論數(shù)控高速加工切削技術(shù)的要點與應(yīng)用

崔猛

撫順市機電職業(yè)技術(shù)學(xué)校 遼寧撫順 113000

高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化。實際上，人們對高速切削的經(jīng)驗還很少，還有許多問題有待于解決：比如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題，機床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩傳輸）、冷卻潤滑液的選擇、CAD/CAM的程序后置處理問題、高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。

1 高速切削機床技術(shù)的優(yōu)勢

（1）生產(chǎn)效率有效提高。高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5-10倍，單位時間材料切除率可提高3-6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時，可使加工時間大大減少。

（2）至少降低30%的切削力。由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30%，這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。

（3）加工質(zhì)量得到提高。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。

（4）降低加工能耗，節(jié)省制造資源。由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

（5）簡化了加工工藝流程。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工[1]。

2 高速切削機床技術(shù)

2.1 高速主軸單元

高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速加工機床的核心部件。在很大程度上決定了機床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。

2.2 高速進(jìn)給系統(tǒng)

進(jìn)給系統(tǒng)的高速性也是評價高速機床性能的重要指標(biāo)之一，不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義，而且也是維持高速加工刀具正常工作的必要條件。對高速進(jìn)給系統(tǒng)的要求不僅僅能夠達(dá)到高速運動，而且要求瞬時達(dá)到高速、瞬時準(zhǔn)停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。

2.3 CNC 控制系統(tǒng)

相對而言，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對超高速機床所需的進(jìn)給率來說是顯得太慢了，超高速機床要求其CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時間要快得多，高的進(jìn)給速率要求CNC系統(tǒng)有很高的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速率，而且還應(yīng)有較大的程序存儲量。CNC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括快速處理刀具軌跡、預(yù)先前饋控制、反應(yīng)的伺服系統(tǒng)等。

2.4 床身、立柱和工作臺

高速機床設(shè)計的另一個關(guān)鍵點，是如何在降低運動部件慣量的同時，保持基礎(chǔ)支承部件高的靜剛度、動剛度和熱剛度。通過計算機輔助工程的方法用有限元法和優(yōu)化設(shè)計，能獲得減輕重量、提高剛度的床身、立柱和工作臺結(jié)構(gòu)。為獲得較好的動態(tài)性能，有些高速機床床身由聚合物混凝土材料制成。

2.5 切屑處理和冷卻系統(tǒng)

高速切削過程會產(chǎn)生大量的切屑，單位時間內(nèi)高的切屑切除量需要高效的切屑處理和清除裝置。高壓大流量的切削液不但可以冷卻機床的加工區(qū)，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。切削液的使用并不是對高速切削的任何場合都適用[2]。

3 高速切削刀具和工藝技術(shù)

高速切削刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。生產(chǎn)實踐證明，阻礙切削速度提高的關(guān)鍵因素是切削刀具是否能承受越來越高的切削溫度。高速切削刀具與普通加工的刀具有很大不同。目前，在高速切削中使用的刀具有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、陶瓷等材料。

高速切削的工藝技術(shù)也是成功進(jìn)行高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。切削方法選擇不當(dāng)，會使刀具加劇磨損，完全達(dá)不到高速加工的目的。高速切削的工藝技術(shù)包括切削方法和切削參數(shù)的選擇優(yōu)化，對各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇等。

3.1 切削方法和切削參數(shù)的選擇與優(yōu)化

在高速切削中，必須對切削方法和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。其中包括優(yōu)化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移動的方向和切削過程（順銑還是逆銑）等。

3.2 對各種不同材料的切削方法

切削鋁、銅等輕合金，與切削鋼和鑄鐵以及切削難加工合金鋼，由于切削機理不同，除了刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇外，在切削過程中還要采取不同的切削策略才能得到較好的切削效果。根據(jù)不同加工材料來研究高速切削工藝方法，也是高速切削工藝技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。

3.3 刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇

在研究高速切削工藝技術(shù)中，切削方法和技術(shù)必須緊密結(jié)合刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇綜合進(jìn)行。高速切削工藝技術(shù)研究是一項很有意義的工作。實踐證明，如果只有高速機床和刀具而沒有良好的工藝技術(shù)作指導(dǎo)，昂貴的高速加工設(shè)備也不能充分發(fā)揮作用。高速切削的工藝技術(shù)和傳統(tǒng)的工藝方法有很大差別，至今還遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)工藝方法那樣成熟和普及。這一點是高速機床應(yīng)用中要特別加以注意的問題[3]。

4 高速切削的發(fā)展趨勢

近年來，國家非常重視超硬刀具高速切削技術(shù)的研究與開發(fā)，國家“863”計劃、國家科技支撐計劃以及國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”中，均將超硬刀具高速切削技術(shù)的研究與開發(fā)列入重點支持的項目范圍，并正在組織實施攻關(guān)研究。相信未來幾年，我國的高速切削技術(shù)隨著國家科技重大專項的實施將會有突破性和跨越式的發(fā)展。同時，我們也期望國內(nèi)超硬材料及工具制造企業(yè)能看到我國制造業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大好發(fā)展機遇，加大自身企業(yè)的技術(shù)開發(fā)投入力度，針對高速切削超硬刀具技術(shù)開展產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，特別是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速切削超硬刀具技術(shù)的開發(fā)，以促進(jìn)我國超硬刀具高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。