数控高速切削加工技术在机械制造中的应用实践

2021-12-30屈福康

橡塑技术与装备 2021年24期

屈福康

(广州华立学院，广东广州 511325)

随着我国社会经济的飞速发展，社会生产对机械制造的要求也不断提升，新形势下原本的组合机床加工模式已经无法满足实际需求，因此急需研究出更高效的制造技术。而数控高速切削技术作为一项集能耗低、切削速度快、精度高、绿色化、切削功能良好等优点为一体的技术，逐渐成为机械加工中的一项主要技术，极大地推动了机械制造行业的不断发展。

1 数控高速切削加工技术概述

1.1 高速切削加工技术的理论基础

高速切削加工这一技术的基础理论是参照的是德国著名的物理学家Carl.J.Salomon 首次提出的Salomon 曲线（详见图1）， Salomon 曲线中的横轴表示的是切削速度，而纵轴表示的是切削的温度，图形由常规切削区、不可用切削区、高速切削区三个区域构成。

图1 Salomon 曲线图

从上图可以看出，在A区与B区的前半部分温度是随着切削速度的不断提高而增加的，但是在B区的后半区与C区温度却是伴随着切削速度的不断增大反而下降。在切削过程中，如果温度水平达到m这一值时，由于此时切削的温度过高，如果继续切削可能带来不利影响，此时便在V1和V2中间区域被称为不可用切削区域；假如切削加工速度超过V2时，但是切削的温度降低，并低于m时，便属于高速切削区域，该区域中获得的切削效率更高。当切削加工过程中温度＞m时，便进入了不可切削区域，由于切削温度过高要求应用的道具在拥有更高的红硬性（即在高温下依然能够保持足够的硬度），如果继续应用一般的硬质合金刀具、高速钢刀具等便无法达到技工的要求。再加上切削的温度过高也会在一定程度上影响被加工的材料，包含对非耐高温材料造成损伤，改变材料的组织状态以及降低了零件尺寸的精度等等，因此该区域不可用于切削[1]。

1.2 数控高速切削加工技术的优点

数控高速切削加工技术作为社会发展与科技进步的一大产物，该技术进一步优化了切削速度，除了其切削温度具有较高的稳定性，同时还进极大地提升了产品的精度，归纳起来，其主要具备以下优点。

1.2.1 极大地提升了切削的效率

相比于传统的切削工艺，数控高速切削加工最典型的特征便是工作效率高，在相同的时间段内，其切削量是传统技术的四倍以上，并且在有效地改进了切削的工序，使切削工艺更集中，确保了切削目标的顺利实现。传统切削技术在加工过程中需要先划分攻坚，然后就不同的工序采取不同的加工技术，然后再开展装卸、搬运等等，所需的时间长，并且降低了加工制造的速度。而应用数控高速切削加工技术，只需一道工序即可，极大地减少了人力和时间，同时还提高了切削的效率。图2为某模具制造过程中传统切削加工与数控高速切削加工的工序对比。

图2 传统切削加工与数控高速切削加工工艺流程对比

1.2.2 提高了制造加工的精准度

在机械制造中应用数控高速切削加工技术，除了简化了原本的切削加工工序，减少了切削所需的时间，更重要的是还提高了加工的精准度。在工作过程中，数控高速切削技术加工速度非常快，在降低被加工工件承受的力量的基础上获得较高的加工速度，解决了传统切削工艺过程中由于受挤压过大发生变形的问题，从而提高了制造产品的质量。除此之外，由于因为其具备快速性特征，因此减少了工件热量的形成，再加上该技术具备高效性特征，致使形成的热量能够迅速散开，明显地降低了工件的受热程度，降低了在加工过程中温度过高致使工件发生变形或者受损发生的风险，有效的提升了切削的精准度，确保了制造的产品质量。

1.2.3 极大地减少能源资源消耗

数控高速切削加工技术能够实现各种资源的最大化利用，同时还有效地降低了机械制造所需各类能源的消耗，提升了能源的利用率，确保机械制造施工整体的经济效益[2]。

2 数控高速切削加工技术在机械制造中的应用

2.1 机械制造中数控高速切削加工技术的刀具、刀柄加工

考虑到数控高速切削加工技术具有较强的系统性，加工过程复杂且多样，因此该技术对刀具的制作提出了更高的要求，在加工与制造期间，需要高度关注刀具和刀柄二者装夹重复定位精度与几何精度。在制造时，在振动与离心力的共同作用下，会对数控高速切削加工系统产生极大的影响，目的是提升成品加工的高速度平衡与刚度要求，最终确保刀具与刀柄能在安全的状态下进行加工，同时还保证了加工产品的质量。在应用数控高速切削加工技术时，刀柄材料的性能高低也会对加工的效率产生直接影响，所以应当结合实际情况选择适当的刀柄。例如：HSK高速刀柄适用于高速加工中，原因是这类刀柄的主要特性为热胀冷缩，并且结构紧固，非常适合应用在高速切削中。另外，数控高速切削加工技术加工过程中刀具不可避免地会遭受振动、摩擦、高温、冲击、高压等外界因素的影响，因此对其进行加工时需要综合考虑经济学与工艺性[3]。

2.2 数控高速切削加工技术在铣削加工机床中的应用

数控高速切削加工技术通常是跟其他技术进行搭配运用，常见的技术有微电子技术、CNC技术、新材料结构基础技术等等，在上述各类技术中，比较普遍的是铣削加工机床，但是这类技术对机床系统部件的要求较高，具体体现在以下三个方面：第一，对主轴与刀柄的刚性要求较高。因此在加工过程中，系统转速通常设置在10 000~50 000 r/min的范围内，通过运用主轴，有效地压缩冷却系统与空气，以确保主轴同刀柄的轴向间距范围达到0~0.007 62 mm。第二，要求机床具备较高的刚性。在开展铣削工艺加工时，为了充分展现数控高速切削加工技术的优点，还需要有效地控制高速供给驱动器的速度。其中，高速供给驱动器的3D轮廓加工的速度应当控制在10 m/min，快进的速度控制在45 m/min。第三，确保加工工艺安全可靠性高。为了更加地实现刀具寿命与切削条件二者的有机融合，提升机床的利用效率，确保在无人操作的情况下，数控高速切削加工技术的安全可靠性不会受到影响，要实现这一目标便离不开优质的工艺模型。

2.3 数控高速切削加工技术中数控编程

数控高速切削加工技术的应用目的不单单是为了提升常规加工进给和转速，同时还常常被应用在一些结构复杂、特殊的工件中。以数控编程为例，不但需保证刀具的精准度与安全性达标，更重要的是还应该保证加工工件的表面的质量与精度达标，要实现这一目标便需要优化编程技术。在数控高速切削加工期间，切了确保加工的安全性与质量水准，不仅要确保机床与刀具均不过载，同时还需要注意避免工件和刀具同夹具之间的相互干涩与碰撞，因为机床同刀具一旦发生过载的现象时，便可能增加制造的成本支出，同时还在一定程度上降低了产品的精确度与质量，为此需要重点针对上述因素对数控编程进行优化。除此之外，在编程过程中还需要确保切削载荷处理恒定状态，为了进一步提高工件的加工质量，需要对所需切削加工金属的切削层厚度进行密切观察和控制，确保适中恒定，相比于仿形加工，分层加工的手段有助于提升材料去除量的有效恒定效果，另外，采取刀具切入工件手段需刀具应平滑；其次，还需要保证刀具的轨迹能够平滑的过渡，不可发生直接过滤的现象。切削加工技术水平高低，在很大程度上时根据加工工件的精度来衡量的，在将该技术应用在机械制造过程中时同时还需要考虑被加工工件的质量和精确度，尽可能保证刀具切入的次数最低，建议选择螺旋轨迹的走刀方式。最后，还需要对切削的进给量进行合理控制，从而避免切削振动的现象，假如进给量减少，会影响切削的稳定性，引发切削振动。因此，在加工过程中必须始终处于平衡状态，从而确保加工工件表面的质量[4]。

2.4 削液在数控高速切削加工技术中的应用

在数控高速切削加工技术过程中，冷却液发挥着至关重要的作用，冷却液不但可以有效地降低加工产生的温度，同时还能润滑刀具，从而延长数控高速切削加工技术中切削刀具的使用年限。在数控高速切削加工技术中选用冷却液时，需要注意以下几个方面：第一，不可应用有毒的冷却液，因为这种冷却液会在一定程度上损害相关操作人员的身体健康；第二，不可应用易燃冷却液，由于在机械制造过程中涉及诸多电器设施，如果电线使用年限过长出现老化，一旦在超负荷状态下工作便可能引起燃烧事故，并且在数控高速切削加工技术过程中温度较高，这类冷却液发生燃烧的风险较高，引起安全事故；第三，不可选用具备腐蚀特性的冷却液，主要是若冷却液拥有腐蚀性，会引起橡胶的部件出现膨胀或者硬化的情况，还可能引起机器表面的涂层发生脱落，致使机器发生故障；第四，不可选用导电的冷却液，这类冷却液会导致机械的感应部件失灵，系统发生故障；第五，不可选用变质的冷却液，如果使用了变质的冷却液，便会削弱其本身的冷却性能和润滑作用，从而降低了机械加工制造产品的精准度，影响了加工产品的质量[5]。