高速切削加工技术研究

丁明亮

摘 要：高速切削加工是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有高效率、高精度及高表面质量等特征。通过高速切削加工技术，可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。

关键词：高速;切削;加工;技术

高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。

一、高速切削加工工艺特点

（一）提高生产效率。提高切削用量、增大切削速度、进给量和背吃刀量，都可缩短基本时间，这是机械加工中广泛采用的提高生产率的有效方法。要提高切削效率，缩短切削时间，就要提高单位时间内材料的切除量，它與切削三要素都有关系，且最活跃、影响最大的要素是切削速度，这就是为什么把采用高速切削作为提高切削效率重要途径的原因。与传统切削加工相比，高速加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～50%，切削力降低了40%，刀具的切削寿命提高了80%。例如，高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工。高速切削加工以高于常规切削15倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，所以汽车模具的加工过程平稳。

（二）提高加工质量。由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。高速切削时工件基本处于“无振动”的平稳状态，加之切削力和切削热的影响较小，所以更容易获得较高加工精度的零件。而且由于在较高切削速度范围内切削，积屑瘤、表面残余应力等缺陷也得到了有效控制。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。 因此，利用高速切削的技术优势，以高的切削速度和进给速度、较小的走刀步距和切深、较薄的切屑厚度进行切削加工，可以获得良好的加工精度和表面质量，减少模具抛光工作量70%～100%，大幅度缩短模具开发周期。例如，汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该工作，取得以铣代磨的加工效果

（三）降低加工能耗。由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低45%。同时，由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。在高速切削时，大部分的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，因此加工表面的受热时间短，不会由于温升导致热变形，有利于提高表面精度。另外，高速则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。现在多数企业都算过这笔账来了，加大刀具投入，用高速切削提高生产效率以降低总生产成本。

二、高速切削加工技术

（一）应用高速切削机床。高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。机床必须被认为是整个工艺中不可分割的一部分，在这点上，机床结构通常需要进行调整以适应新情况，有时甚至需要重新设计。高速运转的机床首先要求其机构具有高刚性，要能吸收高频振动及高惯性G值，以确保高速切削精密度及稳定度。高速切削的机床由于其在运行时，主轴运转速度非常之高，因此要求它的机床结构拥有较高的刚性，同时还能吸收高速运动时的振动，以此保证高速切削的精度和稳定性。必须强调的是这些优点只有使用满足高速切削要求的机床才能体会到。出色的动力特性、智能和高效的控制系统以及最新的主轴技术是重要的标准。

（二）选择适合高速切削的刀具。高速切削用的刀具，尤其是高速旋转刀具，从保证加工精度方面以及操作安全方面考虑，都要求刀具及刀柄有更好的质量和性能。由于高速切削高转速和快进给等特点，除了良好的耐磨性和高的强度韧性的先进刀具材料，优良的刀具涂层技术，合理的几何结构参数和高同心度的刀刃精度质量等因素外，还需特别注意其它因素对刀具耐用度的影响。合理安排刀具换刀时间，在选择刀具与确定切削参数时，应考虑所采用刀具的寿命与所确定的换刀时间相适应。一般尽量将换刀时间安排在交班或休息时间，尽量使所有的刀具寿命与所确定的换刀时间相同或为它的倍数。刀具轨迹应避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等功能，避免重复计算。高速机床的这种刀具轨迹编辑、变换、优化处理等功能非常重要。实践证明，如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺技术作指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用。

（三）优化高速切削加工参数。高速切削的主要目标之一是通过高生产率来降低生产成本。它主要应用于精加工工序，常常是用于加工淬硬模具钢。另一个目标是通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力。所以，在高速切削中，必须对切削参数进行优化选择。其中包括优化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣）等。例如，一般主轴转速在11000-21000r/min以上的为高速切削;进给速度很高，通常达16-53m/min，最高可达98m/min。目前，可在工业上使用的速度达63000转/分的主轴已是最新技术趋势。一般来说，要求刀具以及刀夹的加速度达到3g以上时，刀具的径向跳动要小于0.015mm，而刀的长度不大于刀具直径的5倍。为了使刀具每齿进给量基本保持不变，以保证零件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度，则进给量也必须相应提高15倍左右，达到70m/min以上，有的甚至高达140m/min。

三、结束语

高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。高速切削加工不仅包含着切削过程的高速，还包含工艺过程的集成和优化，是一个可由此获得良好经济效益的高速度的切削加工，是技术和效益的统一。随着高速切削技术的发展，高速切削加工以其加工效率高、切削力小、工件的热变形和热膨胀小、加工表面质量好、经济效益高及适宜加工复杂和细长薄壁件等独特优势，被广泛应用于航空航天整体结构件的加工中。

参考文献

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