论数控高速加工切削技术的要点与应用

崔猛

抚顺市机电职业技术学校 辽宁抚顺 113000

高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。

1 高速切削机床技术的优势

（1）生产效率有效提高。高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5-10倍，单位时间材料切除率可提高3-6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。

（2）至少降低30%的切削力。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30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

（3）加工质量得到提高。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。

（4）降低加工能耗，节省制造资源。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。

（5）简化了加工工艺流程。高速切削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[1]。

2 高速切削机床技术

2.1 高速主轴单元

高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速加工机床的核心部件。在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。

2.2 高速进给系统

进给系统的高速性也是评价高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持高速加工刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。

2.3 CNC 控制系统

相对而言，现有的控制系统对超高速机床所需的进给率来说是显得太慢了，超高速机床要求其CNC系统的数据处理时间要快得多，高的进给速率要求CNC系统有很高的内部数据处理速率，而且还应有较大的程序存储量。CNC控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨迹、预先前馈控制、反应的伺服系统等。

2.4 床身、立柱和工作台

高速机床设计的另一个关键点，是如何在降低运动部件惯量的同时，保持基础支承部件高的静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助工程的方法用有限元法和优化设计，能获得减轻重量、提高刚度的床身、立柱和工作台结构。为获得较好的动态性能，有些高速机床床身由聚合物混凝土材料制成。

2.5 切屑处理和冷却系统

高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适用[2]。

3 高速切削刀具和工艺技术

高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高的关键因素是切削刀具是否能承受越来越高的切削温度。高速切削刀具与普通加工的刀具有很大不同。目前，在高速切削中使用的刀具有硬质合金、聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、陶瓷等材料。

高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。切削方法选择不当，会使刀具加剧磨损，完全达不到高速加工的目的。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。

3.1 切削方法和切削参数的选择与优化

在高速切削中，必须对切削方法和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。

3.2 对各种不同材料的切削方法

切削铝、铜等轻合金，与切削钢和铸铁以及切削难加工合金钢，由于切削机理不同，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好的切削效果。根据不同加工材料来研究高速切削工艺方法，也是高速切削工艺技术研究的重要内容之一。

3.3 刀具材料和刀具几何参数的选择

在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的选择综合进行。高速切削工艺技术研究是一项很有意义的工作。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。高速切削的工艺技术和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。这一点是高速机床应用中要特别加以注意的问题[3]。

4 高速切削的发展趋势

近年来，国家非常重视超硬刀具高速切削技术的研究与开发，国家“863”计划、国家科技支撑计划以及国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中，均将超硬刀具高速切削技术的研究与开发列入重点支持的项目范围，并正在组织实施攻关研究。相信未来几年，我国的高速切削技术随着国家科技重大专项的实施将会有突破性和跨越式的发展。同时，我们也期望国内超硬材料及工具制造企业能看到我国制造业结构转型的大好发展机遇，加大自身企业的技术开发投入力度，针对高速切削超硬刀具技术开展产业化开发，特别是具有自主知识产权的高速切削超硬刀具技术的开发，以促进我国超硬刀具高速切削技术的推广应用。