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數(shù)控高速切削加工
數(shù)控高速切削加工【1】
【摘 要】數(shù)控高速切削加工以高效率和高精度為基本特征，它在切削機(jī)理上是對傳統(tǒng)切削的重大突破，是近20多年來迅速崛起的先進(jìn)制造技術(shù)之一。
文章介紹了“數(shù)控高速切削加工”的內(nèi)涵、優(yōu)勢、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨向，提出了在實現(xiàn)高速切削加工中應(yīng)關(guān)注的主要問題。
【關(guān)鍵詞】高速;加工機(jī)理;優(yōu)勢;推廣價值
1.前言
高速切削加工是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)，在常規(guī)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(yīng)用能夠得到解決。
“高速切削”的概念是由德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度與切削溫度理論。
該理論的核心是：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一速度極限后，切削溫度隨著切削速度的提高反而降低。
隨后，高速切削技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段：高速切削的設(shè)想與理論探索階段(193l—l971年)，高速切削的應(yīng)用探索階段(1972-1978年)，高速切削實用階段(1979--1984年)，高速切削推廣階段(20世紀(jì)90年代至今)。
對高速切削加工的界定有以下幾種劃分思路：一是以主軸轉(zhuǎn)速作為界定高速切削加工的尺度，認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速在10000-20000r/min以上即為高速切削加工;二是以主軸直徑D和主軸轉(zhuǎn)速n的乘積Dn來界定，當(dāng)Dn值達(dá)到(5～2000)×105mm.r/min，則認(rèn)為是高速切削加工，新近開發(fā)的加工中心主軸DN值大都已超過100萬;三是以切削速度高低來區(qū)分，認(rèn)為切削速度跨越常規(guī)切削速度5至10倍即為高速切削加工。
2.數(shù)控高速切削加工的優(yōu)勢
隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。
同時，高速切削加工的“量小速快”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(yīng)力變形，十分有利于剛性差和薄壁零件的加工。
高速切削加工中，主軸轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離了機(jī)床的低階固有頻率，提高了切削系統(tǒng)的剛性，進(jìn)而使產(chǎn)品表面質(zhì)量獲得提高。
數(shù)控高速切削加工和常規(guī)切削相比的主要優(yōu)勢可歸納為：第一，生產(chǎn)效率可提高3～10倍。
第二，切削力可降低30%以上。
第三，切削熱95%被切屑及時帶走，特別適合加工容易熱變形的零件。
第四，機(jī)床的激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，工作平穩(wěn)，適合加工精密零件。
第五，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
3.數(shù)控高速切削加工的應(yīng)用
數(shù)控高速切削工藝的應(yīng)用，能使制造成本降低20%左右，產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長點。
以某鍛造廠加工曲軸和連桿鍛模為例，傳統(tǒng)的加工工序為：外形粗加工→仿形銑粗加工型槽→熱處理→外形精加工→數(shù)控電火花粗、精加工型槽→鉗工打磨拋光型槽→表面強(qiáng)化處理。
而采用高速切削加工后的工序為：外形粗加工→熱處理→外形精加工→高速銑加工型槽→表面強(qiáng)化處理。
通過高速銑削加工直接完成淬硬鋼模具，使生產(chǎn)成本從傳統(tǒng)工藝的27000多元降到22000元。
高速切削加工具備過程平穩(wěn)、振動小的特點，與常規(guī)切削相比，可提高加工精度1～2級，并能取消后續(xù)的光整加工。
同時，采用數(shù)控高速切削加工工藝，可以在一臺機(jī)床上實現(xiàn)對復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的粗、精加工，減少了轉(zhuǎn)工序中多次裝夾帶來的定位誤差，也有利于提高工件的加工精度。
如某企業(yè)加工的鋁質(zhì)模具，模具型腔長達(dá)1500mm，要求尺寸精度誤差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。
原先的制造工藝為：粗刨→半精刨→精刨→鏟刮→拋光，制造周期為60小時。
采用高速切削加工工藝后，改為半精加工和精加工，加工周期僅需6小時，加工效率提高近10倍。
可見，高速切削加工在制造業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
4.數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
高速切削加工不僅包含著切削過程的高速，還包含了工藝過程的集成和優(yōu)化，可謂是加工工藝的統(tǒng)一。
高速切削加工是在數(shù)控裝置、機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計、制造工藝、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計制造工藝、高效高精度測量測試工藝、高速切削工藝等諸多技術(shù)均獲得充分成熟之后綜合而形成，可謂是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
高速切削加工應(yīng)用中還存在著一些有待解決的問題，如對高硬度材料的切削機(jī)理、刀具在載荷變化過程中的破損內(nèi)因的研究，高速切削數(shù)據(jù)庫的建立，適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)的開發(fā)等。
數(shù)控高速切削加工所用的CNC機(jī)床、刀具和CAD/CAM軟件等，價格昂貴，初期投資較大，在一定程度上也制約著高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。
實現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下：
4.1高速切削機(jī)理的研究
高速切削加工過程是導(dǎo)致工件表面層產(chǎn)生高應(yīng)變速率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦行為形成的為熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場的制造工藝。
與傳統(tǒng)的切削加工相比，加工中工件材料的力學(xué)性能、切屑形成、切削力學(xué)、切削溫度和已加工表面形成等都有其不同的特征和規(guī)律。
各類材料在高速加工前提下，切屑的形成機(jī)理，切削力、切削熱的轉(zhuǎn)變規(guī)律，刀具磨損規(guī)律及對加工概況質(zhì)量的影響規(guī)律，都有了極大的變化。
通過對以上理論的研究，有利于促進(jìn)高速切削工藝規(guī)范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝擬定能夠提供理論依據(jù)。
4.2高速切削機(jī)床的配備
高速切削機(jī)床是實現(xiàn)高速切削加工的必備條件，高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)和高速CNC控制系統(tǒng)是關(guān)鍵。
它要求具備高性能的主軸單元和冷卻系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、安全裝置和監(jiān)控系統(tǒng)以及優(yōu)良的靜動力特性，具有技術(shù)含量高、機(jī)床制造難度大等特點。
通常，選用高速數(shù)控車床、加工中心，也有釆用專用的高速銑、鉆床，它們都具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)。
一般主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min以上，有的甚至高達(dá)60000-100000r/min，且要保證動態(tài)和熱態(tài)機(jī)能。
也可釆用高速絲桿或直線電機(jī)，提高機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。
目前，直線電機(jī)最高加速度可達(dá)2-10G(G為重力加速度)，最大進(jìn)給速度可達(dá)60-200m/min或更高。
4.3高速切削工藝的刀具
隨著切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工藝都要能適應(yīng)新的環(huán)境。
刀具系統(tǒng)必需具有較高的幾何精度和裝夾再定位精度，以及較高的裝夾剛度。
高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必需滿足動平衡要求，盡可能減輕刀體質(zhì)量，以減輕高速扭轉(zhuǎn)時所受到的離心力。
高速切削中常用的刀具材料有單涂層或多涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石等，高速切削刀具刀刃的外形正向著高剛性、復(fù)合化、多刃化和超精加工方向發(fā)展。
4.4數(shù)控編程系統(tǒng)要求
高速切削有著比傳統(tǒng)切削更特殊的工藝要求，除了要具備高速切削機(jī)床和高速切削刀具外，還要有合適的CAM編程軟件。
高速加工的CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等特點。
高速切削應(yīng)用程序首先要注意加工的安全性和有效性;其次，要保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命;第三，要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。
通常，使用的CNC軟件中的編程功能都不能滿足在整個切削過程中保證切削載荷不變的要求，需要由人工加以填補(bǔ)和優(yōu)化，這在一定程序上降低了高速切削的價值。
因此，必需研究一種全新的編程方式，使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特征，充分發(fā)揮數(shù)控高速切削加工的優(yōu)勢。
目前，引進(jìn)的CAM軟件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添適合于高速切削的編程模塊，為高速切削加工的應(yīng)用提供了良好的條件。
5.結(jié)束語
由于數(shù)控高速切削加工在提高生產(chǎn)效益、降低制造成本中潛力巨大，美國、日本等國早在上世紀(jì)60年代初，就起動了超高速切削機(jī)理的研究。
1978年美國完成了對高速加工數(shù)控銑床的改造，完成主軸轉(zhuǎn)數(shù)30000r/min與100000r/min的重要參數(shù)指標(biāo)。
現(xiàn)在，歐美等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的各類超高速機(jī)床已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，在飛機(jī)、汽車及模具制造行業(yè)中獲得了大量的應(yīng)用。
我國在研究和開發(fā)高速切削工藝方面，與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，仍存在著較大的差距。
為適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，滿足航空航天、汽車、模具等各行業(yè)的制造需求，必需加強(qiáng)對高速加工工藝基本理論的研究，加快高速主軸單元和高速進(jìn)給單元的開發(fā)，努力實現(xiàn)高速機(jī)床的國產(chǎn)化，開發(fā)適應(yīng)高速加工的CAD/CAM自主軟件系統(tǒng)和后置系統(tǒng)，建立新型檢測工藝監(jiān)控系統(tǒng)。
發(fā)展數(shù)控高速切削加工是提高加工效率和質(zhì)量、降低成本的主要途徑，把當(dāng)前的高速切削水平實用化，使我國機(jī)械加工業(yè)整體切削效率提高1～2倍，縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距，是我國從事制造行業(yè)專業(yè)人員在新世紀(jì)的奮斗目標(biāo)。
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數(shù)控高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)【2】
摘 要：隨著科技水平的提高，越來越多的生產(chǎn)技術(shù)被開發(fā)出來。
其中，高速切削加工技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用大幅度地提高了機(jī)械加工效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量，本文主要針對高速切削加工技術(shù)，介紹它的優(yōu)點，分析高度切削技術(shù)涉及到的高度切削加工機(jī)床、刀具等諸多問題。
對數(shù)控高速切削加工技術(shù)的具體應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：高速切削;切削刀具;工藝
隨著時代的進(jìn)步與發(fā)展，為了更好地滿足人們生產(chǎn)生活活動的需求，許多的新產(chǎn)品也開始陸陸續(xù)續(xù)地出現(xiàn)，而且這些新產(chǎn)品也提出了個性化的特征。
對于這些新產(chǎn)品而言，在其開發(fā)過程中，往往都需要使得零件功能、結(jié)構(gòu)以及材料發(fā)生較大的變化。
伴隨著科技水平的不斷提升，作為先進(jìn)制造技術(shù)重要組成部分的高速切削技術(shù)在生產(chǎn)生活中得到了越來越多的應(yīng)用。
1 數(shù)控高速切削技術(shù)的定義
所謂的數(shù)控高速切削技術(shù)，它所指的也是切削加工技術(shù)的一種，但是這種切削加工技術(shù)相比于傳統(tǒng)的切削技術(shù)而言，其切削的速度高出了很多倍。
因此有的時候數(shù)控高速切削技術(shù)也被人們叫做高速切削。
所以從數(shù)控高速切削技術(shù)的定義中我們不難發(fā)現(xiàn)，實質(zhì)上這里所說的“高速”只是一個相對的概念，“高速”這一概念往往會因為加工條件、加工材料等的不同而發(fā)生變化，比如說在對于不同的材料進(jìn)行切削加工時，其切削的速度就有可能會不同。
所以說對于切削速度的劃分應(yīng)該考慮多方面因素的影響，而不能夠一概而論，比如說對于不同的切削條件而言，則應(yīng)該有一個對應(yīng)的切削速度范圍。
就數(shù)控高速切削技術(shù)而言，我們往往很難從整體上采用定量的方式來對其加以定義，但是在這一技術(shù)的實際應(yīng)用中，這里的速度一般都是指的機(jī)器的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。
2 數(shù)控高速切削加工技術(shù)的優(yōu)勢
對于數(shù)控高速切削加工技術(shù)而言，它實質(zhì)上整合了許多的制造技術(shù)，因而也就具有更多的優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)而言，它在切削速度、進(jìn)給速度以及切削機(jī)理等方面都發(fā)生了重大的改變，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
2.1 有效提高加工效率
加工效率的提高是數(shù)控高速切削加工技術(shù)最重要的優(yōu)勢之一，因為隨著切削速度的加快，加工效率的提高是必然的結(jié)果。
一般通過該技術(shù)來進(jìn)行切削加工，在單位時間內(nèi)，材料的切除率往往能夠達(dá)到傳統(tǒng)切削技術(shù)的三到六倍。
而且在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，機(jī)床的快速空程速度也得到了有效的提高，這樣就可以使得非切削的空行程時間大大的減少，對于提高產(chǎn)品加工效率也有著非常重要的意義。
2.2 適用于熱加工
數(shù)控高速切削加工技術(shù)還適用于熱加工，這也是傳統(tǒng)切削加工技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。
因為在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，由于切削的速度非常快，所以在切削的過程中雖然會產(chǎn)生一定的熱量，但是至少有98%的切削熱都會因為切削速度過快而被切削直接帶走，這樣就使得工件的溫度保持在了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
因而對于那些容易產(chǎn)生熱變形的工件而言，該技術(shù)是一種非常有效的加工技術(shù)。
2.3 適用于精密加工
在對一些剛性較差的零件進(jìn)行加工的時候，數(shù)控高速切削加工技術(shù)也有著非常大的優(yōu)勢，因為在進(jìn)行高速切削的時候，如果切削速度達(dá)到了一定的值，相應(yīng)的切削力就會有所下降，所以在對這些薄壁類剛性較差的零件進(jìn)行精密加工時，這一技術(shù)就有著非常大的優(yōu)勢。
2.4 可以加工各種難加工材料
在加工中我們通常會遇到一些比較難加工的材料，這類材料往往具有強(qiáng)度大、硬度高以及切削溫度過高等特征，比如說鎳基合金和鈦合金等，采用傳統(tǒng)的切削方式對其進(jìn)行加工，往往十分容易對刀具造成損害，而如果利用數(shù)控高速切削加工技術(shù)來對其進(jìn)行處理，往往就能夠取得較好的加工效果。
3 數(shù)控高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 提高切削效率
刃口鈍化處理工藝對于提高切削效率有著重要的作用，按照目前人們的認(rèn)知情況，在加工鈦合金金屬的時候，使用刃口比較鋒銳的刀具對于提高切削效率是有益的，但是實際情況卻是通過改變刀具的微觀幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，同樣可以提高切削效率，為了更好地滿足切削的要求，并不只是要求切削的速度有所提升，同時還需要在數(shù)控機(jī)床、刀具材料等方面取得一定的突破，這樣才能夠使得切削效率得到更為顯著的提高。
3.2 正確選擇刀具
工欲善其事必先利其器，在進(jìn)行數(shù)控高速切削加工的過程中，刀具對于切削的效率及質(zhì)量都有著非常重要的影響，所以如果對于刀具的選擇不合理，會使昂貴、復(fù)雜的機(jī)床或者加工系統(tǒng)完全不起作用。
由于高速切削技術(shù)的高速運(yùn)行，而高速加工線速度只要是受到刀具的限制，所以在目前數(shù)控機(jī)床可以達(dá)到的速度范圍之內(nèi)，速度越快，對刀具的磨損也就越嚴(yán)重。
所以，高速切削加工技術(shù)對刀具材料提出了更高的要求，同時數(shù)控高速切削技術(shù)與普通的數(shù)控加工技術(shù)也有著更大的差別，所以在對刀具進(jìn)行選擇時，必須要依據(jù)該技術(shù)的實際要求，合理地選擇刀具的路徑規(guī)格。
比如說刀具的選擇應(yīng)該保證切削體積的相同，同時還需要有利于維持穩(wěn)定的切削速度，最后刀具的運(yùn)轉(zhuǎn)還需要能夠與進(jìn)給速度保持一致。
3.3 合理選擇切削用量
在進(jìn)行數(shù)控編程的過程中，工作人員必須要對于每一道工序的切削用量加以確定，并且將其以指令的形式寫入到相應(yīng)的數(shù)控程序之中。
針對不同的加工方法，其所需要的切削用量往往也是不同的，切削深度應(yīng)該根加工余量來確定，粗加工的時候，除了留下精加工的余量外，還應(yīng)該盡可能的一次走刀切除全部粗加工余量。
4 總結(jié)
總而言之，數(shù)控高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分之一，它在許多領(lǐng)域都得到了充分的應(yīng)用，并且體現(xiàn)出了其獨有的優(yōu)勢，數(shù)控高速切削加工技術(shù)為我國工業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)，尤其是在航空航天、汽車以及模具制造等領(lǐng)域，它的應(yīng)用使得生產(chǎn)的效率得到了有效的改善。
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