高速切削技术

高速切削技术（精选十篇）

高速切削技术 篇1

高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术, 其切削速度、进给加速度相对于传统的切削加工成倍提高, 效率提高3～5倍以上, 可直接加工淬火钢模具, 实现了模具加工“一次过”的革命性进步。高速加工是制造科学的前沿。高速切削时, 工件材料将处于超常应变速率状态, 在瞬间发生剧变, 完全突破了传统切削理论和现有切削加工的概念, 高速切削机理发生了根本性的变化。与传统切削加工相比, 高速切削加工使切削力下降30%, 切削热的90%被切屑带走, 高速避开了机床的低频共振区, 使机床的效率、精度和柔性得到高度统一, 代表了机床工业发展的方向。在工业发达国家, 高速加工已在航空航天、汽车、高速机车和模具等行业广泛应用, 成为切削加工的发展趋势。高速机床和高速刀具逐步投入市场, 高速切削加工技术得以在德、美、日等工业发达国家进入工业应用阶段并迅速发展, 取得重大经济和社会效益。

高速切削机床是实现先进切削工艺、获得高效加工效益的载体, 也是进行高速切削试验研究的平台。高速切削的关键技术有高速切削机理、高速加工技术、高速加工用刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等, 其中高速机床是实现高速加工的前提和基础条件。

1 高速主轴单元

高速主轴部件是高速机床最为关键的部件之一, 同时高速主轴单元的设计是实现高速加工的关键技术之一。高速主轴在离心力作用下产生振动和变形, 高速运转时产生的摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起温升和热变形, 将直接影响机床最终的加工性能, 因此必须对其进行严格控制。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。不同类型的主轴输出功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速, 并在指定的位置快速准停, 这要求主轴具有很高的角加速度。主轴的驱动如果通过皮带等中间环节, 不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪声, 而且增加了转动惯量, 机床主轴快速准停非常困难。高速加工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电机直接驱动的集成结构形式。集成化主轴有两种形式, 一种是通过联轴器把电机与主轴直接联接, 另一种是把电机转子和主轴做成一体。

目前, 多数高速机床主轴采用内装式电机主轴, 简称“电主轴”。电主轴采用无外壳电机, 将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内, 转子和机床主轴的旋转部件做成一体, 主轴的变速完全通过交流变频控制实现, 将变频电机和机床主轴合二为一。电主轴系统主要包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口等。

目前, 国外高速机床主轴系统一般选用的轴承有陶瓷球轴承、静压轴承、动静压轴承、气浮轴承、磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时, 这是高速切削技术应用的一大制约。国产陶瓷球轴承的转速仅达到20 000 r/min, 且只能承受轻负载。磁悬浮轴承支承的电主轴可以在5 000～80 000r/min的转速下运行上万小时, 但其主轴的支撑刚度较低, 难以应用于铣削加工。液体动静压轴承则拥有动压轴承和静压轴承的优点, 刚度和精度高, 其理论寿命为无限长, 有较大的应用潜力, 但目前设计预计的模型多是基于层流、不可压缩流体、等粘度假设, 有很大的局限性。高速主轴润滑轴承中流体的内摩擦功耗使温度上升。采用低粘度介质如水润滑, 使温升有所改善, 但其高速剪切下的热特性、水的腐蚀作用及高速紊流下气泡的产生对轴承稳定性的影响等问题有待深入解决, 才能形成设计制造技术。

在高速主轴单元中, 机床既要完成粗加工, 又要完成精加工, 因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度要求。高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。

2 高速进给系统

高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统, 这不仅是为了提高生产率, 也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件, 否则会造成刀具急剧磨损, 破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时, 为了保证零件的加工精度, 随着机床转速的提高, 进给速度也必须大幅度提高, 以便保证刀具每齿进给量不变;另一方面, 由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长, 一般只有几十毫米到几百毫米, 进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给, 除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副, 最近几年又出现了采用直线电机驱动和基于并联机构的新型高速进给方式, 从结构、性能到总体布局来看, 3种方式都有很大的差别, 形成了3种截然不同的高速进给系统。

(1) 滚珠丝杠副传动系统

从1958年美国K&T公司生产出世界上第一台加工中心以来, “旋转电动机+滚珠丝杠”至今仍然是加工中心和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动, 进给加速度可以达到1 g, 进给速度可以达到40～60 m/min, 定位精度可以达到20～25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统, 采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案, 因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制, 能够实现的进给速度和加速度比较小。

对于采用滚珠丝杠副的传动系统, 为了提高进给加速度, 可以采取以下措施。

a.加大滚珠丝杠直径以提高其刚度, 且丝杠内部做成空心结构, 这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。

高速滚珠丝杠在运转时, 由于摩擦产生温升, 造成丝杠的热变形, 将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术, 对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用。

b.选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机, 采用多头大导程滚珠丝杠。

c.对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。

另外, 为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度, 可以采用小直径的氮化硅陶瓷球, 并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来, 减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压, 减少丝杠的发热和引起的噪声。也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式, 避免高速运转受临界转速的限制。

改进后的滚珠丝杠其进给速度一般不超过60～80 m/min, 加速度小于1.5 g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。

采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比, 可以大幅度降低成本。日本精工已经研制出进给速度高达100 m/min的滚珠丝杠。采取的改进措施主要有, 采用16～32 mm大导程, 提高滚珠循环部分零件质量;采用多头螺纹以增加有效圈数, 改进滚道形状等。从而, 实现了进给系统的高速、高刚度以及高承载能力。

(2) 直线电机进给驱动系统

直线电机驱动实现了无接触直接驱动, 避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点, 可获得高精度的高速移动, 并具有极好的稳定性。

直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开, 然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固连, 定子则安装在机床床身上, 在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床进给传动链的长度缩短为零, 从而实现所谓的“零传动”。

从1845年Charles Wheastone发明世界上第一台直线电机以来, 直线电机在运输机械、仪器仪表、计算机外部设备以及磁悬浮列车等行业获得了广泛应用。国外第一个采用直线电机的数控机床是1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威机床博览会上展出的HSC240高速加工中心。该加工中心采用了德国Indramat公司开发成功的感应式直线驱动电机, 最高的进给速度可以达到60m/min, 进给加速度可以达到1 g。美国Ingersoll公司在其生产的HVM8加工中心的3个移动坐标轴的驱动上使用了永磁式直线电机, 进给最高速度达76.2 m/min, 进给加速度达1～1.5 g。意大利Vigolzone公司生产的高速卧式加工中心, 三轴采用直线电机, 三轴的进给速度均达到70m/min, 加速度达到1 g。在CIM’97上德国西门子公司曾作了120 m/min直线电机高速进给表演。该公司直线电机最大的进给速度可达200m/min, 最大推力可达6 600 N, 最大位移距离为504 mm。目前直线电机加速度可达2.5 g以上, 进给速度轻而易举就可以达到160 m/min以上, 定位精度高达0.5～0.05μm。

使用直线电机驱动具有以下优点。

a.高速响应性。由于系统取消了各种响应时间常数较大的机械传动件, 整个闭环控制系统动态响应性能大为提高, 反映异常灵敏快捷。

b.传动刚度高。系统避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象, 同时提高了其传动刚度。

c.定位高精度。系统从根本上取消了由于机械机构引起的传动误差, 减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。直线电机驱动系统一般以光栅尺作为位置测量元件, 采用闭环反馈控制系统, 工作台定位精度达0.1～0.01μm。

d.进给速度快、加减速度大。由于系统的高响应性, 其加减速过程大大缩短, 以实现启动瞬时达到高速, 高速运行又能瞬间停止, 可获得较高的加速度, 一般可以达到2～10 g。

e.行程长度不受限制。直线电机的次级连续铺在机床床身上, 次级铺到哪里, 初级 (工作台) 就可以运动到哪里, 使行程距离不受限制, 而且不管有多远, 对整个进给系统的刚度都没有任何影响。

直线电机的结构本身也存在着一些不利因素, 如直线电机的磁场是敞开的, 尤其是采用永磁式直线电机时, 要在机床床身上安装一排磁力强大的永久磁铁。因此必须采取适当的隔磁措施, 否则对其磁场周围的灰尘和切屑有吸收作用。与同容量的旋转电机相比, 直线电机的效率和功率因数要低, 尤其在低速时比较明显, 但从整个装置和系统来看, 由于采用直线电机后省去中间传动装置, 系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。另外, 直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大, 故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减小或消除这种影响。虽然采用直线电机驱动的数控机床需要解决如上问题, 但是目前在加速度大于1 g的情况下, 直线电机仍是唯一的选择。

(3) 基于并联机构的高速进给系统

传统机床的结构一般都是由床身、工作台、立柱、导轨、主轴箱等部件串联而成的非对称的布局, 因此机床结构不但要承受拉压载荷, 而且还要承受弯扭载荷。为了保证机床的整体刚度, 只有采用结构比较笨重的支承部件和运动部件, 这不但要消耗大量的材料和能源, 也制约了机床进给速度和加速度的进一步提高。刀具和工件之间的相对运动误差由各坐标轴运动误差线性叠加而成, 机床结构的非对称还导致受力和受热的不均匀, 这些都影响机床的加工精度。

为了克服传统机床布局上固有的缺陷, 满足高速加工的要求, 近年来出现了一种全新概念的机床进给机构——并联虚拟轴结构, 它的基本工作原理是建立在1964年由英国人Steward设计并获得专利的六杆结构的基础上, 一般称为Steward平台。具有这种进给机构的机床也被称为并联运动机床。1994年在芝加哥国际机床博览会上, 首次展出了由这种机构实现的多坐标进给运动的数控机床和加工中心, 引起国际机床界的轰动, 被认为是机床结构的重大革命。

和传统的串联式机床相比, 并联机床具有以下优点。

a.比刚度高。承受切削力的动平台由完全对称的多根杆件支撑, 杆件只承受拉压, 不承受弯扭应力。其结构简单、标准化程度高、生产成本低。

b.响应速度快。机床运动部件质量小, 对运动速度反映速度快, 能够实现高进给速度和高加速度的加工运动。

c.适应能力强。并联机床采用独特的简单杆系结构, 各杆的结构完全相同, 而其他部件均为外购的标准部件, 并且并联机床采用开放式控制系统, 只要更换平台上的工作部件就可以实现多种类型的加工。

并联机床是实现高速进给的一种崭新的运动机构, 有非常好的应用前景。但是由于并联机床结构上的限制, 其在应用过程中也存在一定的问题, 比如有效的工作空间比较小, 六轴完全并联的机床运动范围很小, 很难同时实现立卧加工, 做出的机床往往体积大而实用的工作空间小, 这是六杆机床发展初期普遍存在的问题。近年来各国都在大力发展混联机床, 这种结构机床可以在很大程度上解决工作空间小的问题。并联机床另一个比较严重的问题是加工精度不高, 其原因主要是杆件热变形以及铰关节制造精度的提高十分困难。研究开发结构尺寸小、承载能力强、精度高的复合滚动关节部件是发展并联机床的关键基础技术问题。并联机床的数控编程和误差补偿比较复杂, 并联机床的自动编程, 特别是自动补偿的难度和工作量都是比较重要和困难的工作。

3 高速CNC控制系统

高速加工机床主轴转速、进给速度和进给加减速非常高, 因此对高速加工机床的控制系统提出了更高的要求。用于高速切削的数控装置必须具备很高的运算速度和精度。采用快速响应的伺服控制, 以满足复杂型腔的高速度加工要求。目前, 主轴电机仍然是采用矢量控制技术的变频调速交流电机, 但必须优化现有的技术, 如采用性能更好的半导体器件和处理速度更高的处理器, 以及进一步优化矢量控制技术。

在高速机床中使用的主轴数字控制系统和数字伺服驱动系统, 应具有高速响应特征。对于主轴单元控制系统, 不仅要求控制主轴电机时有很高的快速响应特性, 而且要求主轴支承系统也应该有很好的动态响应特性。采用液压或磁悬浮轴承时, 要能够根据不同的加工材料、不同的刀具材料, 以及加工过程的动态变化自动调整相关参数, 加工精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的检测组件。

4 高性能的刀具系统

对于高速旋转类刀具来说, 刀具结构的安全性和动平衡精度是至关重要的。当主轴转速超过10 000r/m i n时, 一方面由于离心力的作用, 使主轴传统的7:24锥度产生扩张, 刀具的定位精度和连接刚性下降, 甚至发生连接部的咬合现象。另一方面常用的刀片夹紧机构的可靠性下降, 刀具整体不平衡量的影响加强。为了满足高速机床的加工要求, 德国开发出HSK连接方式、对刀具进行高等级平衡以及主轴自动平衡的系统技术。HSK连接方式能够保证在高旋转的情况下具有很高的接触刚度, 夹紧可靠且重复定位精度高。主轴自动平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90%以上。

目前, 用于高速加工的刀具材料主要包括金刚石 (PCD) 、立方氮化硼 (PCBN) 、陶瓷刀具、TiC (N) 基硬质合金 (金属陶瓷) 、硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等, 它们各有特点, 适于加工的工件材料范围也不同。PCD刀具包括金刚石复合刀片和金刚石涂层刀具, 主要用于有色金属和非金属的超高速加工, 但由于价格昂贵又不能加工钢、铁等黑色金属致使其高速加工的应用受到很大的限制。立方氮化硼 (PCBN) 刀具可分为整体PCBN刀片、单面PCBN复合刀片和单刃PCBN复合刀片, 根据PCBN含量及粘结剂的不同, 可用于铸铁、淬硬钢、热喷涂材料、硬质合金以及某些高温合金的高速加工, 并可实现“以车代磨”、“以铣代抛”的高速干切削和硬切削, 是目前比较理想的高速切削刀具材料, 但PCBN刀具不适于加工铁素体材料, 成本也很高。陶瓷刀具主要有Al2O3基、Si3N4基以及Sialon三大类, 具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性, 也是一种比较理想的高速硬切削刀具材料, 但其强度、韧性及抗热振性较差, 在高速加工中容易发生破损。针对陶瓷刀具的缺点, 目前国内外学者主要通过向陶瓷刀具材料基体中添加ZrO2、TiC、Ti (C, N) 、TiB2、SiC颗粒、SiC晶须等增韧补强相, 采用相变增韧、颗粒弥散增韧、晶须增韧以及几种增韧机制的协同增韧等方式来提高刀具材料的性能。TiC (N) 基硬质合金 (金属陶瓷) 刀具目前主要用于普通钢的高速切削加工, 但由于其硬度和耐磨性低于陶瓷刀具, 而不适于淬硬钢的高速加工。硬质合金涂层刀具的涂层工艺主要有物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD) , 涂层结构有单涂层、多涂层、纳米涂层以及梯度涂层等, 涂层材料主要包括Al2O3、Ti C、TiN、Ti (C, N) 、TiAlN等。由于硬质合金基体、涂层工艺、涂层结构、沉积温度等不同, 涂层刀具在实际生产的应用最为广泛, 几乎涵盖了所有金属材料。超细晶粒硬质合金刀具由于晶粒细化, 可大大提高刀具材料的强度和综合力学性能, 目前主要用做整体式刀具 (立铣刀、钻头) , 可以2 000 m/min以上的速度加工航空铝合金。但由于硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具较低的耐热性、耐磨性以及硬度, 在加工广泛应用于化工、冶金、武器装备、航空发动机等领域的不锈钢、高强合金钢、镍基合金等难加工材料时, 加工效率及刀具寿命普遍较低。

5 机床支撑技术

机床支撑技术主要指机床支撑构件的设计及制造技术。高速机床设计的关键是如何在降低运动部件惯量的同时, 保持基础支撑部件的高静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助设计, 特别是应用有限元分析及优化设计理论, 能获得质量轻、刚度高的机床床身、立柱和工作台结构。

对精密高速机床, 国内外都有采用聚合物混凝土来制造床身和立柱的, 也有将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成, 还有采用钢板焊接件, 并将阻尼材料填充其内腔以提高抗振性, 均取得了很好的效果。

6 辅助单元技术

辅助单元技术包括快速工件装夹、安全装置、高效冷却润滑液过滤、切屑处理和工件清洁等技术。

7 高速切削加工理论

高速切削加工过程的热-力耦合不均匀强应力场中的能量转换机制、切削变形规律;切削加工过程中的力学与传热学行为, 热-力耦合不均匀强场模型;刀具与工件之间的摩擦学行为, 及其与刀具磨损、破损规律和刀具寿命之间的关系;加工表面质量的形成机理、加工精度及其与切削条件之间的关系;“机床-刀具-工件-夹具”高速切削系统的动力学特性与稳定性及其对加工变形以及直接影响刀具寿命和加工表面质量影响规律。

8 高速切削的应用

(1) 大批量生产领域

这一领域的代表是汽车工业。美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心, 其主轴功率达65 kW, 主轴转速为15 000r/min, 进给速度达76.2 m/min。进给系统中采用了永磁式直线电机, 使进给加速度达到1.5 g。

(2) 薄壁零件加工领域

在航空航天工业产品及其他产品中, 为了最大限度地减轻质量、增加可靠性, 常采用整体薄壁的构件。但这些零部件的刚度极差, 不允许采用较大的切削深度。为了提高生产率、降低生产成本、缩短制造周期, 其主要途径是采用高速切削。

(3) 难加工材料领域

工件材料的特性对加工方法的选择有重要的影响, 一些难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等, 在高速切削条件下变得易于切削, 不仅如此, 刀具的耐用度和工件表面质量都得到提高。

(4) 超精密微细加工领域

高速切削加工技术的应用分析 篇2

1 高速切削将成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。

高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。

2 加快关键技术的开发应用

2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。

2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。

模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。

与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，

2.3 快速发展的配套技术

切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。

双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。

在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。

3 机床技术

3.1 驱动和传动技术

高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。

直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。

目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。

3.2 控制和数控技术

高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。

4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施

我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。

模具高速切削技术应用初探 篇3

【关键词】:高速切削 模具制造 应用

高速切削是一个相对概念,如何定义,目前尚无共识。而且由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范围,因而也很难就高速切削的速度范围给出一个确切的定义。高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造、高速主轴系统、快进系统、高性能刀具材料及刀具设计制造系统、高性能刀夹系统、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的。因此,高速切削加工是一个复杂的系统工程,涉及机床、刀具、工件加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。

1 高速切削技术的特点

高速切削之所以成为技术热点,得到广泛工业应用,是因为它相对传统加工具有显著的优越性,具体有以下优点。

1.1加工效率高

高速切削加工允许使用较大的进给量,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,加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件,特别是对于航空工业有十分重要的意义。比如机翼的加工,大多采用整体加工法,需要切除的材料占90%以上。

1.2切削力减小

和常规切削相比,高速切削加工时切削力至少可降低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。

1.3切削热对工件的影响减小

高速切削加工过程极为迅速,95%以上的切削热量极少,零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属(如镁)来说,高速切削有一定意义。

1.4加工精度高

因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的受迫振动,保证了较好的加工状态。由于切削力小,切削热影响小,使得刀具、工件变形小,保持了尺寸的精确性,另外也使得刀具工件间的摩擦变小,切削破坏层变薄,残余应力变小,实现了高精度、低表面粗糙度值加工。

1.5加工工序简化

由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度值,并且在一定的切削条件下,可以对硬表面进行加工,尤其是对硬度在40～60HRC之间的高硬度进行铣削,可以部分取代电火花加工,这一点对于模具加工具有十分重要的意义,使加工工序简化。其主要领域如附表所示。

2 高速切削技术在模具制造中的应用

高速切削所具有的一系列特色和生产效益方面的巨大潜力,早已成为德、美、Et等国竞相研究的重要技术领域。如今美国波音公司、法国达索公司采用数控高速切削加工技术超高速铣削铝合金、钛合金整体薄壁结构构件。德国自1984年开始至今,由国家研究技术部(DFG)支助Darmstad和4l家公司对超高速切削机床的研究。日本尖端技术研究会把高速切削列为五大现代制造技术之一。如今,美、德、日、法、瑞、士、意大利生产的不同规格的各种商业化高速机床已经进入市场,应用于飞机、汽车及模具制造。

随着高速加工HSM(High SpeedMachini)技术的引进模具工业,对传统的模具加工工艺产生了很大的影响,改变了模具加工工艺流程。由于模具型面一般都是十分复杂的自由曲面,并且硬度很高,采用常规的切削加工方法难以满足精度和形状要求。常规的加工方法是在退火后进行铣削加工,然后进行热处理、磨削或电火花加工,最后手工打磨、抛光,这样使得加工周期很长。特别是手工加工时间,要占整个加工周期很大一部分。HSM可以达到模具加工的精度要求,减少甚至取消了手工加工,并且由于新型刀具材料(如PCD、PCBN、金属陶瓷等)的出现,HSM可以加工硬度达到60HRC,甚至更高硬度的工件,可以加工淬硬后的模具,取代电火花加工和磨削加工。高速铣削加工在模具制造中具有高效高精度以及可加工高硬材料的优点,在工业发达国家已经得到了广泛的应用。目前我国高速切削技术还停留在较低的水平,机床所用的切削速度比先进工业国家低一个数量级,生产效率很低,经济效益不好。高速切削技术在模具工业中的应用更是凤毛麟角,因此大力发展高速切削,.对我国的制造业发展具有十分重要的意义。

高速切削加工技术引进模具工业,主要应用于以下几个方面:①淬硬模具型腔的直接加工。利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔,提高了模具加工的质量和效率,可取代电火花加工。②EDM(电火花)电极加工。应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用。高速切削电极提高了电极的表面质量和精度,减少了后续加工工序。③快速样件制造。利用高速切削加工效率高的特点,可用于加工塑料和铝合金模型。通过CAD设计后快速生成3D大学实体模型,比快速原型制造效率高、质量好。④模具的快速修复。模具在使用过程中往往需要修复,以延长使用寿命,过去主要是靠电加工来完成,现在采用高速加工可以更快地完成该工作,而且可使用原NC程序,无须重新编制。

3 高速切削存在的问题

高速切削是切削加工发展的主要方向之一,它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件、CAD/CAM等基础技术的发展外,自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题,如刀具磨损严重,高速切削刀具切入切出时破损问题,高速切削用刀具材料价格昂贵,铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡,刀具夹持要牢靠安全,主轴系统昂贵且寿命短,而且所用高速加工机床及其控制系统价格昂贵,使得高速切削的一次性投入较大,这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。

4 结束语

高速切削技术是先进的制造技术,有广阔的应用前景。推广应用高速切削技术不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量,降低成本,而且可以带动一系列高新技术产业的发展。加强高速切削技术的基础研究,建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准,提高机床和工具行业的开发创新能力,加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与产业化,已是当务之急。

参考文献:

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[5]殷保祖,周欣;高速铣削数控编程技术研究[J];电子机械工程;2005年04期

高速切削技术浅析 篇4

1931年4月, 德国切削物理学家萨洛蒙博士提出了高速切削理论:被加工材料都有一个临界切削速度, 在达到临界速度之前, 切削温度和刀具磨损随着切削速度的增大而增大, 当切削速度达到临界速度后, 切削温度反而开始随切削速度增大而降低, 刀具磨损也随之减小。

目前, 高速切削尚无统一定义, 一般认为是指采用超硬材料的刀具, 通过极大地提高切削速度和进给速度, 来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。

它是一个相对概念, 不同的加工方法、不同的加工材料有着不同的高速切削速度和加工参数。包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等。

2 高速切削技术的优点

2.1 加工时间短, 效率高。材料去除率通常是常规的3~5倍, 加工成本可降低20%~40%。

2.2 工件表面质量好 (可提高1~2级) 。

首先ap与ae小, 工件粗糙度小;其次切削线速度高, 机床激振频率远高于工艺系统的固有频率, 工艺系统振动很小。

2.3 切削力小 (可减少30%以上) , 工件变形减少。

2.4 刀具和工件受热影响小。切削热大部分被高速流出的切屑带走, 刀具和工件热变形小, 提高了加工质量。

2.5 高速切削刀具热硬性好, 且切削热影响小, 可进行高速干切削, 不用冷却液, 减少了对环境的污染, 能实现绿色加工。

2.6 可完成高硬度材料和淬硬钢 (硬度HRC45~65) 的加工。

3 高速切削系统

高速切削系统主要由高速切削CNC机床、高速切削刀具、高性能的刀具夹持系统、高速切削CAM系统软件等几部分组成。

3.1 高速切削CNC机床

3.1.1 高稳定性的机床支撑部件

高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度, 热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚度和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料, 有的还在底座中添加高阻尼性的聚合物混凝土, 以增加其抗振性和热稳定性, 不但保证机床精度稳定, 也防止切削时刀具震颤。

3.1.2 高速主轴系统

高速主轴是高速切削技术最重要的关键技术, 也是高速切削机床最重要的部件。要求动平衡性很高, 回转精度高, 刚性好, 有良好的热稳定性, 能传递足够的力矩和功率, 能承受高的离心力, 带有准确的测温装置和高效的冷却装置。高速切削一般要求主轴转速能力不小于40000r/min, 主轴功率大于15k W。通常采用主轴电机一体化的电主轴部件, 实现无中间环节的直接传动, 电机大多采用感应式集成主轴电动机。

主轴轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件, 为了适应高速切削加工, 主轴轴承目前主要使用陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承。润滑多采用油-气润滑、喷射润滑等技术。

3.1.3 快速进给系统

高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合, 进给速度为传统的5~10倍, 一般为30~60m/min, 最高120 m/min。采用直线滚动导轨, “爬行”现象大大降低;采用滚珠丝杠, 使机床获得高的进给速度和进给加减速;采用先进的直线电动机驱动, 使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题, 加快了伺服响应速度, 提高了伺服控制精度和机床加工精度。

3.1.4 高效的冷却系统

高速切削中机床的主轴电动机、主轴轴承、导轨、滚珠丝杠、直线电动机、液压油箱等会产生大量的热, 如不进行有效的冷却, 将会严重影响机床的精度。高速切削机床大多采用强力高压、高效的冷却系统, 使用温控循环水或其他介质来冷却。

3.1.5 高性能的CNC控制系统

高速切削加工要求CNC控制系统有快速处理数据的能力, 来保证高速加工时的插补精度。近几年网络技术已成为CNC机床加工中的主要通讯手段和控制工具, 大量的设计数据、图形文件、工艺资料和加工姿态等加工信息可通过网络进行实时传输和交换, 极大提高了生产率。

3.1.6 高安全性

高速切削机床普遍采用全封闭式安全门罩、高强度透明材料制成的观察窗以及可靠的工况检测系统等安全保障措施, 来保证机床操作者及周围现场人员的安全, 也避免机床、刀具和工件等有关设施受到损伤。

3.2 高速切削刀具

刀具技术和机床制造, 是相辅相成共同发展的, 共同推进了高速切削技术。高速切削刀具应具有很高的可靠性及精度, 良好的抗冲击、耐热性、高温力学性能及断屑性能。采用的材料应能适应难加工材料和新型材料加工的需要, 与被切削材料应具有较小的化学亲和力。目前主要有:金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷刀具、涂层刀具和超细硬质合金刀具等。最多采用的是硬质合金刀具, 并且普遍采用刀具涂层技术。

在保证安全和满足加工要求的条件下, 刀具悬伸应尽可能短, 刀体和夹紧结构必须有高的强度、刚性与断裂韧性, 以保证安全可靠;刀体质量应尽量轻以减少离心力;刀体结构应对称于回转轴, 重复定位性好。

3.3 刀具夹持系统

刀具夹持系统要求有很高的动平衡性, 且具有绝对的定心性。主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度, 保证高速、高精度加工。否则, 转速越高离心力越大, 当其达到系统的临界状态将会使刀具系统发生激振, 其结果是加工质量下降, 刀具寿命缩短, 加速主轴轴承磨损。刀柄与主轴锥孔应结合紧密, 现在刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触的双定位锥柄。刀具夹持装置一般用经动平衡处理的弹簧卡头, 及效果更好的液压真空装刀, 强力铣卡头装刀。

3.4 高速切削CAM系统软件

高速切削有着特殊的工艺要求, 具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速切削CAM编程系统应具有很高的计算速度, 较强的插补功能, 全程自动过切检查及处理能力, 自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能, 进给率优化处理功能, 待加工轨迹监控功能, 刀具轨迹编辑优化功能, 加工残余分析功能等等。数控编程可分为几何设计 (CAD) 和工艺安排 (CAM) , 在使用CAM系统进行高速加工数控编程时, 除刀具和加工参数根据具体情况选择外, 加工方法的选择和采用的编程策略就成了关键。首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳, 这会影响加工质量和机床主轴等零件的寿命。

4 高速切削加工技术的应用

目前, 高速切削技术已在模具、轴承、航空航天、机床和汽车制造、工程机械等行业广泛应用, 使产品质量明显提高, 成本大幅度降低, 获得市场竞争优势, 取得重大经济效益。同时对提高切削加工技术水平, 推动机械制造技术进步也具有深远意义。

高速切削技术已历经了理论探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等阶段, 它会随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础迈上更高的台阶。

摘要：高速切削技术是提高加工效率、加工质量的先进制造技术, 其相关技术的研究已成为国内外先进制造技术领域重要的研究方向。

高速切削的定义是什么？ 篇5

让我们看一下这些定义中的几个：

? 高切削速度切削

? 高主轴速度切削

? 高进给切削

? 高速和高进给切削

? 高生产率切削

我们对高速切削的定义描述如下：

? HSM不是简单意义上的高切削速度，

它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。

? 高速切削无需高转速主轴切削。许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。

? 如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为常规的4到6倍。

? 在小尺寸零件的粗加工到半精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味着高生产率切削。

? 零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要。

如何合理选择高速切削刀具材料 篇6

关键词：高速切削 刀具 材料

0 引言

机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、高柔性和强化环境意识。在机械加工领域，切(磨)削加工是应用最广泛的加工方法。高速切削是切削加工的发展方向，已成为切削加工的主流。它是先进制造技术的重要共性关键技术。推广应用高速切削技术将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成本。高速切削技术的发展和应用决定于机床和刀具技术的进步，其中刀具材料的进步起决定性的作用。研究表明，高速切削时，随着切削速度的提高，切削力减小，切削温度上升很高，达到一定值后上升逐渐趋缓。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一要求，近20多年来，发展了一批适于高速切削的刀具材料，可在不同切削条件下，切削加工各种工件材料。

虽然我们总是希望得到既有高的硬度以保证刀具的耐磨性，又有高的韧性来防止刀具的碎裂，但目前的技术发展还没有找到如此优越性能的刀具材料，鱼于熊掌无法兼得。因此，我们会在实际中按照需要选用更合适的刀具材料：粗加工时优先考虑刀具材料的韧性；精加工时优先考虑刀具材料的硬度。当然人们还期待着以超高切削速度进行加工而获得更好的效果。下面仅就常见的工件材料及刀具的相关情况做如下简单介绍。

1 铝合金

1.1 易切削铝合金 该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在2000～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。

1.2 铸铝合金 铸铝合金根据其Si含量的不同，选用的刀具也不同，对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si3N4刀具，当Si含量大于12%时，可采用PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。

2 铸铁

对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷；切削速度在510～2000m/min时，可选用Si3N4陶瓷刀具；切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或Si3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co，晶粒尺寸平均为3μm，CBN含量大于90%～95%的BZN6000在V=700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlN＋AlB2)、晶粒尺寸平均为10μm、CBN含量为90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。

3 普通钢

切削速度对钢的表面质量有较大的影响，据研究，其最佳切削速度为500～800m/min。目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。金属陶瓷刀具目前占市场份额较大，以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工；用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，用TiN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm。

4 高硬度钢

高硬度钢(HRC40～70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1μm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。当切削速度高于1000m/min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢)。

5 高温镍基合金

Inconel 718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN刀具。碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命，切削速度高于500m/min时，添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小，而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel 718合金的加工。一般认为，SiC晶须增强陶瓷加工Inconel 718的最佳切削条件为：切削速度700m/min，切深为1～2mm，进给量为0.1～0.18mm/z。氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高，适合于切削过固溶处理的Inconel 718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。

6 钛合金(Ti6Al6V2Sn)

钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于Inconel 718，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。实验得出，用直径10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金，可达到满意的刀具寿命，切削速度可高达628m/min，每齿进给量可取0.06～0.12mm/z，连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。

7 复合材料

航天用的先进复合材料，以往用硬质合金和PCD，硬质合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化，用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。

浅谈高速切削技术 篇7

关键词：高速切削技术,机床,控制系统

高速切削理论最早是由德国物理学家Carl.J.Salomon在1931年4月提出。主要内容是: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, 切削温度不但不升高反会降低, 且该切削速度值与工件材料的种类有关, 目前高速切削技术比较普及的定义是根据1992年国际生产工程研究会 (CIRP) 年会主题报告的定义:高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5-10倍的切削加工。

一、高速切削技术的优点

1、可降低机床与刀具的损耗

由于高速切削时机床主轴与刀具所受的径向力小, 减少了主轴轴承、导轨、滚珠丝杠等精度要求较高部位的磨损。同时刀具和工件可保持相对较低的温度, 在高速切削应用中, 单位时间切削量小, 同时由于是高速进给, 比切削热传播的速度快, 大大提高了刀具的使用寿命。

2、显著提高加工生产效率

采用高速切削进行粗、半精加工时, 材料去除率高。同时机动时间和辅助时间大幅度减少, 由于主轴转速和进给的高速化, 加工时间可较之前减少了50%。

3、获得较高的加工精度和表面质量

由于切削吃刀浅, 切削力可减少30%以上, 变化幅度小, 机床的激振频率远大于工艺系统的固有频率, 故振动对表面质量的影响很小, 加上速度快, 切削热还来不及传给工件, 工件的加工变形减小, 有利于保证零件的表面质量、尺寸、形位精度等。对大型的框架件、薄壁槽形件等工件的加工尤为明显。

4、降低加工成本

高速切削时, 单位功率的金属切除率显著增大, 工件的在制时间相对缩短, 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, 有效的降低加工成本。

二、高速切削对机床、控制系统、刀具、加工工艺等参数的要求

1、高速切削对机床的要求

机床主轴和床身要有良好的刚性, 优良的吸振特性和隔热性能。机床的主轴转速一般应在15000rpm以上, 有些机床主轴转速可以达到60000rpm, 功率在10KW以上, 进给驱动直线进给速度在25-50m/min, 直线电机的驱动速度在80-110m/min。由于加工一直在高速状态, 机床的安全防护、冷却润滑、排屑能力等等因素也要考虑。

2、高速切削对控制系统的要求

要实现高速切削, 具有快速数据处理能力的高性能CNC控制系统是必不可少的。同时需要一个适合于高速加工的CAD/CAM编程系统, 目前比较普及的有美国PTC公司的PRO/ENGINEER软件、以色列的Cimatron软件、英国Del CAM公司的Power Mill软件以及日本Makino公司的FFCUT软件。

3、高速切削对刀具的要求

高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性, 即具有良好的抗冲击、耐磨损、高的强度韧性和抗热疲劳的特性。同时刀应具有合理的几何结构参数、高同心度的刀刃精度质量等, 总而言之, 高速切削刀具要具有很高的耐用度。现阶段, 常用的高速切削刀具种类主要有:

(1) 涂层刀具。

涂层刀具是在硬质合金刀具基体上涂覆金属化合物薄膜, 使刀具获得远高于基体的表面硬度和切削性能。目前常用涂层材料有Ti N、Ti Al N、Ti C、Ti CN、Ti Al CN等, 涂层技术也由原先单一涂层发展为多层、复合材料涂层, 一直到多元复合涂层。

(2) 金属陶瓷刀具。

金属陶瓷主要包括Ti C基硬质合金 (Ti C+Ni或Mo) 、Ti C基硬质合金 (Ti C+Ta C+WC) 、Ti N基硬质合金和Ti CN基硬质合金 (Ti CN+Nb C) 等。金属陶瓷刀具具有较高的室温硬度、高耐磨、高韧性、高温硬度及良好的耐磨性, 对钢件的高速加工速度可达450m/min以上。

(3) 陶瓷刀具。

陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类, 是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的。对钢件的加工速度, 甚至是淬硬钢可达600m/min以上。

(4) 立方氮化硼刀具。

立方氮化硼 (CBN) 刀具具有极高的硬度及红硬性, 是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料;

4、高速切削对加工工艺的要求

实现高速切削, 必须合理的选择加工工艺。刀杆的伸长量、切削用量、走刀方式、冷却条件等等一系列问题都要充分考虑。例如:要尽量避免切削时速度上的突然改变, 可在拐角处增加圆弧过渡, 避免出现尖锐导角;在平面铣削中, 选用螺旋或倾斜方式进退刀运动;在曲面轮廓加工中, 使用切圆弧的进退刀运动;尽可能保持恒定的刀具载荷;多采用分层顺铣方式;冷却方式选用油雾刀具内冷等。

高速切削加工模具的关键技术研究 篇8

1 基于高速加工技术的现代模具制造系统

传统的模具制造技术主要是根据设计图样,采用普通数控铣削、仿形加工、成形磨削、电火花加工以及钳工抛光、修配等方法来制造模具。

现代模具制造能够利用CAD/CAE/CAPP/CAM技术对整个设计制造过程进行有效预测和评估,迅速获得样品,同时节省大量的模具试制材料费用,减少模具返修率,缩短生产周期,大大降低了模具制造成本[1]。高速切削技术因其具有高效率、高精度和良好的经济效益的特点在现代模具制造系统中占有极其重要的地位。在这样的背景下,基于高速切削的模具制造系统应运而生(图1)。

2 高速切削加工模具的机床选择

a) 高速加工模具对机床的要求:模具加工机床在高速切削中占据着最重要的地位。相比于普通切削,高速切削对于使用的机床要求机床主轴转速高、功率大;机床刚度好;极高的主轴转动和工作台运动加速度;较好的高速控制系统。

b) 高速切削机床选用的一般原则:模具制造企业选购高速切削机床应根据加工对象的工艺要求、企业的经济环境和设备的使用环境等诸因素来进行具体的分析,从工艺的适应性、性能价格比、规避风险性等几方面来考虑[2]。

1) 工艺适应性原则:主要是指所选购的机床功能应能适用被加工零件的形状尺寸、尺寸精度和生产节拍等要求;

2) 性能价格比原则:模具加工主要是以单件小批量生产为特征,其加工特点不是以追求高移动速度为主要目的,所以模具制造业通常选择HSM型高速加工中心,因为它比加工能力相当的HVM型高速加工中心价格便宜了许多,但机床并不是越便宜越好,还要注意性能价格比;

3) 风险规避原则:购买机床前要做好市场调研工作,综合考虑,将风险降到最小,使物有所值,调研方法除传统的用户调研、厂家交流和考察外,特别要留意在我国举办的权威性国际机床展览会——CIMT的相关信息。

3 模具高速加工数控编程及策略

a) 高速切削对CAD/CAM系统的要求:为了保证高速加工编程的效率,CAD/CAM系统须满足以下条件[3]:

1) 高效的电脑配置:CAM处理程序计算量非常大,需要足够容量和强劲功能的计算机硬件来支持,要求硬件具有以下特性:处理器速度足够快;足够的内存;具有足够显存和支持Open-GL功能的3D视频显示卡。

2) 合适的CAM编程系统:现有的高速切削数控编程CAM软件,如PowerMILL,MasterCAM,UnigraphicsNX,CATIA,Cimatron E等,都提供了相关功能的高速数控铣削刀具轨迹策略。高速数控加工工艺要求严格,过切保护更加重要,一般需对编程指令进行仿真检验,高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。

3) 具有输入各种不同格式档案文件的能力:某些加工车间可能面对各种不同的客户,而它们所使用的CAD系统也各不相同。在这种情况下,就需要定义一种文件转换格式,从而将几何数据从客户的CAD系统转入CAM系统。为避免耗时的曲面修复工作,如修复曲面错位、重叠、或几何数据的丢失等,选择合适的档案格式来进行数据转换是至关重要的。

4) 具有丰富的仿真模拟能力:为验证所产生的刀具路径的正确性,需要有不同的仿真模拟模式供用户选择,通常有3种模拟模式,即线架构模式、实体模式和在实体模型上模拟材料的去除过程。

b) 高速切削数控编程策略:高速切削数控编程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要尽一切可能保证刀具轨迹的光滑平稳,这会直接影响加工品质和机床主轴等零件的寿命;最后,要尽量使刀具载荷均匀,这会直接影响刀具的寿命。应用高速切削数控编程CAM软件生成刀具轨迹时,要注意以下几个问题:

1) 避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化,以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏,保持刀具轨迹的平稳,避免突然加速或减速。

2) 下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀,避免垂直下刀直接接近工件材料,行切端点采用圆弧连接,避免直线连接。

3) 残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段,一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工,直至达到模具所需的尺寸,不应用小刀一次加工完成,同时应避免全刀宽切削。

4) 尽可能地保持稳定的切削参数,包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性。此外,当遇到某处切削深度有可能增加时,应降低进给速度。

5) 采用优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查软件,可以很好地检测干涉,保证刀具有正确的轨迹路径。

4 模具高速切削制造工艺技术

模具高速切削制造工艺技术主要包括切削方式、走刀、加工阶段、切削参数选择等。

a) 切削方式的选择:在模具高速数控铣削加工中,应尽量选用顺铣加工,因为在顺铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大,随后逐渐减小。在逆铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小,随后逐渐增厚,这样增加了刀具与工件的摩擦,在刀刃上产生大量热量,所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多,径向力也大大增加[4,5]。同时在顺铣中,刀刃主要受压应力,而在逆铣中刀刃受拉应力,受力状态较恶劣,降低了刀具的使用寿命,顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程如图2所示。

高速切削加工适于浅切深,切削深度不应超过0.2mm,这是为避免刀具的位置偏差,确保加工模具的几何精度,保持恒定的金属去除率,保证加在工件上的切削载荷是恒定的,以获得较好的加工效果。

b) 走刀方式的选择:对于带有敞口模具型腔的区域,尽量从材料的外走刀,以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域,采用螺旋进刀方式,在局部区域切入。

高速切削加工中,由于机床加速的局限性,容易造成时间的浪费,急停或急动则会破坏模具表面精度,且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。故应尽量减少刀具的急速换向,选择单一路径切削模式进行顺铣,不中断切削过程和刀具路径,尽量减少刀具的切入切出次数,以获得相对稳定的切削过程。

c) 加工阶段及策略:高速切削加工阶段包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工,以及以获取高品质的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工阶段等。

1) 粗加工阶段:粗加工阶段所应采取的工艺策略是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和Z轴等高两种方式[5]。对陡峭和平坦区域分别处理,计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域,并且同时可以使用螺旋方式,在很少抬刀情况下生成优化的刀具路径,获得更好的表面品质。在高速加工中一定要采取圆弧切入、切出连接方式,以及拐角处圆弧过渡。禁止使用直接下刀的连接方式来生成高速数控加工的程序。

2) 半精加工阶段:半精加工阶段的策略是进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括:粗加工阶段轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。模具高速加工CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能,并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。

3) 精加工阶段:高速切削精加工阶段的策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。对许多形状来说,精加工阶段最有效的策略是使用三维螺旋策略,使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变,从而提高加工速度,减少刀具磨损。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域三维等距精加工方法结合起来使用。

d) 切削参数的选择:

1) 刀柄和刀具:不同加工阶段对刀杆的要求有侧重。粗加工阶段:可能产生明显的机械压力;刀头要求减弱摆动和震动。半精加工阶段:在所有加工表面上产生均衡的预留量;可能需要纤细的刀头来加工深部及细小部份。精加工阶段:此工序目的在于精度及平面光亮度;要求最小的圆跳动、高精度和高强度;可能会要求纤细刀杆和直径小的刀具来加工深部或细小部分。

刀具在高速加工中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷,不同材料的工件高速切削时,刀具的选用要注意其与工件材料相匹配。高速切削加工的刀具材料有金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TiC(N)等。其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛,可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削。

2) 刀具的选择:刀具选择的原则是:安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。

生产中,模具零件周边轮廓的平面加工,常采用立铣刀;铣削平面时,应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行模具自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,为保证加工精度,切削行距一般采用顶端密距,球头刀具常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工品质和切削效率方面都优于球头刀,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀。

3) 切削用量的确定:选择切削用量的原则是:粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本;半精加工和精加工时,应在保证加工品质的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定。考虑以下几个因素:

切削深度t(轴向进给量):在机床、工件和刀具刚度允许的情况下,t就等于加工余量,这是提高生产率的一个有效措施,为保证模具零件的加工精度和表面品质,一般应留一定的余量进行精加工;

切削宽度L:一般L与刀具直径d成正比,与切削深度成反比;

切削速度υc:提高υc也是提高生产率的一个措施,但υc与刀具耐用度的关系比较密切,随着υc的增大,刀具耐用度急剧下降,故υc的选择主要取决于刀具耐用度,切削速度与加工材料也有很大关系,具体的确定方法通常采用下列3种方法:由刀具供应商提供;参考已有的实验数据;通过大量切削实验建立自己的数据库。

4) 主轴转速n(r/min):主轴转速一般根据切削速度来选定。计算公式为:υc=πdn/1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关,可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

5) 进给速度υf(每齿进给量fz):υf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。υf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时,υf可选择得大些。在加工过程中,υf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整,但最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

由于每齿进给量fz的设定正确与否,对刀具所受切削载荷的合理分布有着极其重要的影响,所以实际生产中的每齿进给量的确定可用类似于确定切削速度的方法来确定:由切削刀具供应商提供;参考别人研究所得的实验数据;通过大量切削实验获得。

5 结语

为保证高速加工在模具制造中的顺利实施,首先要注意高速机床的正确选择和安全使用;其次是要清楚高速加工对编程人员的要求与编程方式发生了改变,高速加工对CAD/CAM系统的要求以及高速加工模具的常用编程策略;重点讨论了高速加工模具的工艺技术如切削方式的选择、走刀方式的选择、各加工阶段的不同任务及相应的加工策略、刀头系统和刀具的正确选用、切削用量的选择等,并阐述了高速加工模具工艺制订的内容和一般步骤。

参考文献

[1]郭新贵,汪德才,等.高速切削技术及其在模具工业中的应用[J].现代制造工程,2001(9):31-33.

[2]H.舒尔茨.高速加工发展概况[J].王志刚,译.机械制造与自动化,2002(1):4-8.

[3]王西彬,解丽静.超高速切削技术及其新进展[J].中国机械工程,2000,11(2):190-194.

[4]艾兴,刘战强,等.高速切削综合技术[J].航空制造技,2002(3):20-23.

[5]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

高速切削技术 篇9

1 高速干式切削滚齿机设计的关键技术分析

1.1 高速干式切削滚齿机的传动系统设计

滚齿机的传动设计重点在于整个系统的设计, 这方面主要取决于数控技术、和电主轴、力矩电机的发展。特别是六轴数控四轴联动技术和电子齿轮箱技术的发展使滚齿机的传动系统发生了革命性变化。所谓六轴数控滚齿机各运动轴均由独立的交流伺服 (或主轴) 电机驱动。经齿轮传动或齿形带传动, 滚珠丝杆副驱动, 带动各运动部件完成相应的旋转或直线运动。在高速干式切削滚齿机的刀具主轴中, 通常采用“一齿差”齿轮传动结构替代传统的齿轮传动结构, 能有效地消除传动间隙并增加传动阻尼, 提高传动精度和传动的平稳性, 见图1。另外, 就是机床径向及轴向运动的同步齿形带传动设计。同步齿形带是一种工作面为齿形的环形传动带, 同步齿形带传动具有传动比较准确, 不打滑, 效率高, 初张力小, 对传动轴及轴承的压力小, 速度及功率范围广, 不需要润滑, 耐磨损, 允许采用较小的带轮直径、较短的轴间距、较大的传动比, 可使传动系统的结构紧凑等优点, 因而同步齿形带传动在机床中运用较广。

1.2 床身及排屑系统设计

设计干式切削机床的着重点放在如何快速地将滚烫的切屑排出, 以便快速地散发加工产生的热量, 防止机床的温度升高。主要包括: (1) 床身结构设计。为保证机床的刚性、热平衡及排屑顺畅, 采用高刚性的多层壁结构及便于排屑的大斜面结构, 。床身采用双层壁结构且前后完全对称设计, 既刚性好, 又保证了热平衡;排屑槽设计在机床的加工区域内, 可以快速地将滚烫的切屑排出。 (2) 排屑系统设计。对于高速干式切削滚齿机, 铁屑的快速顺利排除可以避免高温铁屑在机床中存留引起机床各零件产生热变形。因此, 要求设计机床时加工区域内不能有凹面及大平面, 而尽可能设计为大斜面, 同时在这些面上安装一层不锈钢板, 使其表面光滑且具有隔热作用, 利于铁屑尽快落到排屑器中排出机外, 对于有可能积存铁屑的地方, 如夹具的定位面, 则采用常规压力空气将其吹走, 也保证了定位面的清洁。如果采用绝热材料的排屑槽, 干切滚齿机的热量问题则不如原来预想的严重, 甚至可能比有冷却液的机床更简单。

1.3 滚刀主轴及工作台主轴高速旋转的设计

要实现高速干式滚齿, 滚齿机刀具主轴与工作台主轴的高速及高精度同步回转是先决条件。普通滚齿机是通过展成传动链将这两个运动连在一起的, 滚刀主轴采用滑动轴承, 工作台采用蜗轮副分度和滑动轴承支承, 这就使得这两个运动的转速都不高, 要实现高速干式滚齿, 滚刀的线速度通常需要达到200r/min以上, 高速干式切削为避免崩刃, 床的各运动应具有消除间隙的装置, 而单蜗杆单蜗轮工作台分度副是不具备的。为此, 需要有新的刀架和工作台结构出现。图2为高速、高精度刀具主轴结构图。新型高速、高精度滚刀主运动的传动是由主电机通过两级高精度齿轮副减速, 将运动传给刀具主轴。在传动过程中为消除反向间隙采用了一齿差结构。同时, 为保证主轴的径向及轴向窜动精度采用了具有预加负荷的高精度滚动轴承, 为避免在高速条件下主轴的发热采用了压力空气加润滑油对主轴进行快速循环润滑, 这样确保滚刀主轴具有高速、高精度、高刚性的性能。

1.4 滚刀安装设计

强力切削要求机床安装滚刀的部位也必须具有相应的刚性。中空锥度柄的设计可满足刚性和精度要求。使用带孔滚刀时, 通过纵向或端面的几个键槽, 可以将主轴的力矩安全地传递到滚刀。此外, 还有针对带柄滚刀而设计的内置夹套式接口, 但是必须保证切削力不能大于夹套的承载力。另一种接口也是为带孔滚刀而设计的, 主轴端部另加一个端面驱动器, 通过一个与之平行的轴将主轴的力矩传递到刀具。机床上同时有一个特殊的夹紧心轴将这个平行轴夹紧。另外, 滚刀托座的设计也很重要, 轴承的设计条件包括两点, 既保证有极强的径向刚度, 又对滚刀或滚刀心轴不能有过大的轴向推力。这种轴向推力在加工温度较高时还会加大。主轴采用一个角接触推力球轴承来保证足够的径向刚度。要确保轴承对滚刀具有足够的承载力, 同时又能快速换刀, 必须注意托座与滚刀心轴接触部位的形状。接触部位必须无间隙、刚性好、可以把滚刀的旋转运动传递到轴承, 而形成的轴向推力又较小, 同时能保持滚刀的径向旋转。锥度托座的设计可以成功地解决这个问题。

2 结语

随着环境保护意识的日益提高和人们越来越重视各种各样的节能技术, 高速干式切削滚齿机将成为齿轮制造商新购加工设备的目标, 而面向绿色制造的高速干式切削滚齿机将是绿色滚齿机发展的趋势。

参考文献

[1]陈碧楠, 杨涛.双螺杆压缩机转子型线构形及计算机辅助设计[J].重庆工学院学报:自然科学, 2008 (9) .

钛合金的超高速切削加工技术研究 篇10

钛合金化学亲和力大，导热性差且强度高，使切削温度大幅提高、刀具磨损加剧，用传统的加工方法难以加工。长期以来，改善钛合金切削加工性的途径一直在探索中，合理选择刀具材料及刀具几何参数、合理制定切削用量、采用适当的切削液等均可在不同程度上提高难加工材料的切削加工性。迄今已经有了一些方法，常用的有专门热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等。但这些方法普遍存在着效率低、成本高且加工质量难保证等弊端。而超高速切削加工可大幅提高钛合金加工的生产效率及加工质量。

1. 超速切削的特点及刀具材料

（1）高速切削技术

高速切削是一个相对概念，如何定义，目前尚无共识。通常把切削速度比常规高出5—10倍的切削加工叫做高速切削或超高速切削。按不同加工工艺规定的高速切削范围，车削700—7000m/min，铣削300—6000m/min，钻削200—1100m min，磨削150—360m/s，这种划分比常规切速几乎提高了一个数量级，而且有继续提高的趋势。

高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。

该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小。其有以下几个优点。

加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3—5倍。

刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低30%—90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。

刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。

材料切除率高，工件表面质量好。首先，ap与ae小，工件粗糙度好。其次，切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量，工件表面鳞刺的高度会显著降低，甚至完全消失。超高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5—10倍。这样，单位时间内材料的切除率可提高3—5倍。

高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。

可完成高硬度材料和硬度高达HRC40—62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(TiAlN)的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工(EDM)的3—6倍，而且表面质量很高(Ra0.4)，基本上不用钳工抛光。

(2）超高速切削的刀具材料

由于超高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此超高速切削对刀具材料提出了更高的要求。刀具材料应具备高的耐热性、抗热冲击性，良好的高温力学性能，以及较高的可靠性。目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有涂层硬质合金、TiC (N)基硬质合金、陶瓷刀具、聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等。

2. 超高速切削钛合金

超高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下，改善其加工性能，从而得到高的加工质量。超高速切削钛合金的速度一般控制在150—1000m/min范围。

超高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外，还有刀具主轴单元及进给单元制造技术、机床支承及辅助单元制造技术、加工测试技术等诸多因素。

根据钛合金自身对刀具材料的要求，以及超高速切削对刀具材料提出的特殊要求，研究发现适宜于超高速切削的几种常用的刀具材料与钛合金的匹配性存在很大差异。

PCD刀具的性能很适宜于加工钛合金，原因有： (1) 很好的导热性。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5—9倍。 (2) 较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小得多，约为高速钢的1/10。 (3) 极高的硬度和耐磨性，金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10—100倍，甚至高达几百倍。

3. 结语

采用超高速切削难钛合金这一加工材料，解决了常规切削钛合金的难题，既保证了加工质量，又大幅度提高了生产率，具有良好的发展前景。超高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟，如何进一步完善超高速切削钛合金的加工技术，是有待进一步研究的课题。

参考文献

[1]左敦稳, 黎向锋, 赵剑峰.现代加工技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2005.3.

[2]荣烈润.高速切削技术的发展现状.机电一体化, 2002.8, (1) :6-9.