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数控高速切削加工
数控高速切削加工【1】
【摘 要】数控高速切削加工以高效率和高精度为基本特征，它在切削机理上是对传统切削的重大突破，是近20多年来迅速崛起的先进制造技术之一。
文章介绍了“数控高速切削加工”的内涵、优势、应用现状和发展趋向，提出了在实现高速切削加工中应关注的主要问题。
【关键词】高速;加工机理;优势;推广价值
1.前言
高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用能够得到解决。
“高速切削”的概念是由德国物理学家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度与切削温度理论。
该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。
随后，高速切削技术的发展经历了4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段(193l—l971年)，高速切削的应用探索阶段(1972-1978年)，高速切削实用阶段(1979--1984年)，高速切削推广阶段(20世纪90年代至今)。
对高速切削加工的界定有以下几种划分思路：一是以主轴转速作为界定高速切削加工的尺度，认为主轴转速在10000-20000r/min以上即为高速切削加工;二是以主轴直径D和主轴转速n的乘积Dn来界定，当Dn值达到(5～2000)×105mm.r/min，则认为是高速切削加工，新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万;三是以切削速度高低来区分，认为切削速度跨越常规切削速度5至10倍即为高速切削加工。
2.数控高速切削加工的优势
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。
同时，高速切削加工的“量小速快”使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，十分有利于刚性差和薄壁零件的加工。
高速切削加工中，主轴转速的提高使切削系统的工作频率远离了机床的低阶固有频率，提高了切削系统的刚性，进而使产品表面质量获得提高。
数控高速切削加工和常规切削相比的主要优势可归纳为：第一，生产效率可提高3～10倍。
第二，切削力可降低30%以上。
第三，切削热95%被切屑及时带走，特别适合加工容易热变形的零件。
第四，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，适合加工精密零件。
第五，经济效益明显。
3.数控高速切削加工的应用
数控高速切削工艺的应用，能使制造成本降低20%左右，产生新的经济增长点。
以某锻造厂加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工→仿形铣粗加工型槽→热处理→外形精加工→数控电火花粗、精加工型槽→钳工打磨抛光型槽→表面强化处理。
而采用高速切削加工后的工序为：外形粗加工→热处理→外形精加工→高速铣加工型槽→表面强化处理。
通过高速铣削加工直接完成淬硬钢模具，使生产成本从传统工艺的27000多元降到22000元。
高速切削加工具备过程平稳、振动小的特点，与常规切削相比，可提高加工精度1～2级，并能取消后续的光整加工。
同时，采用数控高速切削加工工艺，可以在一台机床上实现对复杂整体结构件的粗、精加工，减少了转工序中多次装夹带来的定位误差，也有利于提高工件的加工精度。
如某企业加工的铝质模具，模具型腔长达1500mm，要求尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。
原先的制造工艺为：粗刨→半精刨→精刨→铲刮→抛光，制造周期为60小时。
采用高速切削加工工艺后，改为半精加工和精加工，加工周期仅需6小时，加工效率提高近10倍。
可见，高速切削加工在制造业中有着广阔的应用前景。
4.数控高速切削加工的关键环节
高速切削加工不仅包含着切削过程的高速，还包含了工艺过程的集成和优化，可谓是加工工艺的统一。
高速切削加工是在数控装置、机床结构及材料、机床设计、制造工艺、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造工艺、高效高精度测量测试工艺、高速切削工艺等诸多技术均获得充分成熟之后综合而形成，可谓是一个复杂的系统工程。
高速切削加工应用中还存在着一些有待解决的问题，如对高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损内因的研究，高速切削数据库的建立，适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术的开发等。
数控高速切削加工所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，价格昂贵，初期投资较大，在一定程度上也制约着高速切削技术的推广应用。
实现数控高速切削加工的关键环节如下：
4.1高速切削机理的研究
高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。
与传统的切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。
各类材料在高速加工前提下，切屑的形成机理，切削力、切削热的转变规律，刀具磨损规律及对加工概况质量的影响规律，都有了极大的变化。
通过对以上理论的研究，有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择，为具体零件和材料的加工工艺拟定能够提供理论依据。
4.2高速切削机床的配备
高速切削机床是实现高速切削加工的必备条件，高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统是关键。
它要求具备高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。
通常，选用高速数控车床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床，它们都具有高速主轴系统和高速进给系统。
一般主轴转速在10000r/min以上，有的甚至高达60000-100000r/min，且要保证动态和热态机能。
也可釆用高速丝杆或直线电机，提高机床进给系统的快速响应。
目前，直线电机最高加速度可达2-10G(G为重力加速度)，最大进给速度可达60-200m/min或更高。
4.3高速切削工艺的刀具
随着切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工艺都要能适应新的环境。
刀具系统必需具有较高的几何精度和装夹再定位精度，以及较高的装夹刚度。
高速切削刀具除了满足静平衡外还必需满足动平衡要求，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速扭转时所受到的离心力。
高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等，高速切削刀具刀刃的外形正向着高刚性、复合化、多刃化和超精加工方向发展。
4.4数控编程系统要求
高速切削有着比传统切削更特殊的工艺要求，除了要具备高速切削机床和高速切削刀具外，还要有合适的CAM编程软件。
高速加工的CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等特点。
高速切削应用程序首先要注意加工的安全性和有效性;其次，要保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;第三，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。
通常，使用的CNC软件中的编程功能都不能满足在整个切削过程中保证切削载荷不变的要求，需要由人工加以填补和优化，这在一定程序上降低了高速切削的价值。
因此，必需研究一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特征，充分发挥数控高速切削加工的优势。
目前，引进的CAM软件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添适合于高速切削的编程模块，为高速切削加工的应用提供了良好的条件。
5.结束语
由于数控高速切削加工在提高生产效益、降低制造成本中潜力巨大，美国、日本等国早在上世纪60年代初，就起动了超高速切削机理的研究。
1978年美国完成了对高速加工数控铣床的改造，完成主轴转数30000r/min与100000r/min的重要参数指标。
现在，欧美等发达国家生产的各类超高速机床已经实现商业化，在飞机、汽车及模具制造行业中获得了大量的应用。
我国在研究和开发高速切削工艺方面，与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距。
为适应社会经济发展需要，满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求，必需加强对高速加工工艺基本理论的研究，加快高速主轴单元和高速进给单元的开发，努力实现高速机床的国产化，开发适应高速加工的CAD/CAM自主软件系统和后置系统，建立新型检测工艺监控系统。
发展数控高速切削加工是提高加工效率和质量、降低成本的主要途径，把当前的高速切削水平实用化，使我国机械加工业整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事制造行业专业人员在新世纪的奋斗目标。
参考文献：
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[3] 周纯江 叶红朝 高速切削刀具相关关键技术的研究[J] 机械制造2008.
数控高速切削加工关键技术【2】
摘 要：随着科技水平的提高，越来越多的生产技术被开发出来。
其中，高速切削加工技术在生产生活中的应用大幅度地提高了机械加工效率和产品加工质量，本文主要针对高速切削加工技术，介绍它的优点，分析高度切削技术涉及到的高度切削加工机床、刀具等诸多问题。
对数控高速切削加工技术的具体应用具有一定的指导意义。
关键词：高速切削;切削刀具;工艺
随着时代的进步与发展，为了更好地满足人们生产生活活动的需求，许多的新产品也开始陆陆续续地出现，而且这些新产品也提出了个性化的特征。
对于这些新产品而言，在其开发过程中，往往都需要使得零件功能、结构以及材料发生较大的变化。
伴随着科技水平的不断提升，作为先进制造技术重要组成部分的高速切削技术在生产生活中得到了越来越多的应用。
1 数控高速切削技术的定义
所谓的数控高速切削技术，它所指的也是切削加工技术的一种，但是这种切削加工技术相比于传统的切削技术而言，其切削的速度高出了很多倍。
因此有的时候数控高速切削技术也被人们叫做高速切削。
所以从数控高速切削技术的定义中我们不难发现，实质上这里所说的“高速”只是一个相对的概念，“高速”这一概念往往会因为加工条件、加工材料等的不同而发生变化，比如说在对于不同的材料进行切削加工时，其切削的速度就有可能会不同。
所以说对于切削速度的划分应该考虑多方面因素的影响，而不能够一概而论，比如说对于不同的切削条件而言，则应该有一个对应的切削速度范围。
就数控高速切削技术而言，我们往往很难从整体上采用定量的方式来对其加以定义，但是在这一技术的实际应用中，这里的速度一般都是指的机器的主轴转速和进给速度。
2 数控高速切削加工技术的优势
对于数控高速切削加工技术而言，它实质上整合了许多的制造技术，因而也就具有更多的优势，相比于传统的切削加工技术而言，它在切削速度、进给速度以及切削机理等方面都发生了重大的改变，其优势主要体现在以下几个方面：
2.1 有效提高加工效率
加工效率的提高是数控高速切削加工技术最重要的优势之一，因为随着切削速度的加快，加工效率的提高是必然的结果。
一般通过该技术来进行切削加工，在单位时间内，材料的切除率往往能够达到传统切削技术的三到六倍。
而且在应用该技术的过程中，机床的快速空程速度也得到了有效的提高，这样就可以使得非切削的空行程时间大大的减少，对于提高产品加工效率也有着非常重要的意义。
2.2 适用于热加工
数控高速切削加工技术还适用于热加工，这也是传统切削加工技术所不具备的优势。
因为在应用该技术的过程中，由于切削的速度非常快，所以在切削的过程中虽然会产生一定的热量，但是至少有98%的切削热都会因为切削速度过快而被切削直接带走，这样就使得工件的温度保持在了一个相对稳定的状态。
因而对于那些容易产生热变形的工件而言，该技术是一种非常有效的加工技术。
2.3 适用于精密加工
在对一些刚性较差的零件进行加工的时候，数控高速切削加工技术也有着非常大的优势，因为在进行高速切削的时候，如果切削速度达到了一定的值，相应的切削力就会有所下降，所以在对这些薄壁类刚性较差的零件进行精密加工时，这一技术就有着非常大的优势。
2.4 可以加工各种难加工材料
在加工中我们通常会遇到一些比较难加工的材料，这类材料往往具有强度大、硬度高以及切削温度过高等特征，比如说镍基合金和钛合金等，采用传统的切削方式对其进行加工，往往十分容易对刀具造成损害，而如果利用数控高速切削加工技术来对其进行处理，往往就能够取得较好的加工效果。
3 数控高速切削加工的关键技术
3.1 提高切削效率
刃口钝化处理工艺对于提高切削效率有着重要的作用，按照目前人们的认知情况，在加工钛合金金属的时候，使用刃口比较锋锐的刀具对于提高切削效率是有益的，但是实际情况却是通过改变刀具的微观几何结构的设计参数，同样可以提高切削效率，为了更好地满足切削的要求，并不只是要求切削的速度有所提升，同时还需要在数控机床、刀具材料等方面取得一定的突破，这样才能够使得切削效率得到更为显著的提高。
3.2 正确选择刀具
工欲善其事必先利其器，在进行数控高速切削加工的过程中，刀具对于切削的效率及质量都有着非常重要的影响，所以如果对于刀具的选择不合理，会使昂贵、复杂的机床或者加工系统完全不起作用。
由于高速切削技术的高速运行，而高速加工线速度只要是受到刀具的限制，所以在目前数控机床可以达到的速度范围之内，速度越快，对刀具的磨损也就越严重。
所以，高速切削加工技术对刀具材料提出了更高的要求，同时数控高速切削技术与普通的数控加工技术也有着更大的差别，所以在对刀具进行选择时，必须要依据该技术的实际要求，合理地选择刀具的路径规格。
比如说刀具的选择应该保证切削体积的相同，同时还需要有利于维持稳定的切削速度，最后刀具的运转还需要能够与进给速度保持一致。
3.3 合理选择切削用量
在进行数控编程的过程中，工作人员必须要对于每一道工序的切削用量加以确定，并且将其以指令的形式写入到相应的数控程序之中。
针对不同的加工方法，其所需要的切削用量往往也是不同的，切削深度应该根加工余量来确定，粗加工的时候，除了留下精加工的余量外，还应该尽可能的一次走刀切除全部粗加工余量。
4 总结
总而言之，数控高速加工技术是现代先进制造技术的重要组成部分之一，它在许多领域都得到了充分的应用，并且体现出了其独有的优势，数控高速切削加工技术为我国工业的发展做出了突出的贡献，尤其是在航空航天、汽车以及模具制造等领域，它的应用使得生产的效率得到了有效的改善。
参考文献：
[1]徐向阳.数控机床中高速切削加工技术的应用分析[J].硅谷，2013(20)：16-16，19.
[2]毛春明.数控高速切削加工关键技术探究[J].军民两用技术与产品，2015(18)：123-123.
[3]汪洪涛.试论数控高速切削加工技术的发展与应用研究[J].商情，2016(24)：178.
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