高速切削技术应用浅析

张宁 贾朝瑾 张帅

【摘 要】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。高速切削以其高效、优质的加工特性逐渐获得青睐，本文立足于高速切削的加工方式与特点，总结了高速切削技术中包括刀具材料、编程等多方面的理论和经验。

【关键词】高速加工 切削技术 刀具 编程

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：（1）可以提高生产率，（2）降低了切削力，（3）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的要求。

1 高速切削对刀具材料的要求

（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，以利于切削区热量的迅速传出，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、质量稳定性及切削刃重复定位精度，因此，刀具材料应具有高的可靠性。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。

2 高速切削对刀具系统的要求

刀具系统是由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。

（1）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。（2）安全性要求高。作为应用于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。（3）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，会使刀具相对回转中心存在不平衡量，在高速旋转时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，应对高速旋转刀具的许用平衡量，最高使用转速做出规定。（4）系统精度高。系统精度包括系统定位夹持精度、刀具重复定位精度以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。

3 高速切削加工对机床系统的要求

（1）使用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，并将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过载能力较小的限制，静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而受到转速的限制，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。

使用“三刚”（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承元件。

4 高速加工程序编制的内容及策略

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）除非必要，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，从而精确地裁减空刀数量以提高效率。

参考文献：

[1] 郑贞平，黄云林，黎胜容.VERICUT7.0中文版数控仿真技术与应用实例详解[M].机械工业出版社，2011.

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