高速切削關鍵技術

高速切削關鍵技術是一項先進的、正在發展的綜合技術，必須將高性能的高速切削工具機、與工件材料相適應的刀具和對於具體加工對象最佳的加工工藝技術相結合，充分發揮高速切削技術的優勢。

基本介紹

• 中文名：高速切削關鍵技術
• 外文名： high-speed machining key technologies
• 鑄鐵為：900－5000m/min
• 鋼為：600－3000m/min
• 耐熱鎳基合金：500m/min

概述

自20世紀30年代德國 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以來，經過50年代的機理與可行性研究，70年代的工藝技術研究，80年代全面系統的高速切削技術研究，到90年代初，高速切削技術開始進入實用化，到90年代後期，商品化高速切削工具機大量湧現，21世紀初，高速切削技術在工業已開發國家得到普遍套用，正成為切削加工的主流技術。

根據1992年國際生產工程研究會(CIRP)年會主題報告的定義，高速切削通常指切削速度超過傳統切削速度5－10倍的切削加工。因此，根據加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度範圍也不同。高速切削包括高速銑削、高速車削、高速鑽孔與高速車銑等，但絕大部分套用是高速銑削。目前，加工鋁合金已達到2000－7500m/min；鈦合金達150－1000m/min；纖維增強塑膠為2000－9000m/min。

高速切削是一項系統技術，圖1顯示了影響高速技術的各方面因素，企業必須根據產品的材料和結構特點，購置合適的高速切削工具機，選擇合適的切削刀具，採用最佳的切削工藝，以達到理想的高速加工效果。

特點與套用

實踐表明，高速切削具有以下加工特點：

切削力降低 ；工件熱變形減少；有利於保證零件的尺寸、形位精度 ；已加工表面質量高；工藝系統振動減小；顯著提高材料切除率；加工成本降低 。

高速切削的上述特點，反映了在其適用領域內，能夠滿足效率、質量和成本越來越高的要求，同時，解決了三維曲面形狀高效精密加工問題，並為硬材料和薄壁件加工提供了新的解決方案。

高速切削在航空航天業、模具工業、電子行業、汽車工業等領域得到越來越廣泛的套用。在航空航天業主要是解決零件大餘量材料去除、薄壁件加工、高精度、難加工材料和加工效率等問題，特別是整體結構件高速切削，既保證了零件質量，又省去了許多裝配工作；模具業中大部分模具均適用高速銑削技術，高速硬切削可加工硬度達50－60HRC的淬硬材料，因而取代了部分電火花加工，並減少了鉗工修磨工序，縮短了模具加工周期；高速銑削石墨可獲得高質量的電火花加工電極。高速切削的高效率使其在電子印刷線路板打孔和汽車大規模生產中得到廣泛套用。目前，適合高速切削的工件材料有鋁合金、鈦合金、銅合金、不鏽鋼、淬硬鋼、石墨和石英玻璃等。

關鍵技術

高速切削工具機

高速切削要獲得良好的套用效果，必須將高性能的高速切削工具機、與工件材料相適應的刀具和對於具體加工對象最佳的加工工藝技術相結合。高速切削工具機是高速切削套用的基本條件。

圖2 高速加工技術關鍵技術

高速銑床的主軸轉速一般在18,000rpm以上，30,000－60,000rpm也已在工業中實際套用，功率在十幾至幾十千瓦，高速狀態下達到最大功率，但扭矩降到最小，同時許用的銑刀直徑也將減小。高動態的進給驅動直線工作進給速度一般在20－40m/min，採用直線電機的驅動速度在60－120m/min，加速度1－2g。迴轉工作檯速度可達360rmp，迴轉加速度達47°/s²，基本滿足高速五坐標聯動加工。

工具機主軸和床身要有良好的剛性，優良的吸振特性和隔熱性能。人造大理石床身具有很高的熱穩定性，良好的吸振性能，並能根據需要製作最合理的工具機結構。研究表明人造大理石的吸振性是鑄鐵的6倍左右。

具有快速數據處理能力的是高速工具機的必要保證。前視技術、大容量記憶體和ETH-ERNET通訊等技術是高數據處理速度的基礎，NURBS曲線插補為複雜曲面提供了短程式段和光滑插補解決方案，數字驅動克服了模擬控制微量的時間滯後問題，高解析度反饋技術是高精度加工的保障。

此外，工具機的安全防護、刀庫數量、換刀速度、冷卻潤滑、排屑能力等等，也是設計或選購高速工具機必須考慮的重要問題。

高速切削刀具技術

高速切削刀具不僅在耐用度和可靠性方面比常規加工有更高的要求，在刀具系統的安全性方面也有特殊的要求。

從提高耐用度和可靠性角度，需要考慮：

刀具基體與塗層材料

刀尖幾何結構

刀刃數和刀桿伸出量

切削用量

走刀方式

冷卻條件

刀具與工件材料匹配

從提高使用安全性方面，需要考慮：

刀具系統強度與尺寸

刀桿與工具機的夾持方式

刀片夾緊方式

刀具動平衡

由於高速切削高轉速和快進給等特點，除了良好的耐磨性和高的強度韌性的先進刀具材料，優良的刀具塗層技術，合理的幾何結構參數和高同心度的刀刃精度質量等因素外，還需特別注意其它因素對刀具耐用度的影響。圖3為不同刀具伸出量對切削路徑長度的影響，可見伸出量越短，耐用度越高。一般情況下，順銑的耐用度高於逆銑，而往復銑的耐用度最低(見圖4)。圖4中向下進實際反映刀具頂著進給方向進刀，而向上進反映刀具拖著進給方向進刀，對耐用度也有較大影響。鋁合金高速銑削通常用雙刃銑刀，過多的刀刃會減少容屑空間，容易引起切屑粘刀。為避開共振頻率，也可採用三刃銑刀以增加衝擊頻率。鋁合金加工容易產生積屑瘤，這對高速銑削非常有害。要減少積屑瘤的產生，刀具表面要平滑；避免採用物理氣相沉積(PVD)塗層刀具，因為TiAlN塗層很易與鋁產生化學反應，可以選用非塗層刀具，細晶金剛石塗層或類金剛石塗層刀具；如有可能，儘量採用油霧刀具內冷進行冷卻潤滑。

高速銑削刀具結構對刀具耐用度和安全性均有很大影響，關鍵要點包括刀具系統的平衡設計；減少徑向和軸向跳動；控制動平衡精度；與工具機聯接普遍採用HSK刀柄或類似雙面接觸短錐刀柄；刀具的夾緊最新趨勢是採用冷縮式夾緊結構(或稱熱裝式)，裝夾時利用感應或熱風加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具，裝入新刀具，然後採用風冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合夾緊，這種結構刀具的徑向跳動在4µm，剛性高，動平衡性好，夾緊力大，高轉速下仍能保持高的夾緊可靠性，特別適用於更高轉速的高速銑削加工。

高速切削工藝技術

高速切削工藝主要包括：適合高速切削的加工走刀方式，專門的CAD/CAM編程策略，最佳化的高速加工參數，充分冷卻潤滑並具有環保特性的冷卻方式等等。

高速切削的加工方式原則上多採用分層環切加工。直接垂直向下進刀極易出現崩刃現象，不宜採用。斜線軌跡進刀方式的銑削力是逐漸加大的，因此對刀具和主軸的衝擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現象。螺旋式軌跡進刀方式採用螺旋向下切入，最適合型腔高速加工的需要。

CAD/CAM編程原則是儘可能保持恆定的刀具載荷，把進結速率變化降到最低，使程式處理速度最大化。主要方法有：儘可能減少程式塊，提高程式處理速度；在程式段中可加人一些圓弧過渡段，儘可能減少速度的急劇變化；粗加工不是簡單的去除材料，要注意保證本工序和後續工序加工餘量均勻，儘可能減少銑削負荷的變化；多採用分層順銑方式；切入和切出儘量採用連續的螺旋和圓弧軌跡進行切向進刀，以保證恆定的切削條件；充分利用數控系統提供的仿真驗證的功能。零件在加工前必須經過仿真，驗證①刀位數據的正確性，②刀具各部位是否與零件發生干涉，③刀具與夾具附屬檔案是否發生碰撞，確保產品質量和操作安全。

高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異，目前尚無完整的加工數據。通常，隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。對於刀具壽命，每齒進給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的範圍相對較窄。高速銑削參數一般的選擇原則是高的切削速度、中等的每齒進給量fz、較小的軸向切深ap和適當大的徑向切深ae。

在高速銑削時由於金屬去除率和切削熱的增加，冷削介質必須具備將切屑快速沖離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的能力。常規的冷卻液及加注方式很難進入加工區域，反而會加大銑刀刃在切入切出過程的溫度變化，產生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性。現代刀具材料，如硬質合金、塗層刀具、陶瓷和金屬陶瓷、CBN等具有較高的紅硬性，如果不能解決熱疲勞問題，可不使用冷卻液。

微量油霧冷卻一方面可以減小刀具－切屑－工件之間的摩擦，另一方面細小的油霧粒子在接觸到刀具表面時快速氣化的換熱效果較冷卻液熱傳導的換熱效果方式能帶走更多的熱量，目前已成為高速切削首選的冷卻介質。

氮氣油霧冷卻介質在鈦合金的高速銑削中取得了很好的效果。氮氣油霧冷卻介質除具有空氣油霧的冷卻潤滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用，在33m/min的銑削速度時，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高60%，銑削力可降低20%－30%。