高速切削工艺及应用方向

lcshjsb

高速切削工艺及应用方向
8 h2 ?4 {8 R7 V3 [6 @

摘要：高速切削工艺是当今世界制造业中一项快速发展的高新技术，高速切削所带来的高切削效率和高切削精度，也满足了制造业不断发展的需要和模具制造所追求的精密模具硬质材料的切削，促使高速切削技术蓬勃发展。

关键词：高速切削
切削工艺
应用

中图分类号：TG156

0 引言

随着全球化市场竞争日趋激烈，为争取技术优势，各国纷纷开展先进制造技术的研究与开发。伴随着信息技术的不断发展，先进制造技术一方面发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，另一方面发展了各种新的加工方法和加工工艺，比较典型的有(超)高速切削、干切削、硬切削、(超)精密切削技术 等。其中，高速切削加工是面向
21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。
高速切削工艺研究是一项很有意义的工作。实践证明如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺作指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用，高速切削的工艺和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。

1
; T+ ~) e. F, b' M/ A- I简述高速切削工艺
+ S' {9 |, C* m; e- L
% [& j$ ~8 p+ ]+ ^3 e2 Q/ D; t高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。高速切削加工的优点主要在于：提高生产效率、提高加工精度及降低切削阻力。
有关高速切削加工的含义，目前尚无统一的认识，通常有如下几种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5-10倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同；切削过程中，刀刃的通过频率接近于“机床－刀具－工件”系统的主导自然频率时，可认为是高速切削。可见高速切削加工是一个综合的概念。
% v5 w- U9 a( R# g高速切削的主要目标之一是通过高生产率来降低生产成本。它主要应用于精加工工序，常常是用于加工淬硬模具钢。另一个目标是通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力。达到这些目标的主要因素为：

6 G9 I  o! y8 i, i8 A+ g) `$ w(1) 一次（更少此数）装夹的模具加工。
(2) 通过切削改善模具的几何精度，同时可减少手工劳动和缩短试模时间。
(3) 使用CAM系统和面向车间的编程来帮助制定工艺计划，通过工艺计划提高机床和车间的利用率。
0 y$ A# u# D6 q: m
+ B2 u. g. j; L, M& L6 m
2
合理的高速切削工艺参数

高速切削工艺是成功进行高速切削加工的关键技术。由于高速切削技术在切削原理上是对常规切削的重大突破，在切削加工工艺安排、切削用量选择及刀具应用等方面有较大的特殊性，普通切削工艺及传统刀具不能满足高速切削技术要求，选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。在高速切削加工中，必须对切削工艺参数进行选择。
高速切削速度为常规切速的10倍左右。为了使刀具每齿进给量基本保持不变，以保证零件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度，则进给量也必须相应提高10倍左右，达到60m/min以上，有的甚至高达120m/min。因此，高速切削加工通常是釆用高转速、大进给和小切深的切削工艺参数。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很轻，把切削时产生的热量很快带走；若釆用全新耐热性更好的刀具材料和涂层，釆用干切削工艺也是高速切削加工的理想工艺方案。
切削路径的选择与优化在高速切削加工中也很重要，采取不同的切削路径才能得到较好的切削效果。切削路径优化的目的是提高刀具耐用度，提高切削效得最小的加工变形，提高机床走刀利用率，充分发挥高速加工的优势。
6 n- K: J+ I) B3 @  h
( ^0 W2 @& l9 ^7 Z3
刀具和刀柄的合理选择

# M. a9 J2 R4 O: `' ^) r. d: y刀具作为高速切削的切削工具，是高速切削推广应用中的一个关键问题。在高速切削应用中，为了得到尽可能好的效果，要合理选择切削刀具材料，刀具材料与加工对象的力学性能，物理性能，化学性能相匹配。
: W' ]4 L7 t  H8 E4 i此外，我们还应合理选择刀柄，高速加工时，离心力非常大，会导致主轴孔慢慢变大。选择与主轴孔和端面同时接触的刀具，即径向和轴向同时配合的刀具更适用于高速下的切削。采用独有的椭圆三棱短锥设计的可乐满Capto接口在传递扭矩和高生产率切削时，具有更优秀的性能。

4
: L8 l# \+ M% J! M0 @9 k6 l4 i切削误差的产生及补偿技术
$ b8 G6 R$ j. ?$ [. u  d
$ J' C* B+ e3 R9 p7 |1 }高速切削加工中误差产生的主要原因有伺服系统的滞后、加减速引起的滞后、插补周期引起的形状误差、数控系统的轮廓误差等。
: D4 s% |! k5 L, U& m/ G1 V目前采用的补偿技术有：温度补偿、象限补偿、丝杠误差补偿、使用非均匀有理 B 样条 ( NuRBs ）插补、纳米插补、加减速预测及控制伺服电机最佳加减速转矩、进行前瞻性控制、刀具长度补偿、刀具中心点及半径补偿、冲击控制等．
$ C% q* Y( ~1 `4 g& f# q
5
  x8 g" R- G; E9 x高速加工对CAM系统的要求

: R" U* e* Q4 M" `% G2 S由于高速切削是一种新的加工理念，所以，在众多的CAM软件中，都没有考虑到高速切削问题。高速加工有着不同于传统加工的特殊的加工工艺要求，而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，故应用于高速加工的数控自动编程系统——CAM系统必须能够满足相应的特殊要求。
; }2 n3 F0 T. w8 P/ ^6 g9 M" Z高速加工中采用非常小的进给量与切深，故对NC程序的要求比对传统系统的NC程序要求要严格得多，要求计算速度要快且方便、节约编程时间等。另外，快的编程速度使操作人员能够对多种加工工艺策略进行比较，以便采取最佳的工艺方案，并对刀具轨迹进行编辑、优化，以达到最佳的加工效率。
高速加工以高出传统加工近10倍的切削速度加工，一旦发生过切, 其后果不堪设想，故CAM系统必须具有全程自动防过切处理能力。传统的曲面CAM系统是局部加工的概念，极容易发生过切现象，一般都是靠人工选择干预的办法来防止， 很难保证过切防护的安全性，只有通过新一代的、智能化的、面向对象的CAM系统，才能实现防过切处理全部由系统自动完成，才能真正保证其安全性。
与传统方式相比，高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定的工艺要求：
（1）应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以避免因局部过切而造成刀具或设备的损坏。
" x) |8 b3 s3 V; ^+ q（2）应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速。
1 L7 V7 ^+ U# M) O0 ]3 P; K（3）下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。
（3）行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接。
8 A; X7 h" f% r& g0 w* M（4） 除非情况必须如此，否则仍应避免全力宽切削。
（5）残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，直至达到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成。
（6）刀具轨迹编辑优化功能非常重要，应避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的摄像、复制、旋转等操作来避免重复计算。
$ {* D" G( \/ Y, g" @# p2 o（7） 刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀提高效率；也可用于零件局部变化编程，仅需编辑修改边际，无需对整个模型重新编程。
（8）高速加工对编程人员的要求与编程方式的改变。采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，因高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，故需多花时间对NC指令进行仿真检验。一般而言，高速加工编程时间比普通加工编程时间要长得多，然而却大大缩短了加工时间。为了保证高速加工设备足够的使用率，需配置更多的CAM人员。高速切削工艺的应用

+ O8 M( {5 X& S( I7 I  V% E
7 d9 A5 [' V" x/ u; G0 D
, C, h) c1 f2 {2 W. `  u: X/ A& P0 M# p高速切削作为一种新的机械加工技术，正在被众多的企业所采用，随着诸如刀具、加工参数选择、CAM软件等问题的逐步解决，高速切削必将对传统制造业产生深刻的影响。
% t, e% }$ Y/ N3 Y" ~: H4 k
高速切削的先进性表现在其适用领域内，可以应对激烈的市场竞争对效率和成本越来越高的要求；可以满足越来越高的加工质量要求和越来越复杂的三维曲面形状精密加工要求；提供了解决硬材料、薄壁件加工问题的新方案。
9 X0 x3 F% l3 o" |4 a
1 A5 [  Y7 X" }& F/ O) g/ Q高 速切削的应用越来越广泛，如：飞机的蜂窝结构件必须采用高速铣削技术才能保证加工质量，梁、框、壁板等零件加工余量特别大，高速铣削可提高生产率，发动机 的叶片采用高速铣削可解决材料难加工问题，等等；绝大部分模具均适用高速铣削技术，如锻模、压铸模、注塑与吹塑模等，锻模腔体较浅，刀具寿命较长；压铸模 尺寸适中，生产率较高，注塑与吹塑模一般尺寸较小，比较经济。加工模具的石墨电极和铜电极也非常适用高速铣削；高速铣削也适用于模具的快速原型制造；电子 产品中的薄壁结构加工尤其需要高速加工。汽车发动机零件也是高速铣削的应用领域。此外，高速铣削也可用于原型制造。表1按其技术优点列出了高速铣削的一些应用范围。
/ A% \! \( C2 ]$ d
表1 高速铣削应用范围

技术优点 ) f+ v0 \, L7 w6 t7 B6 j1 G	应用领域 ! f3 u2 ~! W! @. ]3 U! C 0 S4 h; e2 \( n5 k, ~0 j$ \  i	事例 ) l: a) p/ E8 Q5 {( D $ N! O! {1 U! g0 @
高去除率 4 ]1 ], o1 x+ p9 ^. E( L2 \6 P	轻合金、钢和铸铁 2 x) ]9 y7 c& E6 M	航空航天产品、工具、模具制造
高表面质量 7 p+ J& z, |; U  e8 S3 F / a4 y1 U9 {0 t) |8 R( S" k+ s	精密加工、特殊工件 ' F8 U6 ~6 X6 X0 b: X' ?	光学零件、精细零件、旋转压缩机 , l3 p% D; a/ v2 k  Z7 Y
小切削力	薄壁件 7 z' T& Y$ R( `# D3 e; l6 ]# g, e	航空航天工业、汽车工业、家用设备 + z1 {7 k0 e2 i) k4 C & Y( i; q) r$ P1 p( v
高激振频率	避共振频率加工 " ~4 g7 Y! q6 }) v	精密机械和光学工业
切屑散热 + r" Z+ ^/ r* H1 {	热敏感工件 % R1 f' U% ]2 l6 V. ^ 4 _7 g- g) J! \, T" [4 ?3 |	精密机械、镁合金加工

skyang

好资料。谢谢分享。