渡也都盡可能圓弧過渡，如在平面切削過程中，可采用螺旋或者傾斜方式（傾角5°左右）的垂直進退刀運動、圓弧方式的水平進退刀運動，而在曲面輪廓切削中，使用切圓弧的進退刀運動。為保證平穩地加工硬化材料，步距通常不得大于刀具直徑的6%～8%，深度不得過刀具直徑的10%。而常常粗加工中采用分層切削使切削載荷更加均勻。

3.2半精加工工藝

半精加工的目的是把前道工序加工后的殘留加工平面變得平滑，同時去除拐角處的多余材料，在工件加工平面上留下一層比較均勻的余量，為精加工高速切削做準備。半精加工應沿著粗加工后的棱狀輪廓進行切削，以便使切入過程穩定，并減小切削力波動對刀具的不利影響。另外半精加工時刀具的切削應盡量連續，避免頻繁的進退刀。

較早的CAM系統基本無基于殘留模型的編程功能，粗加工后，不是針對殘留材料作后續加工，而是以一個假設的，估計的毛坯作為加工對象，來進行半精加工的到位軌跡計算。這樣得到的加工指令，在實際切削過程中會出現空切現象，造成切削狀態不連續，引起刀具震動或者撞擊，縮短刀具的壽命，并造成加工缺陷。先進的CAM系統可以很好的在粗加工后可生產工件殘留材料模型，然后以該殘留材料模型為毛坯，生產半精加工操作。這樣可以避免空刀，減小刀具切入/切出材料時的沖擊，延長刀具的壽命，并可獲得較為均勻的加工余量，為高速切削精加工創造條件。

3.3精加工工藝

精加工的目的是按照零件設計要求，達到較好的表面質量和輪廓精度。精加工的刀位軌跡緊貼零件表面，要求平穩、圓滑，沒有劇烈的方向改變。精加工中除需要對工藝參數進行優化外，還能建議采用先外輪廓加工，再凸起規范幾何體的加工，再自由型面的加工，在階梯層面的加工，再平面加工，最后凹陷規范幾何體的加工。

4.結束語

本文通過對數控加工中心的高速切削特點與工藝要求進行了詳細闡述，簡要的分析了高速切削的應用特點及相關加工工藝。在高速切削加工中，機床、夾具、刀具、數控系統及軟件等只是常規的必要的裝置，加工工藝方法和工藝參數的設定等因素，才是直接影響加工是否成功的關鍵因素。只有將這些因素不停的進行累積和反復的進行實踐操作總結，才能真正的發揮出高速切削加工的優勢。

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