数控加工中心的高速切削加工特点与要求详解

李宁

摘 要：数控的高速切削是一种高效、优质、低耗的先进制造技术，他可以有效的解决常规切削加工中备受的困扰问题，与传统的切削加工比较，高速切削加工有着非常高的的单位功率的金属切除率，比常规切削的切削力降低了30%，刀具的寿命反而提高了70%，常规切削中的切削振动几乎消失的优点。

关键词：数控；加工中心；高速切削；工藝

引言

高速加工技术经历了理论探索、应用探索、初步应用和较为成熟应用四个阶段，现在生产中得到了一定的推广和应用。高速切削是一个相对的概念，他与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有很大的关系。本文将重点依据数控加工中高速切削的特点与工艺进行分析讲解。

1.高速切削加工技术简要

高速切削理论最早由德国物料学家Carl.J.Saloman于1931年提出，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不会升高反而还会降低，且切削速度与工件的材料有关系。对于每一种工件材料都存在一个速度范围内，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行，越过该速度范围，高速切削就能够实现，并能大幅度的提高生产效率。

一般认为高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍，对于常用材料，其大致的切削速度如表1-1：

2.高速切削的特点

高速切削加工系统由数控加工中心、可靠的刀具系统、高速可靠切削刀具、CAM高速切削软件构成，随着切削刀具技术的发展，高速切削广泛的应用于各种制造行业的机械加工，高速切削较常规切削具有如下特点。

高效加工效率，高速切削较常规切削可以拥有较高的进给率，能够达到常规切削的进给率的5～10倍，其单位时间的材料切除效率可以大幅提高3～6倍。

较低的切削力，是一种在常规切削中产生的作用在工件与刀具的大小相等。方向相反的作用力，即是一种材料工件抵抗刀具切削产生的阻碍力。高速切削因为采用极浅的切削深度与窄的切削宽度，因此切削力较小，只有常规切削产生的切削力的70%，可以大大的减少工件的加工变形，致使可以对一些薄壁精细工件的切削加工成为可能，以及对刚性较差的零件加工变形将更加小。

较高的加工质量，高速切削因为需要刀具在切削时高速的旋转，其激励频率远离工艺系统的固有频率，不会对工艺系统造成受迫振动，可以较好的保证工件的加工状态。高速切削还因为切削的深度、切削宽度和切削力较小，可以有效的降低工件、刀具的变形量，增加了零件的加工尺寸精确性。

工艺流程简化，常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火后材料变形必须经过人工修整、或者放电加工解决，工艺流程复杂。而高速切削则可以直接加工淬火材料，可以省略放电加工工序，消除放电加工带来的表面硬化问题，进而减少或免除人工光整加工。

能耗低，因为高速切削单位功率的金属切除效率高，继而能耗低，同时工件的加工时间也就短，从而大大的提高了能源和设备的利用率，极大的降低了切削加工再制造系统的资源总量的比例，需求的能源消耗量较常规的加工切削能耗就低。

3.高速切削加工工艺要求

对于一个高速切削加工任务，要把粗加工、半精加工、精加工作为一个整体进行考虑，设计出一个合理的加工方案，从整体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势。

3.1粗加工工艺

粗加工的目标是追求单位时间的最大切除量，表面质量和轮廓精度要求不高，重要的是让机床平稳工作，避免切削方向和载荷急剧变化。

为防止切削时速度矢量方向的突然变化，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角，所有进刀、退刀和非切削运动的过渡也都尽可能圆弧过渡，如在平面切削过程中，可采用螺旋或者倾斜方式（倾角5°左右）的垂直进退刀运动、圆弧方式的水平进退刀运动，而在曲面轮廓切削中，使用切圆弧的进退刀运动。为保证平稳地加工硬化材料，步距通常不得大于刀具直径的6%～8%，深度不得过刀具直径的10%。而常常粗加工中采用分层切削使切削载荷更加均匀。

3.2半精加工工艺

半精加工的目的是把前道工序加工后的残留加工平面变得平滑，同时去除拐角处的多余材料，在工件加工平面上留下一层比较均匀的余量，为精加工高速切削做准备。半精加工应沿着粗加工后的棱状轮廓进行切削，以便使切入过程稳定，并减小切削力波动对刀具的不利影响。另外半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁的进退刀。

较早的CAM系统基本无基于残留模型的编程功能，粗加工后，不是针对残留材料作后续加工，而是以一个假设的，估计的毛坯作为加工对象，来进行半精加工的到位轨迹计算。这样得到的加工指令，在实际切削过程中会出现空切现象，造成切削状态不连续，引起刀具震动或者撞击，缩短刀具的寿命，并造成加工缺陷。先进的CAM系统可以很好的在粗加工后可生产工件残留材料模型，然后以该残留材料模型为毛坯，生产半精加工操作。这样可以避免空刀，减小刀具切入/切出材料时的冲击，延长刀具的寿命，并可获得较为均匀的加工余量，为高速切削精加工创造条件。

3.3精加工工艺

精加工的目的是按照零件设计要求，达到较好的表面质量和轮廓精度。精加工的刀位轨迹紧贴零件表面，要求平稳、圆滑，没有剧烈的方向改变。精加工中除需要对工艺参数进行优化外，还能建议采用先外轮廓加工，再凸起规范几何体的加工，再自由型面的加工，在阶梯层面的加工，再平面加工，最后凹陷规范几何体的加工。

4.结束语

本文通过对数控加工中心的高速切削特点与工艺要求进行了详细阐述，简要的分析了高速切削的应用特点及相关加工工艺。在高速切削加工中，机床、夹具、刀具、数控系统及软件等只是常规的必要的装置，加工工艺方法和工艺参数的设定等因素，才是直接影响加工是否成功的关键因素。只有将这些因素不停的进行累积和反复的进行实践操作总结，才能真正的发挥出高速切削加工的优势。

参考文献：

[1]李极文.机械加工中高速切削技术的应用与推广[M].机械工业出版社，2003.03

[2]复一波.立式数控加工中心高速切削优点分析[J].工程科技，2012.07.23

[3]汤华.数控加工中高速切削的加工工艺与技巧研究.[D].西安大，2005.06.06

[4]罗方圆.CNC数控加工中心高速切削技术特点分析研究[D].大连理工大学 2008.05.03