数控高速切削加工关键技术的研究

2011-12-28燕相松

滁州职业技术学院学报 2011年2期

关键词：刀柄切削速度刀具

燕相松，韩江

(1．合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥 230000；2．滁州职业技术学院机电工程系安徽滁州 239000)

数控高速切削加工关键技术的研究

燕相松，韩江

(1．合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥 230000；2．滁州职业技术学院机电工程系安徽滁州 239000)

高速切削加工技术的应用将大幅度地提高机械加工效率和加工质量。本文介绍了高速切削的优点，分析了高速切削技术涉及到的高速切削加工机床、刀具等诸多问题；对高速切削加工工艺规划和编程策略等高速切削关键技术进行了一定的研究，对数控高速切削加工的具体应用有一定的指导意义。

高速切削；高速切削铣床；高速切削刀具；工艺规划；编程策略

引言

数控高速切削加工技术是机械制造业发展的必然趋势，其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量。最近几年，高速切削加工在汽车工业、航空航天业和模具工业获得较广泛的应用，而且成效显著。在汽车工业，高速加工中心的加工效率已足以取代组合机床，成为柔性生产线的主力加工设备，从而有力地推动了大批量生产的柔性化；用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、精加工和模具其他部位的机械加工，高速切削加工技术的应用大大缩短了各类模具的开发周期。

一、数控高速切削加工的优点

数控高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。切削加工质量发生了本质性的飞跃和提高。

图1 不同材料的高速切削速度

（一）由于切削速度的大幅度提高，在单位时间内的材料切除率就大大增加，一般可达到常规切削时的3～6倍，甚至更高。另外机床快速空程速度也大幅度提高，所以也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了加工的效率。

（二）在高速切削加工中，当切削速度达到一定值后，切削力平均降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁类等刚性较差零件的高速精密加工。

（三）在高速切削时，有95%～98%以上的切削热来不及传给工件，就被切屑快速带走，可使工件基本上保持冷态，所以特别适合于加工容易产生热变形的零件。

（四）可以加工各种难加工材料。如镍基合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。而采用了高速切削加工不仅大大提高生产率，同时可以可以获得较高的加工表面质量。

二、数控高速切削加工应用的关键技术

高速加工是一项先进的、复杂的系统工程技术，与传统加工工艺技术相比，它对机床、刀柄、刀具、加工工艺、控制系统、CAD／CAM软件等多项指标都有较高要求。

（一）数控高速铣削加工机床

高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，超高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物，随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须同时先进，主要包括在以下几个方面的要求：

1、机床系统的刚性要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min),符合提供0.4m/s到10m/s的加速度和减速度要求。

2、刀柄和主轴的刚性要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间不大于0.0002英寸的轴向间隙。

3、加工工艺及可靠性工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解，能够提高机床的利用率(6000h/y)和无人操作的可靠性。

（二）高速切削加工的刀柄和刀具

由于高速切削加工时离心力和振动的影响，要求刀具具有很高的几何精度和装夹重复定位精度，很高的刚度和高速动平衡的安全可靠性。在高速加工中，刀具的选用与普通切削是有很大区别的，要突出从“高速”的角度考虑问题才能使高速切削达到最终目的。目前应用较多的是HSK高速刀柄和国外现今流行的热胀冷缩紧固式刀柄。

刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速加工的关键因素之一。在选择高速切削刀具材料时,首先要考虑加工的材料,其次要考虑切削的方式。加工易切铝合金一般用K10、K20、PCD聚晶金钢石；加工铸铝合金,可选用K10、Si3N4陶瓷刀具、PCD及CVD金刚石涂层刀具；加工铸铁件时当切削速度低于750m/min,可使用涂层硬质合金和金属陶瓷刀具；切削速度 510～2000m/min,可选用 Si3N4；切削速度在2000～4500m/min以上时,可使用CBN刀具；加工普通钢可选用涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷和CBN材料的刀具；切削高温镍基合金主要使用陶瓷和CBN刀具；切削高硬度钢常采用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金和PCBN等材料；加工复合材料可选用陶瓷刀具。加工钛合金（Ti6AlV2Sn）可选用K10材料刀具。

表1 各种刀具材料所适合加工的工件材料

（三）高速数控加工工艺规划

高速切削加工工艺是高速加工的关键技术之一，不仅提高了对机床，夹具，刀具，刀柄的要求，同时也要求改进刀具路径策略，因为若路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。因此，必须研究适合高速铣削的刀具切削路径，将铣削过程中切削负荷的突变降至最低。高速数控加工工艺主要包括如下内容：

1、选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。

2、分析被加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求。

3、确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线，如划分工序、安排加工顺序，处理与非数控加工工序的衔接等。

4、加工工序的设计，如选取零件的定位基准，夹具方案的确定、划分工步、选取刀具、确定切削用量等。

5、数控加工程序的调整，选取对刀点和换刀点，确定加工路线。

（四）高速数控加工的编程策略

高速加工数控编程必须考虑高速切削的特殊性和控制的复杂性，高速加工不是简单的把普通加工的转速和进给提高，而是对很多方面有了更高的要求。在数控编程方面，编程人员全面仔细考虑全部的加工策略，设定有效、精确、安全有效的刀具路径，保证预期的加工精度和表面质量。高速切削对编程的具体要求主要有：

1、夹具、工件和刀具之间无碰撞和干涉，保证刀具和机床不过载。刀具和机床的过载不仅提高了加工成本，还使加工精度无法得到保证，夹具、工件和刀具之间碰撞和干涉问题是高速加工编程的重点，也是高速加工编程首先要解决的问题，它直接关系到高速加工的编程的成败。

2、保持恒定的切削载荷。保持恒定的切削载荷对高速切削非常重要，也是高速加工的主要特征之一。要保证切削载荷恒定，要考虑以下因素的影响：第一是保持金属切削层厚度的恒定，很明显分层加工要比仿形加工有利于保证材料去除量的恒定；第二是刀具切人工件的方式要平滑，采用螺旋线方向切入好。第三要保证刀具轨迹平滑过渡，不能有直角过渡。

3、保证工件的加工精度。在高速切削加工中，为保证工件的加工精度和表面质量，要尽量减少刀具的切入次数，尽量采用螺旋走刀轨迹，过小的进给量往往会造成切削力的不稳定，会产生切削振动，影响工件表面的加工质量；进给量要均衡，采用较大的进给量可以保证加工表面质量的提高。

三、高速加工的编程原则和CAM软件

高速加工编程时要注意如下几个原则：1）应避免垂直下刀，尽量从材料外部切入材料或者加工前打下刀孔；2）尽量采用工序集中的原则和减少换刀次数；3）尽量使用平滑的刀具路径，均匀切削载荷,避免极速切削；4）尽可能使粗加工后所留加工余量均匀；5）在零件的一些临界区域应尽量保证不同步骤的精加工路径不重叠；6）尽可能避免刀具换向切削和不同切削区域间的刀具跳转。

高速加工中为得到最好的效果，还必须提供足够强大功能的CAM软件，以得到高质量的加工程序，保证机床能全负荷地进行工作。为此应使用具备自动高速加工功能，能快速计算出无过切刀具切削路径的CAM软件，减少操作者优化程序的工作量。目前使用的 CAM 软件主要有 UG、Pro/E、MasterCAM、Cimatron、CATIA、DELCAM-Powermill、等系列软件。