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一,、高速切削技術(shù)概述 4 Z) B9 B$ S! Q- y/ r7 j4 h
1931年4月德國物理學(xué)家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High Speed Cutting）的理論，并于同年申請了專利,。他指出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi),，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后,，切削溫度不但不會升高反而會降低,，且該切削速度VC與工件材料的種類有關(guān)。對于每一種工件材料都存在一個速度范圍,，在該速度范圍內(nèi),，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受,，切削加工不可能進行,。要是能越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度地提高生產(chǎn)效率,。由于實驗條件的限制,，當(dāng)時高速切削無法付諸實踐，但這個思想給后人一個非常重要的啟示,。
9 H' Z& ^( }+ |# J6 f2 L2 _5 w 高速加工技術(shù)經(jīng)歷了理論探索,，應(yīng)用探索，初步應(yīng)用和較成熟應(yīng)用等四個階段,，現(xiàn)已在生產(chǎn)中得到了一定的推廣,。特別是20世紀(jì)80年代以來，航空工業(yè)和模具工業(yè)的需求大大推動了高速加工的應(yīng)用,。飛機零件中有大量的薄壁零件,，如翼肋、長桁,、框等,，它們有很薄的壁和筋，加工中金屬切除率很高,，容易產(chǎn)生切削變形,，加工比較困難；另外,，飛機制造廠方也迫切要求提高零件的加工效率,，從而縮短飛機的交付時間。在模具工業(yè)和汽車工業(yè)中,，模具制造是一個關(guān)鍵,，縮短模具交貨周期，提高模具制造質(zhì)量,，也是人們長期努力的目標(biāo),。高速切削無疑是解決這些問題的一條重要途徑。自20世紀(jì)90年代起,，高速加工逐步在制造業(yè)中推廣應(yīng)用,。目前，據(jù)統(tǒng)計,，在美國和日本,，大約有30%的公司已經(jīng)使用高速加工，在德國,，這個比例高于40%,。在飛機制造業(yè)中，高速切削已經(jīng)普遍用于零件的加工,。 # ~/ a! C( t) h G- I0 D" N ~2 b" ^
目前高速切削已經(jīng)有了一定的應(yīng)用,，但要給高速銑削下一個確切的定義還較困難,，高速切削的切削速度范圍較難給出,。高速切削是一個相對概念,，它與加工材料、加工方式,、刀具,、切削參數(shù)等有很大的關(guān)系。一般認(rèn)為,，高速切削的切削速度是常規(guī)切削速度的5～10倍,。對常用材料，一些資料給出了大致數(shù)據(jù)：鋁合金1500～5500 m/min,；銅合金900 ～5000 m/min,；鈦合金100～1000 m/min；鑄鐵750～4500 m/min,；鋼600～800 m/min,。各種材料的高速切削進給速度范圍為2～25m/min。 : Q" A( k7 R! ^& X1 C# Y& Q) w: U2 n
8 l o3 t3 |8 g二,、高速切削技術(shù)的優(yōu)勢
; r2 ]- D& d6 _5 z7 D2 B% C" o 高速切削之所以得到工業(yè)界越來越廣泛的應(yīng)用,，是因為它相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下特點：
2 Q5 i& a6 x/ B 1.可提高生產(chǎn)效率
2 v6 {( J& v7 Q- E0 _# d% o 高速切削加工允許使用較大的進給率,，比常規(guī)切削加工提高5～10倍,，單位時間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時,，可使加工時間大大減少,。
8 O# S+ _' O, y$ C 2.降低了切削力
7 {5 [% ^" ^ [/ M2 f1 t# E: S 由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小,，與常規(guī)切削相比,，切削力至少可降低30%，參見圖1,。這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形,，使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能。 ( D4 Y& f2 ~* u/ c/ s+ `. @6 X0 U9 F
3. 提高了加工質(zhì)量 , G$ E: `+ G- N7 N* K9 ~1 u0 Q) z
因為高速旋轉(zhuǎn)時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統(tǒng)的固有頻率,，不會造成工藝系統(tǒng)的受迫振動,，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度,、切削寬度和切削力都很小,，使得刀具、工件變形小,，保持了尺寸的精確性,，也使得切削破壞層變薄,，殘余應(yīng)力小，實現(xiàn)了高精度,、低粗糙度加工,。
: L+ n3 D) j; ~ P& l) O 4.加工能耗低，節(jié)省制造資源
" K$ Y1 V, F0 [ @; ~8 p1 _ 由于單位功率的金屬切除率高,、能耗低,、工件的在制時間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率,，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例,，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
' i* ^& ^ _& |# e/ I) Q0 Z5 @ 5. 簡化了加工工藝流程 1 a. g- b& ~+ l/ G: y! R! n
常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料,，淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工解決,。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序,，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題,，減少或免除了人工光整加工。圖2為某模具制造中采用常規(guī)加工與高速切削加工的工序比較,。 2 F, c' s, T3 G1 ? K [) Q- k
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三,、高速銑削加工工藝
' x6 s! y" f. T9 D1 T Z' @8 g- r 安全、高效和高質(zhì)量是高速切削的主要目標(biāo),。高速加工按目的分為兩種情況：以實現(xiàn)單位時間最大材料去除量為目的的高速加工和以實現(xiàn)單位時間最大加工表面積為目的的高速加工,。前者用于粗加工，后者用于精加工,。
1 d4 z. E; `1 a# j 由于高速銑削要求切削載荷均勻,，沒有劇烈的變化，因此除鋁合金和非鐵合金外,，通常粗加工可采用有較高金屬切除率的常規(guī)銑削,。精加工時由于余量較均勻，采用高速銑削能達到很高的走刀速度,，切削更多的表面積,。對小的零件，從粗加工到精加工都可采用高速銑削,。在粗加工后的半成品工件上,，怎樣用半精加工方法獲得余量比較均勻的半成品毛坯，為精加工采用高速銑削創(chuàng)造條件,；另外,，在粗加工和半精加工時，如何選用刀具和設(shè)置切削參數(shù),，采用先進的走刀方法等,，這些都是要考慮的重要問題,。 " a( F" @$ {; ?) U) d
對于一個高速銑削加工任務(wù)來說，要把粗加工,、半精加工和精加工作為一個整體考慮,，設(shè)計出一個合理的加工方案，從總體上達到高效率和高質(zhì)量的要求,，充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢,，這就是高速銑削工藝設(shè)計的原則,。
" i1 f; A& @) Y. P 1.粗加工 ! e" l: d. e& ?8 |+ Y- i
粗加工的目標(biāo)是追求單位時間的最大切除量,，表面質(zhì)量和輪廓精度要求不高，重要的是讓機床平穩(wěn)地工作,，避免切削方向和載荷急劇變化,。 9 i: p. |8 T( A# h
為了防止切削時速度矢量方向的突然改變，在刀軌拐角處需要增加圓弧過渡,，避免出現(xiàn)尖銳拐角,。所有進刀、退刀,、步距和非切削運動的過渡也都盡可能圓滑,，如在平面銑削中，可采用螺旋或傾斜方式（傾角為5°左右）的垂直進退刀運動,、圓弧方式的水平進退刀運動,；而在曲面輪廓銑中，使用切圓弧的進退刀運動等,。
5 D# [+ U% @: Y* e 刀具通常采用球頭銑刀和平底圓角銑刀,，采用2.5軸加工方式，加工時充分利用主軸的加工功率,。
4 G p7 q5 S% _. I& W 為了平穩(wěn)地加工硬化了的材料,，步距通常不得大于刀具直徑的6%～8%，深度不超過刀具直徑的10%,。
分層切削能控制切削載荷均勻,，在粗加工中常采用此法。 : c( R+ u7 U6 e0 S3 \
2.半精加工
' d# {9 Q& s$ P7 }7 J 半精加工的目的是把前道工序加工后的殘留加工面變得平滑,，同時去除拐角處的多余材料,，在工件加工面上留下一層比較均勻的余量，為精加工的高速銑削做準(zhǔn)備,。半精加工應(yīng)沿著粗加工后的棱狀輪廓進行銑削,，以便使切入過程穩(wěn)定，并減小切削力波動對刀具的不利影響,。另外,，半精加工時刀具的切削應(yīng)盡量連續(xù),，避免頻繁地進退刀。 $ L. H- V6 r% l ]4 [( J
以前的CAM系統(tǒng)（包括目前的一般系統(tǒng)）基本上沒有基于殘留模型的編程功能,。粗加工以后,，不是針對殘留材料作后續(xù)加工，而是以一個假設(shè)的,、估計的“毛坯”作為加工對象,，來進行半精加工的刀位軌跡計算。這樣得到的加工指令,，在實際切削過程中會出現(xiàn)空切現(xiàn)象,，造成切削狀態(tài)不連續(xù)，引起刀具震動或撞擊,，縮短了刀具壽命,，并容易造成加工缺陷。現(xiàn)在,，一些頂尖的CAD/CAM系統(tǒng)已推出了這項技術(shù),。如在UG中，粗加工后可生成工件的殘留材料模型（IPW）,，然后以該殘留材料模型為毛坯,，生成半精加工操作。這樣可去除空刀,，減小刀具切入/切出材料時的沖擊,，延長刀具壽命，并可獲得較為均勻的加工余量,，為高速銑削精加工創(chuàng)造條件,。 ( g. R/ t* ~/ m+ W
3. 精加工 E0 [7 B( d+ X) x8 g+ N0 p/ k- {4 m
精加工的目的是按照零件的設(shè)計要求，達到較好的表面質(zhì)量和輪廓精度,。精加工的刀位軌跡緊貼零件表面,，要求平穩(wěn)、圓滑,，沒有劇烈的方向改變,。精加工中除需對工藝參數(shù)進行優(yōu)化外，還建議采用下面的加工順序：外輪廓加工,、凸起規(guī)范幾何體的加工,、自由型面的加工、階梯層面加工,、平面加工和凹陷規(guī)范幾何體的加工等,。
1 S2 k, ?6 ^6 I! t! ]( v/ O7 l四、結(jié)論 5 R7 T8 |( q3 c1 ?' |& p
在高速切削加工中,，機床,、夾具,、刀具、數(shù)控系統(tǒng)及軟件等只是必要裝備,，加工工藝方法及參數(shù)設(shè)定等因素才是直接影響加工是否成功的重要因素,。這些因素需要經(jīng)驗的積累及反復(fù)實踐和總結(jié)，才能真正發(fā)揮高速切削加工的優(yōu)勢,。
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發(fā)表于 2005-10-17 14:58:49
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