高速切削技术

高速切削技术应用浅析

张宁贾朝瑾

摘要：

引言

随着高速，高性能，高精密化的数控机床快速发展；金属切削加工对加工质量和加工效率的要求越来越高。高速切削作为一项新的实用加工技术，克服了一些传统切削加工的不足，已成为现代切削加工技术的重要发展方向。高速切削技术之所以得到越来越广泛的应用，是因为它相对于传统加工具有几个显著的优势：第一.可以提高生产率，第二.降低了切削力，第三.提高了加工质量，第四，降低了加工能耗，节约了制造资源。

高速切削加工较传统加工虽然有着显著的优势，但高速加工在其切削加工过程中也提出了较传统加工更多更为细致的要求。

高速切削技术通常认为采用的切削速度和进给速度比常规加工速度高5--10倍的加工方式就是高速加工。并非普通意义上的采用大的切削用量来提高加工效率的加工方式。而是采用高转速，快进给。小背吃刀量和小进给量来去除余量。完成零件加工的过程。切削加工时，切削温度随切削速度升高而很快提高，但到一定速度后，因切屑带走的热量随切削速度的提高而增加，切削温度升高逐渐很慢，直至很少变化;随切削速度的进一步提高，切削温度达到峰值后反而下降，而切削速度却高出很多。所以高速切削技术对刀具材料及刀具系统提出了更高的要求。

一.高速切削对刀具材料的要求。

刀具材料(1)优异的高温力学性能，要求刀具在高温下保持高的高温强度高硬度及抗热冲击性。在加工导热性差的零件时，还应具有良好的导热性能，以利于切削区热的迅速传出降低切削区温度。(2)良好的化学稳定性，减小高温对化学作用的催化作用，保持刀具材料在高温下优异的抗黏结性能和抗扩散性能。(3)高可靠性。由于刀具材料组分和结构的分散性，刀具的静动态性能会有一定的差别，同时刀具在使用过程中的磨损与破损，将会影响刀具的寿命、质量稳定性、切削刃重复定位精度，因此，应具有高的可靠性。目前适合进行高速切削的刀具材料有金刚石(PCD)、立方氮化硼(PCBN)、陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金和超细晶粒硬质合金等。但每一品种的刀具材料都有其最佳的加工对象，即存在切削刀具与加工对象德尔合理匹配问题。刀具，工件两方面材料的力学，物理和化学性能必须得到合理的匹配，切削过程才能正常进行，并获得正常的刀具寿命；否则，刀具就可能急剧磨损，刀具寿命缩短。所以，选用高速切削刀具时必须根据要加工的工件和加工材料进行合理选择，这也是成功进行高速切削加工的关键之一。

二.高速切削对刀具系统的要求

所谓刀具系统就是有装夹刀柄与切削刀具所组成的完整刀具体系。装夹刀柄与机床接口相配，切削刀具直接加工被加工零件，两者都很重要。高速切削加工刀具系统必须满足以下条件。系统的刚性装夹刚性要好，传递转矩大，体积小; ，刀具系统的静，动刚性是影响加工精度及切削性能的重要因素。所以静动平衡性要好。如果刀具系统刚性不足，将导致刀具系统振动或倾斜，使加工精度和加工效率降低。同时，系统振动又会使刀具磨损加剧，降低刀具和机床的使用寿命。

安全性高

作为应用与高速切削加工的刀具系统，在高转速情况下会产生很大的离心力，造成两种危险；一是普通弹簧夹头夹紧力会下降；二是大直径刀具可能会破坏，同时，飞溅的切削和崩刃具有很高的动作，在高速切削时，刀具的转速在10000--20000r/min以上，此时，刀体、刀片

及刀片的夹紧零件受到很到离心力的作用，当转速达到某一临界值时，足以使夹紧螺钉断裂，刀片甩出，甚至整个刀体破裂。

刀具的平衡刀具或工具系统由于结构的不对称或制造，组装的误差带来的偏心，相对于回转中心会存在不平衡量。在高速旋转时会产生周期的径向跳动力。作用在主轴的轴承系统，甚至传递至机床的其他部位，影响加工质量。刀具寿命和机床的性能。为此，对高速旋转刀具的许用平衡量，最高使用转速做出了规定。

系统精度高。系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度及良好的精度保持性。具备这些精度要求的刀具系统，才能保证高速加工整个系统的静态和动态稳定性，从而满足高速，高精加工的要求。

三. 高速切削加工对机床系统的要求

随着计算机技术的发展，现代数控设备的功能越来越全面。具体表现为：一是用户界面图形化，二是科学计算可视化，三是插补和补偿方式多样化，四是内装高性能数控系统，五是多媒体技术应用。

不过要实现高速切削必须服从以下条件：（1）使适用于高速运转的主轴部件及驱动系统；主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电机来实现，并使电机和机床主轴合二为一，构成所谓的电主轴。由于电主轴结构紧凑，重量轻，惯性小，响应特性好，并且避免振动与噪音，因而是高速主轴单元的理想结构。（2）高速主轴单元的核心是高速精密轴承：高速主轴克采用的轴承包括空气轴承，静压轴承，动压轴承，滚动轴承和磁浮轴承。目前空气轴承受到切削载荷较小及较小过载能力的限制，静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而转速受限，故这两种轴承应用受限。动静压混合轴承采用流体动力和流体静力结合的方法，使轴承在油膜支撑中旋转，具有径向和轴向跳动精度高、刚度好、阻尼特性好、粗精加工均适用，轴承寿命无限长等优点。（3）高速轴承的应用：在高速旋转条件下，滚动轴承中滚动体的离心力和陀螺力将急剧增大。为减少滚珠离心力，一般采取两种措施，一是减少滚珠直径，二是采用氯化硅陶瓷材料做滚珠。（4）合理的选择润滑方式：主轴润滑为高速主轴转速的提高起着重要作用，特别是滚动轴承，采用油空气润滑或喷油润滑。采用空气润滑后，轴承的DN值将比脂润滑提高30%--50%。（5）快速反应的数空伺服系统和进给部件：高速机床是精密的数控机床。在进行高速切削时，为保持刀具每齿进给量不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅提高。（6）高速切屑的处理方法：大流量喷射冷却系统在高速切削时，单位时间内将产生大量的热切屑，必须把它迅速从工作台清除，以免防碍高速切削的正常进行，避免产生机床刀具和工件的热变形。（7）“三刚”（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承元件。

四. 高速加工程序编制的内容及策略

高速加工的程序编制技术是一项综合性很强的技术，包括了很多方面的综合因素。一个程序编的是否恰当，直接影响零件的加工时间和加工质量。另外，采用合适高速加工的编程策略也至关重要，只有这样才能科学的编出最优和最实际的高速加工程序，充分发挥高速加工的特长，从面实现零件高速加工的优质、高产和低耗。

数控程序编程的主要内容：1）认真分析加工要求并进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀线路和切削用量。2)建立工件的几何模型，计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹。3）按照数控系统所接受的程序格式生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到得出合格的加工程序。

相比传统加工方式，高速加工对工艺走刀方式有着特殊的机能要求，因而在程序编制时要注意以下问题：（1）避免走刀时刀具轨迹的突然变化，保持加工过程中刀具轨迹的平稳和连续性，避免突然加速或减速，否则会因局部过切造成刀具和设备的损坏。（2）下刀或刀行间过渡部分采用斜式下刀或圆弧下刀，避免直上直下下刀。当刀具与被加工曲面呈90度时，意

味着刀具的刃口只有很少一部分在工作，这样刀具的使用寿命会大大缩短。同时，在给定转速时，刀具的刀尖相比全刀宽切削时移动的距离较短，导致材料去除率也降低。（3）行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接。（4）除非必须使用时，应尽量避免全刀宽切削。（5）避免多余空刀造成重复计算，这对CAM系统的刀具轨迹编辑优化功能要求也很高，可以通过这些功能对刀具轨迹进行镜像，复制，旋转等操作，可以精确地裁减空刀数量以提高效率。