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一、高速切削技術概述
8 a# f9 o' J# |7 }+ I 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(guī)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。 5 O0 h' n X8 E I5 ~
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(xiàn)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(yè)和模具工業(yè)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(yè)和汽車工業(yè)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(yè)中推廣應用。目前，據(jù)統(tǒng)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(yè)中，高速切削已經普遍用于零件的加工。 ' _+ w8 W# B: n) C; i, ^4 Z1 j
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(shù)等有很大的關系。一般認為，高速切削的切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍。對常用材料，一些資料給出了大致數(shù)據(jù)：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。 2 o [. a; h, B$ A2 j- }, I
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二、高速切削技術的優(yōu)勢 4 C# l, m3 J6 ]3 u
高速切削之所以得到工業(yè)界越來越廣泛的應用，是因為它相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下特點：
: v( Q! x7 B# v 1.可提高生產效率 & Y* F9 L6 ?$ B) B
高速切削加工允許使用較大的進給率，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。當加工需要大量切除金屬的零件時，可使加工時間大大減少。
' p, }1 W. r1 h4 \ 2.降低了切削力
! T# }7 ~2 u& v F5 J2 ]7 [' b1 w3 y 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%，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。 - ?5 T x2 d" y& l; p
3. 提高了加工質量
9 a, q( q4 Q# r- q 因為高速旋轉時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會造成工藝系統(tǒng)的受迫振動，保證了較好的加工狀態(tài)。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(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。
8 m( t- z" b0 }( p, m% t0 r G 4.加工能耗低，節(jié)省制造資源 $ H2 @8 g: n9 A& r! {
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(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
1 U- O5 ~ T0 V 5. 簡化了加工工藝流程 " J4 T4 z$ W; \7 G, l, h
常規(guī)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(guī)加工與高速切削加工的工序比較。 , T5 @; p: x& A8 P) K
- {. d) ?5 q2 L9 Z) ^三、高速銑削加工工藝 . `+ t: R$ ?& X/ C
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(xiàn)單位時間最大材料去除量為目的的高速加工和以實現(xiàn)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。 7 r+ |1 b7 g" Z0 s& x, q
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(guī)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(chuàng)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(shù)，采用先進的走刀方法等，這些都是要考慮的重要問題。 4 r; [- a$ j* |4 a! J
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(fā)揮高速切削的優(yōu)勢，這就是高速銑削工藝設計的原則。 7 K i7 P3 C6 y0 m
1.粗加工
6 B4 q% t+ D$ ~ 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(wěn)地工作，避免切削方向和載荷急劇變化。 ( g' _; H' c+ U/ c& W8 `
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(xiàn)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。 ! x$ A( K& C' `
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。 4 W5 F1 d2 e) p- g0 R. F
為了平穩(wěn)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。
* u! f+ r w3 G3 X: C 2.半精加工 6 Z% t) ?' n ^( s! `
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(wěn)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(xù)，避免頻繁地進退刀。
' M f6 P, a. @: H: A" c 以前的CAM系統(tǒng)（包括目前的一般系統(tǒng)）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(xù)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(xiàn)空切現(xiàn)象，造成切削狀態(tài)不連續(xù)，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(xiàn)在，一些頂尖的CAD/CAM系統(tǒng)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(chuàng)造條件。
7 l1 A0 p$ T; f1 z 3. 精加工 5 V% U+ c' e) M- _( Z3 B3 J3 h; `
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(wěn)、圓滑，沒有劇烈的方向改變。精加工中除需對工藝參數(shù)進行優(yōu)化外，還建議采用下面的加工順序：外輪廓加工、凸起規(guī)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(guī)范幾何體的加工等。 8 N3 t6 A/ J$ L5 J& w
四、結論 ; I: B, F6 r$ X: V0 Z
在高速切削加工中，機床、夾具、刀具、數(shù)控系統(tǒng)及軟件等只是必要裝備，加工工藝方法及參數(shù)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(fā)揮高速切削加工的優(yōu)勢。
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發(fā)表于 2005-10-17 14:58:49
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