高速切削加工應用的關鍵技術

    數控高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術，是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術。在常規切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的應用得到了解決。其切削速度、進給速度相對于傳統的切削加工，以級數級提高，切削機理也發生了根本的變化。與傳統切削加工相比，切削加工發生了本質性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高，從而縮短了產品的制造周期，提高了產品的市場競爭力。同時，高速加工的小量快進使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。在模具的高淬硬鋼件(HRC45～65)的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的制造和費時的電加工時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優點在資金回轉要求快、交貨時間緊急、產品競爭激烈的模具等行業是非常適宜的。

高速切削加工

    高速加工切削系統主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統、高速切削刀具、安全可靠的高速切削CAM軟件系統等構成，因此，高速加工實質上是一項大的系統工程。隨著切削刀具技術的進步，高速加工已可以應用于加工合金鋼(HRC>30)，廣泛地應用于汽車和電子元件產品中的沖壓模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類型。圖1是采用高速加工時對不同材料普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時為常規采用的順銑速度。

    隨著高速加工的應用范圍擴大，對新型刀具材料的研究、刀具設計結構的改進、數控刀具路徑新策略的產生和切削條件的改善等也有所提高。而且，切削過程的計算機輔助模擬技術也出現了，這項技術對預測刀具溫度、應力、延長刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模、熱壓模和注塑模加工的應用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應用范圍的擴大。工業領先的國家在沖模和鑄模制造方面，研制時間大部分耗費在機械加工和拋光加工工序上，如圖1所示。沖�；蜩T模的機械加工和拋光加工約占整個加工費用的2/3，而高速銑可正好用來縮短研制周期，降低加工費用。

高速銑削加工機床

    超高速切削技術是切削加工的發展方向，也是時代發展的產物。高速切削技術是切削加工技術的主要發展方向之一，它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發展而邁上更高的臺階。然而，高速切削技術自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數據庫、開發適用于高速切削加工狀態的監控技術和綠色制造技術等。高速切削所用的CNC機床、刀具和CAD/CAM軟件等，技術含量高，價格昂貴，使得高速切削投資很大，這在一定程度上制約了高速切削技術的推廣應用。高速切削的高效應用要求機床系統中的部件都必須先進，主要表現在以下幾個方面：

機床結構的剛性

    要求提供高速進給的驅動器(快進速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s²到10m/s²的加速度和減速度。

主軸和刀柄的剛性

    要求滿足10000r/min到50000r/min的轉速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大于0.0002英寸。

控制單元

    要求32或64位并行處理器，具有高的數據傳輸率，能夠自動加減速。

可靠性與加工工藝

    能夠提高機床的利用率(6000h/y)和無人操作的可靠性，工藝模型有助于對切削條件和刀具壽命之間關系的理解。

    常見國內外高速加工中心的代表如表1所示。與傳統普通數控機床相比，其機床結構、加工速度和性能表現更加優秀，如德國的DMC85高速加工中心，采用直線電機和電主軸，其主軸轉速達到30000r/min，進給速度達到120m/min，加速度超過1g(重力加速度)。高速機床要求高性能的主軸單元和冷卻系統、高剛性的機床結構、安全裝置和監控系統以及優良的靜動力特性等，具有技術含量高、機床制造難度大等特點。目前國內的高速機床，其性能與國外相比還存在一定的差距。

高速切削加工的刀柄和刀具

    由于高速切削加工時離心力和振動的影響，要求刀具具有很高的幾何精度和裝夾重復定位精度，很高的剛度和高速動平衡的安全可靠性。由于高速切削加工時較大的離心力和振動等特點，傳統的7:24錐度刀柄系統在進行高速切削時表現出明顯的剛性不足、重復定位精度不高、軸向尺寸不穩定等，主軸的膨脹引起刀具及夾緊機構質心的偏離，影響刀具的動平衡能力。目前應用較多的是HSK高速刀柄和國外現今流行的熱脹冷縮緊固式刀柄。熱脹冷縮緊固式刀柄的加熱系統，其剛性較好，但是刀具可換性較差，一個刀柄只能安裝一種連接直徑的刀具。由于此類加熱系統比較昂貴，在初期時采用HSK類的刀柄系統即可。當企業的高速機床數量超過3臺以上時，采用熱脹冷縮緊固式刀柄比較合適。

    刀具是高速切削加工中最活躍重要的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動等載荷，因此其硬度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性能和經濟性等基本性能是實現高速加工的關鍵因素之一。同時不同的材料的工件高速切削在刀具的選用上要注意其與工件材料的匹配性，表2為常用高速刀具對不同工件材料切削加工的適應性能力。高速切削加工的刀具技術發展速度很快，應用較多的如金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂層硬質合金、(碳)氮化鈦硬質合金TIC(N)等。目前由于高速機床和刀具材料價格比較昂貴是影響高速加工在國內普及的重要原因之一。其中涂層硬質合金在高速加工中應用最為廣泛，可用于耐熱合金、鈦合金、高溫合金、鑄鐵、純鋼、鋁合金及復合材料的高速切削。