高速銑削加工

數(shù)控加工技術(shù)關(guān)耀奇湖南工程學(xué)院機械工程系高速切削加工1數(shù)控加工技術(shù)內(nèi)容提要：

本節(jié)主要介紹數(shù)控高速切削加工的特點、工藝性分析（工藝原則、高速切削方法、刀具的選用）。2數(shù)控加工技術(shù)高速切削簡介

高速切削的概念早在1931年就由德國所羅門博士提出；高速切削（HighSpeedCutting-HSC）是二十世紀九十年代迅速走向?qū)嶋H應(yīng)用的先進加工技術(shù)。高速銑削可用于鋁合金、銅等易切削家屬和淬火鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料以及碳纖維塑料等非金屬材料。在模具加工中，高速銑削可加工淬火硬度大于HRC50的鋼件，因此許多情況下可省去電火花加工和手工修磨，在熱處理后采用高速銑削達到零件尺寸、形狀和表面粗糙度要求。

3數(shù)控加工技術(shù)1.高速切削概述

高速加工是近年來迅速發(fā)展的一項先進制造技術(shù)，它極大促進了加工效率和產(chǎn)品品質(zhì)的提高。高速加工不僅對數(shù)控系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)、刀具提出了新的要求。當以適當高的切削速度（約為常規(guī)速度的5～10倍）加工時，切削刃上的溫度會降低，因此有可能通過高速切削提高加工生產(chǎn)率。六十多年來，人們一直在探索有效、適用、可靠的高速切削技術(shù)，到二十世紀九十年代逐漸在工業(yè)實際中推廣應(yīng)用。

4數(shù)控加工技術(shù)高速切削涉及機床的下列部件特性：

（1）高速主軸單元

（2）快速進給和高加（減）速的驅(qū)動系統(tǒng)

（3）高性能的高速CNC控制系統(tǒng)

（4）高剛性的機床結(jié)構(gòu)

（5）超硬刀具材料、結(jié)構(gòu)和涂層工藝等。5數(shù)控加工技術(shù)高速銑削與常規(guī)銑削加工參數(shù)比較：

高速銑削與常規(guī)銑削加工相比較，高速銑削單位功率金屬切除率提高了30%～40%；切削力降低了30%；刀具的壽命提高了70%；工件的切削熱大幅度降低；切削振動幾乎消失。

比較項目常規(guī)銑削高速銑削加工類型粗

加

工刀具1in球頭立銑刀切削深度（in）0.50.1主軸轉(zhuǎn)速（r/min）13006000進給率（in/min）8120金屬切除率（in3）0.47.26數(shù)控加工技術(shù)2.高速切削的加工特點：加工特點之一就是高速。有75%的熱量被刀屑迅速帶走；

5%的熱量由工件吸收，工件溫度低，對解決切削變形、熱穩(wěn)定性很有好處；使用風冷即可以達到滿意的冷卻效果。

另一個特點是小切削用量。主軸轉(zhuǎn)速可達10000～100000r/min，進給可達20～40m/min，進給加速度可達2g～10g。高速銑削的切寬約為刀具直徑的1/3，切深約為刀具直徑的1/10，在加工中要求不同時進行端銑和周銑。

7數(shù)控加工技術(shù)3.1高速切削的應(yīng)用目前高速切削主要應(yīng)用于以下幾個方面：（1）有色金屬，如鋁、鋁合金，特別是薄壁鋁件的加工。目前已經(jīng)可以切出厚度為0.1mm、高為幾十毫米的成形曲面。（2）石墨加工。（3）模具特別是淬硬模具的加工。高速切削已經(jīng)可以達到很高的表面質(zhì)量（Ra≤0.4um），省去了電加工后面的磨削和拋光的工序。高速切削中形成的已加工表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，還會提高模具工件表面的耐磨性（有統(tǒng)計說模具壽命因此能提高3～5倍），因此，鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能。（4）硬的、難切削的材料，如耐熱不銹鋼等。

8數(shù)控加工技術(shù)3.2高速切削的限制作為一種新的技術(shù)，高速切削的優(yōu)點是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化。但目前即使是在金屬切削機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對高速切削技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索當中。有待于解決的問題：比如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題，機床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩傳輸）、冷卻潤滑液的選擇、CAD/CAM的程序后置處理問題、高速切削時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。主軸轉(zhuǎn)速為10～42000r/min這樣的高速切削在實際應(yīng)用時仍受到一些限制.9數(shù)控加工技術(shù)3.2高速切削的限制（1）刀具必須采用HSK的刀柄，外加動平衡，刀具的長度不能超過120mm，直徑不能超過16mm，且必須采用進口刀具。這樣，在進行深的型腔加工時便受到限制。（2）扭矩極小，通常只有十幾個N·m，最高轉(zhuǎn)速時只有5～6N·m。這樣的高速切削，一般只能用來進行石墨、鋁合金、淬火材料的精加工。（3）應(yīng)盡可能提高進給量，以保證機床既能進行粗加工，又能進行精加工，既省時效率又高。（4）針對傳統(tǒng)的加工方式和不同的被切削材料，應(yīng)選擇合適的刀具材料來實現(xiàn)高速加工，而不能一味地追求高速，為高速而高速。高速切削的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言，陶瓷、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于對鋼鐵等黑色金屬的高速切削；PCD和CVD等刀具則適用于對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速切削。

10數(shù)控加工技術(shù)3.3高速切削對CAM系統(tǒng)的要求CAM系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計算編程速度全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查進給率優(yōu)化處理功能符合高速切削要求的豐富的加工策略高速切削對編程人員的要求與編程方式的改變11數(shù)控加工技術(shù)3.4高速切削要求的加工策略1）應(yīng)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以避免因局部過切而造成刀具或設(shè)備的損壞；2）應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn)，避免突然加速或減速；3）下刀或行間過渡部分最好采用斜式下刀或螺旋下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；4）行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接；5）應(yīng)盡量避免全力寬切削；6）殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工，直至達到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成；7）刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要，應(yīng)避免多余空刀，可通過對刀具軌跡的攝像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作來避免重復(fù)計算；8）刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀提高效率；也可用于零件局部變化編程，僅需編輯修改邊際，無需對整個模型重新編程。12數(shù)控加工技術(shù)3.5高速切削技術(shù)的發(fā)展和展望（1）在提高機床進給速度的同時保持機床精度。目前銑削輪廓的進給速度是500～600in/min，這個速度還要提高一倍；（2）快換主軸。主軸看作刀具，用極快的速度交換，這樣做可以延長主軸的壽命；（3）高、低速度的主軸共存。在同一臺機床上，高速主軸和普通主軸同時存在，可以擴大機床的使用范圍，以適應(yīng)不同材料和尺寸工件的加工；（4）改善軸承技術(shù)。軸承的潤滑、在軸承滾道上用鉻鈦鋁鎳鍍層、采用陶瓷球以增加剛度和減少質(zhì)量等等。磁懸浮軸承的推廣應(yīng)用，使軸承的Dn值達到2，000，000；（5）改進刀具和主軸的接觸條件；（6）更好的動平衡；（7）高速冷卻系統(tǒng)。13數(shù)控加工技術(shù)4.高速切削工藝分析

1)高速銑削的工藝過程與原則:

高速銑削要求保持切削載荷平穩(wěn)，最大限度地減少速率損失，同時使程序處理速度最大化。銑削時沒有劇烈的變化，其前提是要求合理的粗加工和半精加工方案，上道工序的較為均勻的加工余量，是高速銑削發(fā)揮優(yōu)勢的基礎(chǔ)之一。

14數(shù)控加工技術(shù)

對于一個高速加工任務(wù)，要把粗加工、半精加工、精加工作為一個整體過程來考慮，設(shè)計出一個包括選用刀具和設(shè)置切削參數(shù)在內(nèi)的合理的加工方案，從總體上達到加工的高質(zhì)量和生產(chǎn)的高效率，充分發(fā)揮高速銑削的優(yōu)勢，就是高速銑削工藝設(shè)計的原則。高速銑削不僅僅是高的切削速度，應(yīng)該把它看作一個過程，它的各個工序的完成，需要有非常特定的方法和依靠高精度的生產(chǎn)設(shè)備。高速銑削是一種高生產(chǎn)率的加工，對小尺寸的工件，適合從粗加工到精加工，對其他尺寸的工件，適合精加工和超精加工。

15數(shù)控加工技術(shù)粗加工的高速銑削要求：

（1）刀具總是以５°傾角，以螺旋或傾斜方式進入工件材料；（2）根據(jù)刀具材料、工件材料、機床和ＣＮＣ系統(tǒng)的能力和條件。使進給率與主軸轉(zhuǎn)速之比值應(yīng)該達到最佳；（3）即使在減少進給量或刀具停止時也要避免急劇改變切削方向。在嚴重情況下會造成刀具的立即損壞；（4）為了平穩(wěn)從容地加工硬化了的材料，徑向進給量不得大于6%～8%的刀具直徑，深度進給量最大不超過5%的刀具直徑；（5）在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，在工件加工表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。

16數(shù)控加工技術(shù)半精加工的高速銑削要求：

（1）避免急劇的銑切運動；（2）為了避免過切，刀具直接下沉到下一個切削平面；（3）徑向切削量小于6%～8%的刀具直徑；（4）滿足均勻切削條件。

17數(shù)控加工技術(shù)精加工的高速銑削要求：

（1）避免急劇變化的刀具運動；（2）避免在外形輪廓上進刀和退刀。在輪廓銑中直接下沉到下一個深度。直接下沉，可通過螺旋或斜坡式下沉；（3）每齒的橫向進給量要與徑向進給量相當；（4）用刀具的粗糙度值計算步距；（5）每齒進給量為常數(shù)可達到最好的表面加工質(zhì)量。

18數(shù)控加工技術(shù)高速銑削的工藝特點：

（1）很窄的公差帶；（2）淺切削；（3）高的切削速度（達到機床極限）；（4）用斜坡和螺旋式進刀；（5）大量采用分層切削；（6）輪廓加工采用小的粗糙度；

（7）多用球頭刀和圓角立銑刀；（8）切削的切除率盡量保持常數(shù)；（9）防止產(chǎn)生切削的二次切斷。

19數(shù)控加工技術(shù)2）高速銑削方法

能夠適應(yīng)于高速切削加工用的高質(zhì)量、高性能、高可靠性的加工設(shè)備和裝置是高速銑削的物質(zhì)基礎(chǔ)，高速加工成功與否取決于技術(shù)鏈：機床－主軸－工夾－刀具－刀片，高的切削速度對切屑用量、表面加工質(zhì)量、切削力和刀具壽命都有很大影響。適應(yīng)高速銑削的CAM系統(tǒng)在數(shù)控編程方法上也帶來了本質(zhì)的改變。

20數(shù)控加工技術(shù)高速銑削中CAM的特點：

高速銑削的順利進行，對CAM系統(tǒng)提出了更高的要求，大多數(shù)工藝問題也都是通過CAM系統(tǒng)來得到體現(xiàn)的。具體體現(xiàn)如下：

（1）進退刀控制

（2）移刀方法

（3）刀路軌跡的拐角處理

21數(shù)控加工技術(shù)5.1高速銑削刀柄的選用

由于在高速切削時，切削力已經(jīng)不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄，而是短圓柄，即HSK型柄，不需拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響。重要的是需要動平衡，即需加上動平衡環(huán)，在裝好刀具后，由動平衡儀進行平衡。刀具本身采用整體硬質(zhì)合金刀，或在硬質(zhì)合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金剛石，即PCD等，使刀具可以承受高達300～500m/min的切削線速度。德國標準DIN69893規(guī)定了高速切削用刀具主柄HSK的結(jié)構(gòu)和尺寸，這一標準也已作為國際標準的草案。我國已開始引進使用此刀柄的機床、刀具及其其它配套產(chǎn)品。

22數(shù)控加工技術(shù)5.2高速銑削刀具的選用

高速銑削刀具必須具備可靠的安全性和高的耐用度。高速切削刀具的安全性必須考慮刀具強度、刀具夾持、刀片壓緊和刀具動平衡。高速切削刀具的耐用度與刀具材料、刀尖結(jié)構(gòu)、切削用量、走刀方式、冷卻條件、刀具工件材料匹配等因素有關(guān)。高速銑削刀具材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金剛石刀具。

23數(shù)控加工技術(shù)5.3刀桿結(jié)構(gòu)高速銑削刀具，分為整體式和機夾式兩類。當機床最高轉(zhuǎn)速達到15000轉(zhuǎn)/分時，通常需要采用HSK高速銑刀刀桿，或其他種類的短柄刀桿。24數(shù)控加工技術(shù)刀桿夾緊刀具的方式有側(cè)固式、彈性夾緊式（a）、液壓夾緊式(b)和熱膨脹式(c)等。側(cè)固式難以保證刀具動平衡，在高速銑削式不宜采用。

（a）

（b）(c)25數(shù)控加工技術(shù)6.高速切削對機床的特殊要求（1）主軸轉(zhuǎn)速高、功率大。主軸最高轉(zhuǎn)速一般大于10，000r／min，有的高達60，000～100，000r／min，為常規(guī)機床的10倍左右；主電動機功率為15～80kW，以滿足高速銑削、高速車削等高效、重切削工序的要求。（2）進給量和快速行程速度高。達60～l00m／min以上，為常規(guī)值的10倍。保持刀具每齒進給量基本不變，以保證工件的加工精度和表面質(zhì)量。（3）主軸和工作臺（拖板）運動都要有極高的加速度。主軸從啟動到達最高轉(zhuǎn)速（或相反），只用1～2s的時間。（4）機床要有優(yōu)良的靜、動態(tài)特性和熱態(tài)特性26數(shù)控加工技術(shù)“零傳動”理論“零傳動”是現(xiàn)代高速機床的基本特征，它不但大大簡化了機床的傳動與結(jié)構(gòu)，更重要的是提高了機床的動態(tài)靈敏度、加工精度和工作可靠性。這是為滿足高速加工要求而出現(xiàn)的一種新型傳動方式，是近十年來機床設(shè)計理論和制造技術(shù)的一個重大創(chuàng)新。電主軸是實現(xiàn)高速機床主運動系統(tǒng)“零傳動”的典型結(jié)構(gòu)，而直線電動機高速進給單元則是高速機床進給運動系統(tǒng)實現(xiàn)“零傳動”的典型代表。27數(shù)控加工技術(shù)高速機床的主要組成部件高速機床由一系列具有高速功能的部件及其支承部件組成。主要組成部件有：（1）高速主軸部件（電主軸）。（2）高速進給驅(qū)動和傳動系統(tǒng)。（3）采用最先進的數(shù)控系統(tǒng)。（4）包括安裝、夾緊、快速交換以及實現(xiàn)動平衡的高速刀具系統(tǒng)；（5）適用于高速切削的工件裝夾裝置；（6）高效冷卻和排屑裝置切削時采用油霧潤滑加工區(qū)，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。（7）可靠的安全防護和監(jiān)測裝置；（8）動、靜、熱特性好的床身、立柱和工作臺等支承部件。28數(shù)控加工技術(shù)高速加工中心的技術(shù)特征一是高速切削的技術(shù)指標；二是實現(xiàn)高速切削的機床結(jié)構(gòu)特征。從高速切削的技術(shù)指標來看，高速加工中心必須具備高主軸轉(zhuǎn)速和高進給速度和加速度等提高速度的特征。從機床的結(jié)構(gòu)方面來看，高速加工中心具有提供高旋轉(zhuǎn)速度的主軸單元部件，目前高主軸轉(zhuǎn)速主要由電主軸實現(xiàn)；提供高移動速度進給的伺服和控制系統(tǒng)以及適合于高速運動的機床主體結(jié)構(gòu)等。

29數(shù)控加工技術(shù)高速加工中心的結(jié)構(gòu)特點高速加工中心類機床具有一些共同的結(jié)構(gòu)特點，