高速切削技术在数控加工中的应用

2011-11-25周玉蓉

制造业自动化 2011年3期

刘虹，周玉蓉

LIU Hong，ZHOU Yu-rong

（重庆工业职业技术学院，重庆 401120）

0 引言

高速切削技术是指采用超硬材料的刀具，在保证加工质量和加工精度的前提下，用自动化高速切削设备，高效、高速切除材料的加工技术。高速切削加工相对于小进给、低转速、大扭矩的传统切削加工，具有高进给、高转速、小切削负荷的特点。随着高速、超高速切削机理、大功率高速主轴单元、高加/减速直线进给电动机、高速主轴轴承、超硬耐磨长寿命刀具材料和高性能的控制系统等一系列技术领域中的关键技术初步得到解决，已使得高速、超高速加工从理论研究进入到具体实施的阶段。

1 高速切削技术的特点

1.1 生产效率显著提高

由于主轴转速和进给的高速化，使单位时间内工件材料的切出率提高3～5 倍，加工时间减少了50%，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。特别适合汽车、飞机、模具等的制造。

1.2 加工变形减小

由于切削力可减少30%以上，工件的加工变形减小，切削热还来不及传给工件，因而工件基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高。特别适合于加工细长易热变的工件。

1.3 改善表面粗糙度

在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙度值。又由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度值。高速切削加工获得的表面质量可达磨削水平，因此可省去铣削后的精加工工序。

1.4 提高精度，减少工夹具成本

高速切削可加工淬硬零件（可达HRC60），在一次装夹过程中可完成粗、半精及精加工工序，对复杂型面可直接加工达到零件的表面质量要求，这样，就可省略常规加工的电加工、手工修磨等工序，缩短了工艺路线，加工能耗低，节省制造资源。

2 高速切削的关键技术

高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

2.1 高速切削机床

高速机床是实现高速加工的前提和基本条件，高速切削要求机床具有高主轴转速、高动态的进给驱动，大的功率，主轴和床身良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能，快速可靠的CNC控制性能，可靠的安全防护等。

2.1.1 高速主轴

高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。目前高速切削机床的主轴主要是电主轴，其主要特征是采用内装变频电动机的主轴部件，把电机转子与主轴连成一体，无需任何机械连接，改变供电频率，就可改变主轴转速，改变输入电流的相序，可改变主轴的旋向。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温。同时使用精密陶瓷轴承、油气润滑、内部循环冷却的密封结构。

2.1.2 高速进给系统

为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的进给系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件。高速进给系统除要求进给速度要高，还必须有很大的进给加/减速度，这是由于大多数高速机床加工零件的工作行程范围只有几十到几百mm，在这样短的行程中要提供极大的加/减速度来保证在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停，以实现平稳切削。

进给速度及进给加/减速度的提高，一种方法是采用中空甚至带有冷却的大导程滚珠丝杠副，从而使进给速度达到40~90m/min，进给加/减速度达到1-2g左右；另一种是采用直线电机技术来替代目前机床中常用的滚珠丝杠技术，将直线电动机所产生的力直接作用于移动部件，使机床的进给传动链的长度缩为零，以减少传动系统的惯性矩，提高系统的运动速度、加速度和精度，避免振动的产生，使进给速度达到150~200m /min，加速度达到2～10g。

2.1.3 高性能的CNC控制系统

为了在高速加工复杂零件时获得高精度，对CNC系统的要求主要是处理速度快、控制精度高。一是采用前馈控制，适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线以减少加减速滞后所产生的误差，提高加工精度；二是采用加/减预插补，使机床具有很高的运算速度及数据存贮与传输的能力。三是采用开放的人机界面、开放的数控内核和控制逻辑，用户和机床生产厂可以二次开发自己的人机界面，设计高可靠性、高效的控制逻辑及补偿控制软件；四是采用多轴联动控制和足够高的分辨率的CNC控制系统。

2.1.4 高稳定性的机床支撑部件

高速切削加工机床在高速切削状态下，一方面，产生的切削力作用在床体上；另一方面，因速度很高，还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床尤其对动态特性有很高的要求。一些机床公司的研发部门在设计过程中，还采用模态分析和有限元结构计算，优化了结构，使机床支撑部件更加稳定可靠。如瑞士米克朗公司开发的5轴联动HSMU系列高速加工机床，采用了新型的人造大理石材料做床身，形成整体的封闭O形结构，使机床具有良好的吸振性和刚性。

2.1.5 高效的机床安全防护技术

高速切削机床普遍采用高强度透明材料制成的观察窗、全封闭式安全门罩等非常完备的安全保障措施，来保证机床操作者及机床现场人员的安全，避免机床、刀具等有关设施受到损伤。同时应用高速加工检测技术，对高速机床与系统状态进行实时主动的在线监测和控制，以识别可能引起重大事故的工况、避免机床、刀具及有关设施的损伤。

2.2 高速切削刀具

刀具技术是实现高速切削的重要保证。高速切削刀具是实现高速加工技术的关键，正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。

2.2.1 高速切削刀具材料

由于高速切削的切削速度快，而高速加工线速度主要受刀具限制，在目前机床所能达到的高速范围内，速度越高，刀具的磨损越快。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求，除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前常用的高速切削的刀具材料主要有：陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、涂层刀具、立方氯化硼（CBN）刀具及聚晶金刚石（PCD）刀具、性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。

2.2.2 高速切削刀具系统

由于高速切削时，主轴、刀具、刀柄在高速旋转情况下，较小的偏心会产生较大的离心力，因此，高速加工刀具与机床的连接一般采用锥面和主轴端面同时接触的HSK空心刀柄，以确保高速旋转刀具的安全性和轴向加工精度。高速旋转时，刀具的不平衡会造成主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。因此，高速切削的刀具在使用前必须经过精密动平衡测试，以免工作时发生振动。

2.3 高速切削工艺

高速切削工艺是进行高速切削加工的关键，常规切削的高效率来自低转速、缓进给、大切深、单行程；而高速切削则是高转速、快进给、中切深、多行程的加工工艺。因此，高速切削工艺和常规切削工艺相比较有很大不同。

2.3.1 高速切削加工的走刀方式

对于带有敞口型腔的区域，应尽量从材料的外面走刀，以实时分析材料的切削状况。对于没有型腔的封闭区域，宜采用螺旋进刀方式，在局部区域进行切入。高速切削加工中，由于机床加速的局限性，容易造成时间的浪费，急停或急动则会破坏表面精度，且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。所以应尽量减少刀具的急速换向，选择单一路径切削模式进行顺铣，不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。

2.3.2 专门的CAD/CAM编程策略

CAD/CAM编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进结速率变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：一是尽可能减少程序块，以提高程序处理的速度；二是在程序段中加人一些圆弧过渡段，以尽可能减少速度的急剧变化；三是粗加工不是进行简单的去除材料，而是注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，以尽可能减少铣削负荷的变化；四是宜多采用分层顺铣方式；并且切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证恒定的切削条件；五是应充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。

3 高速切削技术应用

3.1 在航空工业的中的应用

飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成的部件，改用整体实心材料制造，即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大。采用高速切削加工技术，加工时间可缩短到原来的几分之一。

3.2 在模具加工中的应用

模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小，浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率的，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高，周期缩短。

3.3 在汽车工业加工中的应用

汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机床加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司，凡技术变化较快的汽车零件，如：气缸盖的气门数目及参数经常变化，现一律用高速加工中心来加工。

3.4 Ni基高温合金

Ni基高温合金和Ti合金常用来制造发动机零件，因它们很难加工，一般采用很低的切削速度。如采用高速加工，则可大幅度提高生产效率、减小刀具磨损、提高零件的表面质量。

3.5 扩展应用领域

硬切削，常规切削加工不能加工淬火后的材料，而高速切削可以加工淬硬工件，使复杂曲面零件可以通过高速铣削一次装夹完成从粗加工到精加工的等全部工序，甚至能省略电加工和手工抛光工序，大大缩短制造周期。干式切削也是高速切削扩展的领域，高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响。此外，高速切削加工也可用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表的加工。