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6 t1 n' U1 H# L& } 一、高速切削技術概述 H2 Z) T* M! ^
1931年4月德國物理學家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High Speed Cutting）的理論，并于同年申請了專利。他指出：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之后，切削溫度不但不會升高反而會降低，且該切削速度VC與工件材料的種類有關。對于每一種工件材料都存在一個速度范圍，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。要是能越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度地提高生產效率。由于實驗條件的限制，當時高速切削無法付諸實踐，但這個思想給后人一個非常重要的啟示。
* }* R) J7 q2 X; [& _ 高速加工技術經歷了理論探索，應用探索，初步應用和較成熟應用等四個階段，現已在生產中得到了一定的推廣。特別是20世紀80年代以來，航空工業和模具工業的需求大大推動了高速加工的應用。飛機零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、長桁、框等，它們有很薄的壁和筋，加工中金屬切除率很高，容易產生切削變形，加工比較困難；另外，飛機制造廠方也迫切要求提高零件的加工效率，從而縮短飛機的交付時間。在模具工業和汽車工業中，模具制造是一個關鍵，縮短模具交貨周期，提高模具制造質量，也是人們長期努力的目標。高速切削無疑是解決這些問題的一條重要途徑。自20世紀90年代起，高速加工逐步在制造業中推廣應用。目前，據統計，在美國和日本，大約有30%的公司已經使用高速加工，在德國，這個比例高于40%。在飛機制造業中，高速切削已經普遍用于零件的加工。
! q" X( U3 F" _ 目前高速切削已經有了一定的應用，但要給高速銑削下一個確切的定義還較困難，高速切削的切削速度范圍較難給出。高速切削是一個相對概念，它與加工材料、加工方式、刀具、切削參數等有很大的關系。一般認為，高速切削的切削速度是常規切削速度的5～10倍。對常用材料，一些資料給出了大致數據：鋁合金1500～5500 m/min；銅合金900 ～5000 m/min；鈦合金100～1000 m/min；鑄鐵750～4500 m/min；鋼600～800 m/min。各種材料的高速切削進給速度范圍為2～25m/min。
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二、高速切削技術的優勢 0 o! ^. t! H& P5 D& P0 Z
高速切削之所以得到工業界越來越廣泛的應用，是因為它相對傳統加工具有顯著的優越性，具體說來有以下特點：
9 `. ?3 V6 M8 u c 1.可提高生產效率 0 d* w" m( _. H5 z4 l2 w( _
高速切削加工允許使用較大的進給率，比常規切削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍。當加工需要大量切除金屬的零件時，可使加工時間大大減少。
8 g6 k% P$ \1 v! P: G 2.降低了切削力
( i; C, H2 I: J+ y- S 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，與常規切削相比，切削力至少可降低30%，參見圖1。這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能。 % ]3 V5 l4 |" V1 s" l& }
3. 提高了加工質量
h' p' A s2 t& r1 Z: P# _! [7 y/ { 因為高速旋轉時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率，不會造成工藝系統的受迫振動，保證了較好的加工狀態。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，殘余應力小，實現了高精度、低粗糙度加工。
/ R+ q0 ^" p5 F6 `# `2 d. z 4.加工能耗低，節省制造資源 1 r) [. m" {/ z: |' ^
由于單位功率的金屬切除率高、能耗低、工件的在制時間短，從而提高了能源和設備的利用率，降低了切削加工在制造系統資源總量中的比例，符合可持續發展的要求。 9 E: R$ k! }8 a1 Z: U0 F: w
5. 簡化了加工工藝流程
1 P: F( ?* l4 S8 f0 T% d4 z 常規切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工解決。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。圖2為某模具制造中采用常規加工與高速切削加工的工序比較。 * `) p) C% a( N
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三、高速銑削加工工藝
* U/ D ^ H/ r 安全、高效和高質量是高速切削的主要目標。高速加工按目的分為兩種情況：以實現單位時間最大材料去除量為目的的高速加工和以實現單位時間最大加工表面積為目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。
' x) y1 |! n+ ?0 E4 C# a5 G) b 由于高速銑削要求切削載荷均勻，沒有劇烈的變化，因此除鋁合金和非鐵合金外，通常粗加工可采用有較高金屬切除率的常規銑削。精加工時由于余量較均勻，采用高速銑削能達到很高的走刀速度，切削更多的表面積。對小的零件，從粗加工到精加工都可采用高速銑削。在粗加工后的半成品工件上，怎樣用半精加工方法獲得余量比較均勻的半成品毛坯，為精加工采用高速銑削創造條件；另外，在粗加工和半精加工時，如何選用刀具和設置切削參數，采用先進的走刀方法等，這些都是要考慮的重要問題。 ) ^4 P% c. H2 Y; v6 U1 ]
對于一個高速銑削加工任務來說，要把粗加工、半精加工和精加工作為一個整體考慮，設計出一個合理的加工方案，從總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，這就是高速銑削工藝設計的原則。
* @+ u+ {6 w7 _. v( f# u 1.粗加工 $ B3 X1 o% U6 C l; U
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地工作，避免切削方向和載荷急劇變化。
0 L6 D% e! t) } u: T/ |; f0 e 為了防止切削時速度矢量方向的突然改變，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、步距和非切削運動的過渡也都盡可能圓滑，如在平面銑削中，可采用螺旋或傾斜方式（傾角為5°左右）的垂直進退刀運動、圓弧方式的水平進退刀運動；而在曲面輪廓銑中，使用切圓弧的進退刀運動等。
; u: R; s# ]8 H# T- X, D- i 刀具通常采用球頭銑刀和平底圓角銑刀，采用2.5軸加工方式，加工時充分利用主軸的加工功率。
1 M v8 W1 d& `( O9 T3 k+ x9 f 為了平穩地加工硬化了的材料，步距通常不得大于刀具直徑的6%～8%，深度不超過刀具直徑的10%。
分層切削能控制切削載荷均勻，在粗加工中常采用此法。
) }: w- B$ y) d$ M. e3 o$ C3 w% z 2.半精加工
! `% d5 y h# [! S% Y 半精加工的目的是把前道工序加工后的殘留加工面變得平滑，同時去除拐角處的多余材料，在工件加工面上留下一層比較均勻的余量，為精加工的高速銑削做準備。半精加工應沿著粗加工后的棱狀輪廓進行銑削，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，避免頻繁地進退刀。 7 U' o( _) D9 c
以前的CAM系統（包括目前的一般系統）基本上沒有基于殘留模型的編程功能。粗加工以后，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，來進行半精加工的刀位軌跡計算。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，引起刀具震動或撞擊，縮短了刀具壽命，并容易造成加工缺陷。現在，一些頂尖的CAD/CAM系統已推出了這項技術。如在UG中，粗加工后可生成工件的殘留材料模型（IPW），然后以該殘留材料模型為毛坯，生成半精加工操作。這樣可去除空刀，減小刀具切入/切出材料時的沖擊，延長刀具壽命，并可獲得較為均勻的加工余量，為高速銑削精加工創造條件。
; P2 m! ~: P/ n- M 3. 精加工 : Q0 p7 c1 `" t9 F6 f. C+ B& u9 O
精加工的目的是按照零件的設計要求，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。精加工中除需對工藝參數進行優化外，還建議采用下面的加工順序：外輪廓加工、凸起規范幾何體的加工、自由型面的加工、階梯層面加工、平面加工和凹陷規范幾何體的加工等。
/ O" P6 R1 @: F- u" ~四、結論 ( v! _; A' g& V* a% ~
在高速切削加工中，機床、夾具、刀具、數控系統及軟件等只是必要裝備，加工工藝方法及參數設定等因素才是直接影響加工是否成功的重要因素。這些因素需要經驗的積累及反復實踐和總結，才能真正發揮高速切削加工的優勢。
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發表于 2005-10-17 14:58:49
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