切削加工技术

切削加工技术（精选十篇）

切削加工技术 篇1

在切削加工中, 通常出现的刀具磨损包括如下两种形态:a.由于机械作用而出现的磨损, 如崩刃或磨粒磨损等;b.由于热及化学作用而出现的磨损, 如粘结、扩散、腐蚀等磨损, 以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。

切削难加工材料时, 在很短时间内即出现上述刀具磨损, 这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如, 多数难加工材料均具有热传导率较低的特点, 切削时产生的热量很难扩散, 致使刀具刃尖温度很高, 切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降, WC (碳化钨) 等粒子易于分离出去, 从而加速了刀具磨损。另外, 难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应, 出现成分析出、脱落, 或生成其他化合物, 这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。

在切削高硬度、高韧性被加工材料时, 切削刃的温度很高, 也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时, 与切削一般钢材相比, 切削力更大, 刀具刚性不足将会引起崩刃等现象, 使刀具寿命不稳定, 而且会缩短刀具寿命, 尤其是加工生成短切屑的工件材料时, 会在切削刃附近产生月牙洼磨损, 往往在短时间内即出现刀具破损。

在切削超耐热合金时, 由于材料的高温硬度很高, 切削时的应力大量集中在刃尖处, 这将导致切削刃产生塑性变形;同时, 由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。

由于这些特点, 所以要求用户在切削难加工材料时, 必须慎重选择刀具品种和切削条件, 以获得理想的加工效果。

2 难加工材料在切削加工中应注意的问题。

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削 (钻头、立铣刀的端面切削等) , 这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削, 刃尖承受的切削力无明显变化, 切削热连续作用于切削刃上;铣削则是一种间断切削, 切削力是断续作用于刃尖, 切削时将发生振动, 刃尖所受的热影响, 是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行, 总的受热量比车削时少。

铣削时的切削热是一种断续加热现象, 刀齿在非切削时即被冷却, 这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验, 铣削所用刀具为球头立铣刀, 车削为一般车刀, 两者在相同的被加工材料和切削条件 (由于切削方式不同, 切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致) 及同一环境条件下进行切削对比试验, 结果表明, 铣削加工对延长刀具寿命更为有利。

利用带有中心刃 (即切削速度=0m/min的部位) 的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时, 经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况, 但仍比车削加工时强。

在切削难加工材料时, 切削刃受热影响较大, 常常会降低刀具寿命, 切削方式如为铣削, 则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工, 中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候, 因此, 应针对不同切削方式, 采取相应的技术措施, 提高加工效率。

3 切削难加工材料用的刀具材料。

CBN的高温硬度是现有刀具材料中最高的, 最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体, 选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理, 这种材料具有优异的耐磨性, 也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。

难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高, 热传导率低, 可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工, CBN成分含量越高, 刀具寿命也越长, 切削用量也可相应提高。据报道, 目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。

金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利, 热传导率高, 刃尖滞留的热量较少, 可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时, 选用单晶金刚石刀具切削比较稳定, 可延长刀具寿命。

涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工, 但涂层的性能 (单一涂层和复合涂层) 差异很大, 因此, 应根据不同的加工对象, 选用适宜的涂层刀具材料。据报道, 最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC (Diamond Like Carbon) 涂层硬质合金, 使涂层刀具的应用范围进一步扩大, 并已可用于高速切削加工领域。

4 切削难加工材料的刀具形状。

在切削难加工材料时, 刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理, 对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响, 因此, 在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是, 随着高速铣削技术的推广应用, 近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷, 采用逆铣并提高进给速度, 因此, 对切削刃形状的设计思路也有所改变。

对难加工材料进行钻削加工时, 增大钻尖角, 进行十字形修磨, 是降低扭矩和切削热的有效途径, 它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内, 这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时, 切削热极易滞留在切削刃附近, 而且排屑也很困难, 在切削难加工材料时, 这些问题更为突出, 必须给以足够的关注。

为了便于排屑, 通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口, 可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等, 使排屑变得更为顺畅, 这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来, 已开发出一些润滑性能良好的涂层物质, 这些物质涂镀在钻头表面后, 用其加工3~5D的浅孔时, 可采用干式钻削方式。

孔的精加工历来采用镗削方式, 不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式, 这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此, 这种间断切削用的镗削刀具设计出来后, 立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面, 目前也采用螺旋切削插补方式, 切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。

如上所述, 这种由原来连续切削向间断切削的转换, 是随着对CNC切削理解的加深而进行的, 这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时, 可保持切削的平稳性, 且有利于延长工具寿命。

5 难加工材料的切削条件。

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低, 随着刀具性能的提高, 高速高精度CNC机床的出现, 以及高速铣削方式的引进等, 目前, 难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。

现在, 采用小切深以减轻刀具切削刃负荷, 从而可提高切削速度和进给速度的加工方式, 已成为切削难加工材料的最佳方式。当然, 选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要, 而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如, 钻削不锈钢等材料时, 由于材料热传导率很低, 因此, 必须防止切削热大量滞留在切削刃上, 为此应尽可能采用间断切削, 以避免切削刃和切削面摩擦生热, 这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时, 工具形状和夹具应很好配合, 这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性, 以便在高速回转条件下, 保证将每齿进给量提高到最大限度, 同时也可延长工具寿命。

结束语。如前所述, 难加工材料的最佳切削方法是不断发展的, 新的难加工材料不断出现, 对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近, 新型加工中心、切削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速, 而且在切削加工之外, CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展, 难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展。

当然, 有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解, 还不能尽如人意, 正因为如此, 而对难加工材料的不断涌现, 人们总是感到加工技术有些力不从心。

今后, 难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式, 因此, 数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完善, 都极为重要。难加工材料切削加工中, 适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据, 均应作为基础数据加以积累, 使零件生产方式沿着以IT化为基础的方向发展, 这样, 难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

责任编辑:温雪梅

摘要：简要论述切削加工中的难加工材料的切削技术。

难加工材料的切削加工技术 篇2

潘 飞

（常州铁道高等职业技术学校机械工程系

江苏

常州

213011）

摘 要：随着社会的不断发展，对材料的要求也越高，对切削加工也提出了更高的要求。本文针对这一问题，着重讲述切削难加工材料应考虑的几个方面。

关键词：难加工材料；切削加工

近年来，机械产品多功能、高功能化的发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足这些要求，则所用材料必须具有高硬度、高韧性和高耐磨性，而具有这些特性的材料其加工难度也特别大，因此又出现了新的难加工材料。难加工材料就是这样随着时代的发展及专业领域的不同而出现，其特有的加工技术也随着时代及各专业领域的研究开发而不断向前发展。另一方面，随着信息化社会的到来，难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工的数据等信息将会更加充实，加工效率也必然会进一步提高。难加工材料的界定及具体品种，随时代及专业领域而各有不同。

一、切削领域中的难加工材料

在切削加工中，通常出现的刀具磨损包括如下两种形态：(1)由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；(2)由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。切削难加工材料时，在很短时间内即出现上述刀具磨损，这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率较低的特点，切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，WC(碳化钨)等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另外，难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。在切削高硬度、高韧性被加工材料时，切削刃的温度很高，也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材相比，切削力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定，而且会缩短刀具寿命，尤其是加工生成短切屑的工件材料时，会在切削刃附近产生月牙洼磨损，往往在短时间内即出现刀具破损。在切削超耐热合金时，由于材料的高温硬度很高，切削时的应力大量集中在刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。由于这些特点，所以要求用户在切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品种和切削条件，以获得理想的加工效果。

二、难加工材料在切削加工中应注意的问题

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削(钻头、立铣刀的端面切削等)，这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削，刃尖承受的切削力无明显变化，切削热连续作用于切削刃上；铣削则是一种间断切削，切削力是断续作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受的热影响，是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行，总的受热量比车削时少。铣削时的切削热是一种断续加热现象，刀齿在非切削时即被冷却，这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验，铣削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者在相同的被加工材料和切削条件(由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致)及同一环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长刀具寿命更为有利。利用带有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时，经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况，但仍比车削加工时强。在切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工，中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候，因此，应针对不同切削方式，采取相应的技术措施，提高加工效率。

三、切削难加工材料用的刀具材料

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)的高温硬度是现有刀具材料中最高的，最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优异的耐磨性，也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报道，目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利，热传导率高，刃尖滞留的热量较少，可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳定，可延长刀具寿命。涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工，但涂层的性能(单一涂层和复合涂层)差异很大，因此，应根据不同的加工对象，选用适宜的涂层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂层硬质合金，使涂层刀具的应用范围进一步扩大，并已可用于高速切削加工领域。

四、切削难加工材料的刀具形状

在切削难加工材料时，刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响，因此，在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削技术的推广应用，近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状的设计思路也有所改变。对难加工材料进行钻削加工时，增大钻尖角，进行十字形修磨，是降低扭矩和切削热的有效途径，它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内，这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时，切削热极易滞留在切削刃附近，而且排屑也很困难，在切削难加工材料时，这些问题更为突出，必须给以足够的关注。

为了便于排屑，通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来，已开发出一些润滑性能良好的涂层物质，这些物质涂镀在钻头表面后，用其加工3～5D的浅孔时，可采用干式钻削方式。孔的精加工历来采用镗削方式，不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式，这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此，这种间断切削用的镗削刀具设计出来后，立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面，目前也采用螺旋切削插补方式，切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。如上所述，这种由原来连续切削向间断切削的转换，是随着对CNC切削理解的加深而进行的，这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时，可保持切削的平稳性，且有利于延长工具寿命。

五、难加工材料的切削条件

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速高精度CNC机床的出现，以及高速铣削方式的引进等，目前，难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式。当然，选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切削热大量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切削面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时，工具形状和夹具应很好配合，这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性，以便在高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也可延长工具寿命。

对金属切削加工技术的探析 篇3

关键词：金属切削 切削加工 技术

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2016）07（b）-0000-00

切削加工以其能耗小、效益高的优势被广泛应用在机械加工之中，并成为机械加工过程中的一个重要环节。也正因如此，做好对切削加工技术的分析与研究，始终是机械加工技术人员所面临的重要课题。以下笔者即结合个人实践工作经验与相关参考文献，从几个方面入手可对金属切削技术的发展趋势进行了粗浅的分析，也希望通过本文笔者的粗浅阐述，能够为广大同行在今后的工作中提供有益的参考与借鉴。

1对金属切削的分析

金属切削加工就是利用刀具，将工件上多余的材料进行切除，进而使加工件获得想要的形状、尺寸与精度，并且使加工件的表面质量达到相应的加工要求。而要想实现这一加工过程，则必须要具备以下三个条件：第一，加工件与刀具之间必须要具备一定的相对运动，也就是说进行切削运动；第二，刀具与材料必须要具备一定的切削性能；第三，刀具必须要具备一定的几何参数，也就是具备一定的切削角度。一般来讲，在整个金属的切削加工过程中，普遍都是通过机床或者是手持工具开展的，而主要的加工方法则具体包括了：车、铣、刨、磨、钻、镗、齿等加工方法，这些加工形式虽然是多种多样的，但是无论是哪一种加工形式，在加工的过程中都会出现一个共同的现象与规律，而这些共同的现象与规律恰恰就是金属切削工作人员以及研究工作者从事切削加工方法学习与研究的共同基础所在。

在对金属切削加工技术的分类中，我们可以按照工艺特征、表面形成方法，这两点进行分类。其中，按照工艺特征可分为：车削、铣削、钻削、拉销、镗削等；按照表面形成方法则可以分为：滚切法、成形法、刀尖轨迹法。

2.金属切削加工自动化技术的发展

近些年来，随着我国科学技术的快速发展，微电子与信息技术在机械加工技术中的应用，不仅有效提高了制造业管理水平，还有效降低了机械制造过程中的大量辅助工时，推动了机械自动化的发展，并且给传统的金属切削理论与技术带来了全新的发展方向，其中较为重要的发展领域与技术成果如下：

第一，切削数据库与工艺数据库。近些年来，在微机辅助数据库技术的大力推广与实际应用中，不仅有效克服了过去纯手工查阅手册作业，依靠人工经验解决切削技术问题的困境，还进一步提高了工作人员获得信息的速度，加大了信息量的掌握，弥补了信息准确性不足的问题，为CAPP系统、CAM系统、CIMS系统的发展奠定了坚实的基础；

第二，切削技术专家系统。切削技术专家系统的根本所在，是人工智能技术在金属切削领域中的应用，而恰恰也是专家系统的出现成为了金属切削过程中可能出现的各类问题、诊断、决策的重要解决工具；

第三，切削用量和工艺过程优化。传统理论上的优化主要是对单刀，单工序，单目标，单参数的优化。而在现代化的机械加工之中对其优化则以多刀、多工序、多目标为主，因此，这也是正是优化理论与技术不断进步的重要体现；

第四，切削过程检测与监控。在无人管理的制造系统中，必须建立完善的切削过程检测与监控系统，对其制造过程中的各种状态和各种故障进行有效的监管，降低制造过程中的废品出现率，降低加工成本。

3.精密高效切削技术的发展

在20世纪50年代初期，国外发达国家就已经开始了对超精密切削技术以及机床的研发工作，因此，直至今日，我们在金属切削过程中所使用的金刚石刀具以及专业机床的切削厚度俨然已经达到了1μm。而中小型超精密机床，其主轴回转的实际精确度可以达到0.05μm，形状精度可以达到0.3μm到0.5μm，加工表面的实际粗糙程度则可以控制在0.01μm以下。

在尖端工业技术及现代化武器的制造过程中必须用到精密加工技术，甚至成为该领域的关键技术。所以，在当前许多高新技术的产品设计之中，往往对加工技术提出了微米级、亚微米级、纳米级的精度要求。而近些年来，我国也加强了对精密高效切削技术的研究与开发，一些单位对超精密加工机床和切削技术的研究也取得了十分有益的成效。

而采用超高速切削的突出特点如下：第一，超高速切削不仅具备着较高的切削效率且整体的能耗较低；第二，因单位切削力的逐步下降，使得切削过程中的热被切削走，进而降低切削的热度，使切削过程中的激振频率原理工艺熊的共振，进而提高了切削加工质量与进度；第三，延长了刀具的使用寿命；第四，超高速切削可以完成对精密薄壁件的一次成型加工，进而扩大了切削技术的加工范围。

4.刀具技术的发展

在切削加工过程中刀具作为其实施主体，与切削技术的发展有着至关重要的联系。也正因如此，近些年来在进一步加强切削加工技术发展的同时，在刀具技术方面，也纷纷涌入了许多极具发展潜力的全新的刀具生产材料。

第一，具有极高性能的高速钢，这种高速钢具有极强的耐用性，在一定的切削条件下，其切削速递是高速钢的1.5倍到3倍之间；

第二，全新的硬质合金金属，这种硬质合金金属比传统的合金金属应用范围更为广泛，可用在端铣刀、立铣刀、铰刀、钻头等螺纹齿轮刀具之上；

第三，涂层刀具在柔性自动化加工中具备着十分卓越的优越性，是近些年来在工业研究过程中十分活跃的一个研究领域；

第四，具有十分高硬度的刀具材料，这种刀具材料由于硬度极高，因此可以用于对硬质合金和陶瓷的切削。

可以说伴随着金属切削领域的不断发展，刀具技术也在随之不断的完善与发展，而刀具材料更是为了迎合刀具技术的应用做出了十分巨大的革新与完善，这就给刀具结构的变化带来了十分巨大的进展，尤其是刀具结构上的柔性化更是极大的拓展了柔性自动化加工设备的应用，为提供机械加工效率起到了十分重要的作用。

5.金属切削技术的发展趋势

金属切削技术与理论作为机械制造业的基础技术、基础理论，其对整个世界制造技术的发展而言都有着至关重要的影响，也正因如此，不断的促进切削技术的进步，完善刀具加工则尤为重要。这是因为，工业产品的生产制造环节与工业产品的生产效率、生产质量成正比关系，而要想提高这个相对比例就必须压缩机械制造环节所用时间，而这恰恰离不开切削理论、切削技术的进步。同时，我们也知道没有合适的刀具势必就无法加工出精度与表面质量符合技术要求的零件，所以，进一步完善刀具，也正是加强对切削技术本身的投入。而在未来金属切削技术的发展中，我们也要从这两个方面入手，不断的进行研究与完善。

6结束语

我们都知道，在国民生产总值中相当多的产业与机械制造技术密切相关，而在绝大多数情况下，切削加工又完成了90%以上的机械加工，因此，在整个机械制造技术中切削加工技术占据着十分重要的地位，具有着十分重要的意义。所以，做好切削加工技术的分析与研究，不断的提高切削加工技术则尤为重要。笔者也旨在通过对本文的粗浅阐述，能够让更多的人们清楚的认识金属切削加工技术，了解金属切削加工技术的发展，从而为今后的工作做有益的铺垫。也只有如此，不断的加强对切削理论、切削技术的研究与分析，才能够真正的有效振兴我国的机械制造业。

参考文献

[1]孙文元，杨小文.数控金属切削工艺分析[J].科技风.2011（23）

[2]范学辉.高速切削加工工艺研究[J].中国新技术新产品.2011（09）

[3]李雷.试论金属切削技术的发展及其发展趋势[J].甘肃科技.2009（09）

[4]杨祖孝.高速切削加工工具技术研究[J].现代制造工程.2002（12）

高速切削加工模具的关键技术研究 篇4

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.

数控切削加工领域的数字化测量技术 篇5

数控切削加工领域的数字化测量技术

作者：彭林波 何蔚 邓文科

来源：《科技创新导报》2011年第17期

摘 要:在数控切削加工中,数控切削加工技术是一项要求非常严格的工作,合格的数控切削技术操作不但能确保工件的加工质量,还能实现高速、高效而精密的数控切削。本文从分析数控切削加工中数字化测量技术的基本概况入手,进而探讨当代数字化的测量技术和量具量仪的发展,具体研究了数字测量技术在数控切削加工领域的运用。

关键词:数控技术数字化测量原理精磨测量技术

中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0117-01

在机械制造与机械加工行业中,要实现高效率、高精度、功能齐全、过程稳定的数控切削加工,我们就一定要注重数字化测量操作。当然,数字化测量操作是一个复杂的过程,牵涉到很多具体的实际操作问题。数字化测量处理出现问题,不但会对数控切削加工中零件的精度产生影响,还会使加工过程面临刀具和数控机床发生碰撞的潜在危险。为此,本文将重点探讨数字化测量的基本原理,并简单介绍几种常见的数字化测量精准技巧。数控切削加工中数字化测量的基本原理

我们在数控切削加工机床上进行先进的切削加工,就一定要用到先进的数控切削刀具,我们首先要通过数字化测量来具体确定工件的坐标系中刀具刀位点的起始位置,也就是我们通常所说的数字化测量点或者起刀点;再通过定位装夹来确定机床坐标系中工件的具体位置。这类高速且高效、精密又复杂、兼具稳定可靠和绿色环保的先进数控切削加工技术就离不开精准的数字化测量技术与仪器,数字化的测量技术在数控切削刀具从设计制造再到使用的整个刀具产品的生命周期过程中都起着非常重要的作用。

数控加工工艺要考虑加工零件的工艺性,加工零件的定位基准和装夹方式,也要选择刀具,制定工艺路线、切削方法及工艺参数等,而这些在常规工艺中均可以简化处理。因此,数控加工工艺比普通加工工艺要复杂得多,影响因素也多,因而有必要对数控编程的全过程进行综合分析、合理安排,然后整体完善。相同的数控加工任务,可以有多个数控工艺方案,既可以选择以加工部位作为主线安排工艺,也可以选择以加工刀具作为主线来安排工艺。数控加工工艺的多样化是数控加工工艺的一个特色,是与传统加工工艺的显著区别。

由于数控加工的自动化程度较高,相对而言,数控加工的自适应能力就较差。而且数控加工的影响因素较多,比较复杂,需要对数控加工的全过程深思熟虑,数控工艺设计必须具有很好的条理性,也就是说,数控加工工艺的设计过程必须周密、严谨,没有错误。

凡经过调试、校验和试切削过程验证的,并在数控加工实践中证明是好的数控加工工艺,都可以作为模板,供后续加工相类似零件调用,这样不仅节约时间,而且可以保证质量。作为模板本身在调用中也是一个不断修改完善的过程,可以达到逐步标准化、系列化的效果。

由于数控加工的自动化程度高,安全和质量是至关重要的。数控加工工艺必须经过验证后才能用于指导生产。在普通机械加工中,工艺员编写的工艺文件可以直接下到生产线用于指导生产,一般不需要上述的复杂过程。数控切削加工中数字化测量技术简介

随着科学技术和模具制造工艺的进一步发展,企业在数控切削加工中运用越来越多的数字化测量仪器来实现数控机床数字化测量操作的高效率和高精度,对于一些需要通过复杂数字化测量的工件也有了更多的精准技巧创新。

2.1 数控刀具与刀片数字化检测技术

我们在实际的数控操作中主要运用到的是采用了测量的精密成形和复杂组合式的数控刀具与刀片几何精度方面的非接触式激光或者光学数字化检测技术、仪器等。目前由于精磨测量技术的迅速发展,在线测量技术已可进行加工状态的实时显示,及时检测是否出现异常现状。专用刀具的检测,需要用到滚刀检测仪、齿轮测量中心、专业的精密数控拉刀测量仪、弧锥齿轮刀盘检测仪等专用测量技术与仪器对其进行检测。测量仪器是深受机床工业影响的行业。目前,组合式数控机床一般采用的技术有:激光技术(传感技术)、CAD/CAM耦合、激光集成、仪器仪表精密制造。这种机床的优点明显:在线检测技术保证了加工过程(工具交换、传送和放置时间)得到缩短,费用(物流、设备使用负荷)均得到降低,而产品质量(整个流程自动进行)得到提高。

2.2 数控工具系统方面的检测技术

一般而言,为了确保数字化测量的精度,我们会将数字化测量点尽量设置在工件零件的设计基准或者工艺基准之上。而现代数控工具系统方面的数字化检测技术发展一般都具有很强的双面约束性、两面夹紧定位功能,并准备发展成为其主导结构和功能,它可以为数控刀具的轴系提供综合的刚度与精度,在几何精度方面的检测也要比传统测量系统更加复杂精密。

2.3 数控刀具在机检测

在数控刀具进行精度的安装与切削加工过程中,我们可以选择一定的数字化测量点对数控刀具进行在机的检测,实时监控其在使用时和使用后的磨损与破坏状况。数控切削加工需要对批量产品在技术质量的稳定性和大型的难加工材料工件在加工质量方面进行确保,就需要运用到在机检测这种重要的技术方法。我们的工厂也迫切地需求这种可以进行可靠的数控刀具的在机精度的检测与补偿调整,并对磨损破损进行实时的监控与维护。数控切削加工中数字化测量技术主要发展方向

随着生产水平的提高,高效率测量成为测量技术的主要指标,为了实现生产的高速化、高效率,必然要提高测量效率,近年,随着在线测量技术、非接触式测量技术的发展,笔者认为,数字化测量技术未来的其主要发展方向如下:

(1)测量精度的进一步发展。将会由传统检测仪器三维测量仪、投影仪等的μm级检测向现代光电检测设备的nm级发展;

(2)测量水平的发展。其主要表现在测量的范围上,将会把测量范围进一步增大,由点到面,由单一方向的测量向整体形状测量方向发展;

(3)测量可靠性发展。这得益于标准化的日益完善,精密仪器的进一步开发。结语

由于数控机床具体的操作中会使用到种类多样、尺寸不一的测量工具,数字化的测量技术操作在数控切削加工时起着非常重要的作用。因此,我们一定要掌握现代测量技术操作的原理与要领,明确数字化测量操作中的具体环节,再根据具体的实际情况,选择合适的数字测量方法、确定正确的程序指令、设置科学合理的测量参数与测量补偿值,以期通过精确的数字化测量来实现数控切削加工程序编制的简化,保证工件的加工质量,提高零件的加工效率。

参考文献

[1] 吴丽,董大晖,李连成．现代模具制造技术大全[M]．北京:工业出版社,2006:146～250．

浅谈机械加工中切削加工及切削颤振 篇6

【关键词】 机械加工；切削加工；切削颤振

金属切削加工是机械加工业中基本、可靠的机械加工手段，在机械、电机、电子等各种现代产业部门中都起着重要的作用。工具的设计、制造和使用自古以来就很受重视,这里我们所说的工具,不仅仅指进行机械加工的机床,我们更关心的是直接进行切削加工的刀具。刀具是推动金属切削加工技术发展的一个极为活跃而又十分关键的因素,可以说切削加工技术发展、革新的历史就是刀具发展的历史。

一、切削加工的重要作用与刀具

机械制造的核心是零件的制作。制造机械零件的方法大致可分为成形制造和加工制造,成形制造包括铸造、锻造、焊接等工艺,一般用于毛坯的制造。近年来开发的精确成形或稱净成形工艺,如精铸、精锻等也可用于半成品和成品的制造。快速原型制造用于模型的制造,与其它技术相结合,也可用于制造金属零件。加工制造包括切削、磨削等常规工艺,也包括激光束加工、电子束加工、电化学加工等特种工艺。在所有这些方法中,切削加工至今仍然是并且在可以预见的将来仍将是零件制作的最基本的工艺技术之一。

刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏。直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料,从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用,即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾,而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。从近年来工具行业的发展看,切削刀具在生产活动中的作用正越来越受到企业的重视。随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展,高速切削和超高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向,这就要求刀具的可靠性高,切削性能好,能稳定地断屑和卷屑,精度高,并能快换或自动更换等。因此,对刀具材料、刀具结构以及刀具的装夹都提出了更高的要求。

二、切削颤振产生与危害

在生产实践中,一般来说机床的振动是不希望产生的。这是因为振动所产生的噪声能刺激操作工人引起疲劳,降低工作效率.并且它又能使机床零件过早出现疲劳破坏,从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降,机床的振动还会导致被加工工件的精度降低,刀具寿命和生产率下降。在机床上面发生的自激振动类型较多,例如回转主轴(或与工件联系、或与刀具联系)系统的扭转或者弯曲自激振动;机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动;切屑形成的周期性引起的颤振和整台机床的摇晃。此外还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动(通称爬行)等等。通常把金属切削过程中表现在刀具与工件间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。切削过程中形成不连续切削的周期与工件、刀架或者机床的传动机构中的任一部分振动的固有周期相同,是产生颤振的主要原因之一。

切削颤振由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起,并能维持其振动不衰减。机械加工中的颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键技术问题之一。切削颤振叠加在剥离多余金属必需的工作运动如切削、进给及切入运动上,并影响刀具乃至机床的使用寿命。为减小颤振所带来的不良影响,加工中被迫临时改变切削用量,如降低切削深度等。而这却妨碍充分利用机床额定功率,导致加工工时,即制造成本上升,延误工期。颤振问题在投资庞大的现代化数控机床上尤为值得关注,因为这类机床的经济性建立在其时间和功效方面的高度利用上。长期以来,机械制造业中的噪声污染相当突出,大大超过国家环保标准。刺耳的噪声是工件—刀具系统强烈切削颤振的结果,它降低了产品的表面质量,降低了生产效率和刀具、设备寿命,增加了材料和能源消耗。同时会诱发长期在这种环境下工作的人们的心血管等系统疾病,严重危害人们的身心健康。

三、切削颤振理论与减小切削颤振的措施

1、再生颤振理论

目前,对切削颤振形成的物理原因,主要依据三种理论进行解释:再生颤振是由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差异导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。

2、振型耦合理论

在某些完全不存在再生颤振条件的切削状态下,如在切削螺纹时,后一转的切削表面与前一转的切削表面完全没有重叠,但也经常发生颤振。由于这时刀尖与工作面的相对轨迹是一个近似椭圆,颤振同时产生在两个方向。人们由此得出结论:当振动系统在两个方向上的刚度相接近时,两个固有振型相耦合,因而引起颤振,进而提出在设计机床时应考虑如何配备机床各部件在不同方向的刚度。

研究切削颤振现象及其控制理论的意义在于:可使人们更加深入地认识切削颤振的物理本质,从而发展控制理论及相关技术,促进机械工程的发展。其实践意义则在于:采用切削颤振的控制技术及手段,可大大减轻甚至消除切削颤振及其所带来的各种不良影响,极大地改善人们的工作环境,提高工作效率,减少切削能源的消耗,提高刀具和设备的使用寿命,并将产生直接或间接的经济效益和社会效益。

众所周知,将主轴转速、进给量、切削宽度以及刀具角度等切削参数适当调整,即可抑制颤振的发生。其中最为突出的是改变主轴转速的变速切削,对颤振的抑制效果显著。因为机床整体结构的复杂性,控制颤振的理想手段应该 可以从其局部部件着手,包括对机床床身、立柱等基础部件的改进,以提高机床的抗震性能;也可以对机床的刀具结构进行必要的改进。新型切断刀的设计思想是建立在增大阻尼的基础之上,利用颤振理论结合刀具结构设计,解决切削加工中的颤振问题。

参考文献

[1]于友林.控制及降低机械切削加工温度的主要方法.职业，2005-10-15.

[2]詹莲凤.绿色切削加工评价体系的研究.机械制造与自动化， 2007-06-20.

（作者单位：1.沈阳机床股份有限公司中捷立家事业部

2.沈阳机床设计研究院有限公司）

不锈钢转轮叶片断续切削加工技术 篇7

不锈钢转轮是由四块叶型面已精加工的螺旋叶片等分焊于转轮体外圆, 由于叶片材料为ZG06Cr3Ni Mo, 其切削加工的韧性大, 强度高, 切削力大及导热性差, 因此切削时热量难以扩散, 致使刀具易于发热及磨损, 同时不锈钢材料易“粘结”到刀具上而形成“刀瘤”, 给车削带来困难, 影响零件表面粗糙度, 且加工时为断续切削, 不均衡的切削过程使刀具的振动增强, 从而引起转轮外圆表面产生抖纹[1]。

转轮加工在C6150 卧式车床上进行, 装夹时, 由于转轮叶片端外圆直径较大, 需增加工艺顶尖套, 确保加工时的稳定性。

2 刀具的选择

2.1 刀具材料

由于叶片外圆加工时冲击性比较大, 切削加工时刀具表面温度高, 因而选用耐冲击性能较高的YW2硬质合金车刀, YW2刀具材料属于钨钴钛类合金, 此合金的抗弯强度≥150kg/mm2, 硬度≥91HRA, 耐磨性较YW1稍差, 但使用强度高, 能承受较大的冲击负荷, YW2牌号的硬质合金车刀特别适用于不锈钢材料的粗车及精车等断续切削, 其切削速度可提高10%~20%。

2.2 刀具几何角度

刀具的几何角度对于不锈钢切削加工的生产效率、刀具的耐用度、被加工表面的粗糙度、切削力以及加工硬化等方面都有很大影响。

1) 前角γ :当前角过小时, 切削力增大, 振动增强, 使零件表面出现波纹, 切削不易变形, 使排屑困难, 高温下易形成“刀瘤”;当前角过大时, 刀具强度降低, 使刀具磨损加快且容易打刀, 因此粗车时, 前角γ =10°~12°, 精车时, 前角γ =12°~15°。

2) 后角α :因为不锈钢的弹性和塑性都比普通碳钢大, 所以当刀具后角过小, 会使其切削表面与车刀后角接触面积增大, 摩擦产生的高温区集中在车刀后角, 造成车刀磨损加快, 被加工表面的粗糙度降低。但后角过大又会降低刀刃强度, 影响车刀耐用度。因此后角取:α =8°~10°较适宜[2]。

3) 主偏角φ :当主偏角小时, 刀刃工作长度增加, 散热性好, 刀具耐用度相对提高, 但在切削过程中容易产生振动。因此粗车时, 主偏角φ =75°, 精车时, 主偏角φ =90°。

4) 刃倾角λ :刃倾角影响切屑形成和排屑方向。在车削冲击不锈钢转轮叶片外圆时, 刃倾角λ =5°~8°。

5) 排屑槽圆弧半径R:由于车削不锈钢时不易断屑, 若排屑不好, 切屑飞溅容易伤人, 若切屑缠在工件上, 则容易损坏车刀和已加工表面的光滑程度, 因此需在车刀前刃面上磨出圆弧形排屑槽, 使切屑卷曲后沿一定方向排屑, 其排屑槽的圆弧半径及槽的宽度随着被加工直径的增大面增大, 在车削不锈钢转轮叶片外圆时, 取排屑槽圆弧半径R=5mm, 槽宽取5mm, 排屑效果较好。

6) 负倒棱f:车削不锈钢的车刀应刃磨出负倒棱, 以提高刀具强度;同时由负倒棱将车削时所产生的热量分散到车刀的前面和后面, 减轻刀刃部分的磨损, 以提高刀具的耐用度。负倒棱的大小依据加工余量来选定, 由于不锈钢转轮外圆所留余量比较大, 所以负倒棱f应愈大, 粗车时, f=0.3~0.8mm;精车时, f=0.1~0.2mm, 并有-3°~-5°的负前角[3]。

3 切削用量选择

由于不锈钢转轮外圆的车削属断续加工, 加工余量较大, 转轮外圆直径范围0.8~1.2m, 转轮装夹较困难, 切削过程中稳定性较差, 因此切削速度尽量选低些, 粗车时, 切削速度为v=50m/min, 主轴转速为n=15~30rpm, 切削深度取t=2~4mm, 走刀量s=0.3~0.5mm/转;精车时, 切削速度为v=120m/min, 主轴转速为n=30~50rpm, 切削深度取t=0.4~1mm, 走刀量s=0.13~0.3mm/转。

4 转轮装夹

转轮加工在C6150 卧式车床上进行, 由于转轮叶片端外圆直径为φ 1010, 其直径已接近车床的最大旋转直径, 装夹时, 以四爪夹头夹持转轮体的非叶片端外圆, 校正中心, 因转轮工件的重心在叶片端, 为了确保加工时的稳定性, 需在转轮叶片端的内孔装置加长工艺闷头, 再通过机床尾座活动顶尖顶靠工艺闷头, 保证机床大拖板能正常移动, 使转轮工件可靠固定在机床主轴及尾座之间, 从而使直径较大的转轮叶片在卧式车床上也能顺利完成装夹及精加工, 其加工精度及表面粗糙度要好于在立车上加工。

5 结束语

不锈钢转轮叶片因其结构特殊, 螺旋叶片焊在转轮体上后悬臂较长, 转轮装夹比较困难, 在车削加工中难以保证加工质量, 通过多次实践证明, 根据不锈钢断续切削的加工特点分析, 对刀具牌号、刀具各种角度的选取、切削用量的选择都进行了合理配置, 对较大直径的转轮在卧式车床上装夹也作相应的改进, 在普通C6150 车床上加工比较复杂的不锈钢转轮是完全可行的, 加工质量能满足设计要求, 加工效率及制造成本均优于在立车上加工。

参考文献

[1]张祝珲, 梁晗, 朱演.机械零件加工过程中存在的问题及相关对策[J].南方农机, 2015, 46 (10) :50+60.

[2]石海英, 杨鸿.水轮机叶片数控加工工艺技术研究[J].黑龙江电力, 2004, 26 (3) :26-28.

钛合金的超高速切削加工技术研究 篇8

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.

高速切削技术在数控加工中的应用 篇9

高速切削技术是指采用超硬材料的刀具,在保证加工质量和加工精度的前提下,用自动化高速切削设备,高效、高速切除材料的加工技术。高速切削加工相对于小进给、低转速、大扭矩的传统切削加工,具有高进给、高转速、小切削负荷的特点。随着高速、超高速切削机理、大功率高速主轴单元、高加/减速直线进给电动机、高速主轴轴承、超硬耐磨长寿命刀具材料和高性能的控制系统等一系列技术领域中的关键技术初步得到解决,已使得高速、超高速加工从理论研究进入到具体实施的阶段。

1 高速切削技术的特点

1.1 生产效率显著提高

由于主轴转速和进给的高速化,使单位时间内工件材料的切出率提高3~5倍,加工时间减少了50%,加工效率提高,从而缩短了产品的制造周期,提高了产品的市场竞争力。特别适合汽车、飞机、模具等的制造。

1.2 加工变形减小

由于切削力可减少30%以上,工件的加工变形减小,切削热还来不及传给工件,因而工件基本保持冷态,热变形小,有利于加工精度的提高。特别适合于加工细长易热变的工件。

1.3 改善表面粗糙度

在保证生产效率的同时,可采用较小的进给量,从而减小了加工表面的粗糙度值。又由于切削力的降低,转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感,由此降低了表面粗糙度值。高速切削加工获得的表面质量可达磨削水平,因此可省去铣削后的精加工工序。

1.4 提高精度,减少工夹具成本

高速切削可加工淬硬零件(可达HRC60),在一次装夹过程中可完成粗、半精及精加工工序,对复杂型面可直接加工达到零件的表面质量要求,这样,就可省略常规加工的电加工、手工修磨等工序,缩短了工艺路线,加工能耗低,节省制造资源。

2 高速切削的关键技术

高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高,它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

2.1 高速切削机床

高速机床是实现高速加工的前提和基本条件,高速切削要求机床具有高主轴转速、高动态的进给驱动,大的功率,主轴和床身良好的刚性,优良的吸振特性和隔热性能,快速可靠的CNC控制性能,可靠的安全防护等。

2.1.1 高速主轴

高速主轴是高速切削机床的核心部件,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。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。目前高速切削机床的主轴主要是电主轴,其主要特征是采用内装变频电动机的主轴部件,把电机转子与主轴连成一体,无需任何机械连接,改变供电频率,就可改变主轴转速,改变输入电流的相序,可改变主轴的旋向。电主轴采用了电子传感器来控制温度,自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒温。同时使用精密陶瓷轴承、油气润滑、内部循环冷却的密封结构。

2.1.2 高速进给系统

为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的进给系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件。高速进给系统除要求进给速度要高,还必须有很大的进给加/减速度,这是由于大多数高速机床加工零件的工作行程范围只有几十到几百mm,在这样短的行程中要提供极大的加/减速度来保证在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停,以实现平稳切削。

进给速度及进给加/减速度的提高,一种方法是采用中空甚至带有冷却的大导程滚珠丝杠副,从而使进给速度达到40~90m/min,进给加/减速度达到1-2g左右;另一种是采用直线电机技术来替代目前机床中常用的滚珠丝杠技术,将直线电动机所产生的力直接作用于移动部件,使机床的进给传动链的长度缩为零,以减少传动系统的惯性矩,提高系统的运动速度、加速度和精度,避免振动的产生,使进给速度达到150~200m/min,加速度达到2~10g。

2.1.3 高性能的CNC控制系统

为了在高速加工复杂零件时获得高精度,对CNC系统的要求主要是处理速度快、控制精度高。一是采用前馈控制,适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线以减少加减速滞后所产生的误差,提高加工精度;二是采用加/减预插补,使机床具有很高的运算速度及数据存贮与传输的能力。三是采用开放的人机界面、开放的数控内核和控制逻辑,用户和机床生产厂可以二次开发自己的人机界面,设计高可靠性、高效的控制逻辑及补偿控制软件;四是采用多轴联动控制和足够高的分辨率的CNC控制系统。

2.1.4 高稳定性的机床支撑部件

高速切削加工机床在高速切削状态下,一方面,产生的切削力作用在床体上;另一方面,因速度很高,还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床尤其对动态特性有很高的要求。一些机床公司的研发部门在设计过程中,还采用模态分析和有限元结构计算,优化了结构,使机床支撑部件更加稳定可靠。如瑞士米克朗公司开发的5轴联动HSMU系列高速加工机床,采用了新型的人造大理石材料做床身,形成整体的封闭O形结构,使机床具有良好的吸振性和刚性。

2.1.5 高效的机床安全防护技术

高速切削机床普遍采用高强度透明材料制成的观察窗、全封闭式安全门罩等非常完备的安全保障措施,来保证机床操作者及机床现场人员的安全,避免机床、刀具等有关设施受到损伤。同时应用高速加工检测技术,对高速机床与系统状态进行实时主动的在线监测和控制,以识别可能引起重大事故的工况、避免机床、刀具及有关设施的损伤。

2.2 高速切削刀具

刀具技术是实现高速切削的重要保证。高速切削刀具是实现高速加工技术的关键,正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。

2.2.1 高速切削刀具材料

由于高速切削的切削速度快,而高速加工线速度主要受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前常用的高速切削的刀具材料主要有:陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、涂层刀具、立方氯化硼(CBN)刀具及聚晶金刚石(PCD)刀具、性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。

2.2.2 高速切削刀具系统

由于高速切削时,主轴、刀具、刀柄在高速旋转情况下,较小的偏心会产生较大的离心力,因此,高速加工刀具与机床的连接一般采用锥面和主轴端面同时接触的HSK空心刀柄,以确保高速旋转刀具的安全性和轴向加工精度。高速旋转时,刀具的不平衡会造成主轴系统产生一个附加的径向载荷,其大小与转速的平方成正比。因此,高速切削的刀具在使用前必须经过精密动平

第33卷第2期2011-2(上)【111】

衡测试,以免工作时发生振动。

2.3 高速切削工艺

高速切削工艺是进行高速切削加工的关键,常规切削的高效率来自低转速、缓进给、大切深、单行程;而高速切削则是高转速、快进给、中切深、多行程的加工工艺。因此,高速切削工艺和常规切削工艺相比较有很大不同。

2.3.1 高速切削加工的走刀方式

对于带有敞口型腔的区域,应尽量从材料的外面走刀,以实时分析材料的切削状况。对于没有型腔的封闭区域,宜采用螺旋进刀方式,在局部区域进行切入。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。所以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。

2.3.2 专门的CAD/CAM编程策略

CAD/CAM编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷,把进结速率变化降到最低,使程序处理速度最大化。主要方法有:一是尽可能减少程序块,以提高程序处理的速度;二是在程序段中加人一些圆弧过渡段,以尽可能减少速度的急剧变化;三是粗加工不是进行简单的去除材料,而是注意保证本工序和后续工序加工余量均匀,以尽可能减少铣削负荷的变化;四是宜多采用分层顺铣方式;并且切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀,以保证恒定的切削条件;五是应充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。

3 高速切削技术应用

3.1 在航空工业的中的应用

飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本,将原来由多个铆接或焊接而成的部件,改用整体实心材料制造,即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件,其金属切除量相当大。采用高速切削加工技术,加工时间可缩短到原来的几分之一。

3.2 在模具加工中的应用

模具型腔加工过去一直为电加工所垄断,但其加工效率低。而高速加工切削力小,可铣淬硬60HRC的模具钢,加工表面粗糙度值又很小,浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电加工;对深腔小曲率的,可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工,电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高,周期缩短。

3.3 在汽车工业加工中的应用

汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机床加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司,凡技术变化较快的汽车零件,如:气缸盖的气门数目及参数经常变化,现一律用高速加工中心来加工。

3.4 Ni基高温合金

Ni基高温合金和Ti合金常用来制造发动机零件,因它们很难加工,一般采用很低的切削速度。如采用高速加工,则可大幅度提高生产效率、减小刀具磨损、提高零件的表面质量。

3.5 扩展应用领域

硬切削,常规切削加工不能加工淬火后的材料,而高速切削可以加工淬硬工件,使复杂曲面零件可以通过高速铣削一次装夹完成从粗加工到精加工的等全部工序,甚至能省略电加工和手工抛光工序,大大缩短制造周期。干式切削也是高速切削扩展的领域,高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法,是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺,它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响。此外,高速切削加工也可用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表的加工。

4 结束语

高速切削技术是世界范围内倍受关注的前沿技术,它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。高速加工是一个系统工程,他要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革,但由于其具有传统加工无可比拟的优势,将是今后数控加工技术必然的发展方向。

摘要：高速切削加工是数控加工发展的一个重要方向,本文阐述了高速切削加工的特点、分析了高速切削加工的关键技术(包括机床、刀具、工艺),介绍了高速切削加工的应用领域。

关键词：高速切削,关键技术,数控加工

参考文献

[1]丁杰,等.高速切削加工技术在数控机床中的应用[J].机械设计与制造,2007,(12):155-156.

[2]翟斌,等.高速切削在模具数控加工中的技术应用[J].机械设计与制造,2007,(6):185-187.

[3]周华,等.高速切削机床的关键技术及其应用[J].现代制造工程,2008,(8):124-127.

高速切削技术在机械加工中的应用 篇10

高速切削加工技术 (High Speed Machining Technology) 的理念最初是由德国的Salomon博士于1931年正式提出的, 他用大直径圆锯片对铝、铜等合金材料进行了大量铣削试验并发现:随切削速度的不断增加, 切削温度在上升到一定的峰值后, 会逐渐下降.这个温度峰值所对应的切削速度被金属切削加工界称为临界切削速度。由于此时刀具难以承受切削高温的作用, 此切削速度区域被学者们称为“死区”。Salomon博士利用他的切削实验数据提出了可以在“死区”以外的更高速区对材料进行高速切削的高速切削理论.

由于这一高速切削加工理论的具体实施条件诸如高速回转的主轴、耐高温的刀具材料等基本条件在此后的很长一段时间内并没有很好得到解决, 所以;高速切削加工技术一直没能得到快速发展。一些工业发达国家通过对高速切削加工理论的研究和关键技术的探索, 清楚地意识到它在今后日益剧烈的市场竞争中的巨大发展潜力, 相继进行先期投资, 做了大量实验研究工作。高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用4个发展阶段。如今随着在刀具和机床设备等关键技术领域的突破性进展, 高速切削加工技术在工业发达国家得到普遍应用, 正成为切削加工的主流技术。

1 高速切削的内涵

高速切削加工不仅是一个技术指标, 而且是一个经济指标。也就是说, 它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度, 而且是一个由此可获得较大经济效益的指标, 没有经济效益的高速切削是役有工程意义的。目前定位的经济效益指标是:在保证加工精度、加工质量的前提下, 将通常切削速度加工的加工时间减少70%, 同时将加工费用减少50%, 以此衡量切削速度的合理性。

2 高高速切削加工的特点及优越性

2.1 高速切削加工的工艺特点

高速切削加工的特点可以简单归纳为四高:

(1) 高效率.高速切削加工的最大特点是“高速”切削。现代航空及高速机车制造业中, 像飞机机身骨架、高速机车车厢框架等均为铝合金整体薄壁构件, 其90%的毛坯材料都要被高速铣削加工所切掉, 高速切削和快速进给得以实现极高的材料切除率, 可以极大地提高生产效率, 降低生产成本。

(2) 高精度。随切削速度的提高, 切削力、切削温度、切削振动都有显著的下降, 可以使加工精度得到很大提高, 高速切削可以实现以车代磨, 得到很精细的表面粗糙度值 (Ra0.1~0.455μm) , 而且其表面硬化程度和表面残余应力都很小, 不会产生类似磨削变质层那种性质极不稳定的强化层。

(3) 高技术含量。高速切削加工系统是集新型刀具材料、高速刀具安装系统、高速电主轴、高速进给伺服系统、高性能快速响应数坟系统、快速实时监控系统六项当代高新科学技术于一身的高科技系统。高速数控加工中心的实际商品化应用成功是建立在上述六项现代技术的突破和快速发展基础上的。

(4) 高经济效益。极高的生产率和高精度是各国争相研究高速切削加工技术的内在动力, HSMT已经给工业发达国家带来了极好的经济效益, 并使HSMT成为制造业的主流技术。

2.2 高速切削加工具有以下优越性:

2.2.1 极高的材料切除效率.

非常高的切削速度和很高的进给量形成了极高的材料切除效率, 大幅度地提高了加工效率, 降低了加工成本。

2.2.2 切削力降低.

随切削速度的提高, 切削力随之减小, 有利于对薄壁类刚性较差工件的切削加工和降低切削振动, 提高加工表面质量。

2.2.3 切削温度低.

在高速切削时, 切屑以高速排出, 带走了近90%的切削热, 大大地减少了工件的热应力和热变形, 可以得到性能稳定的加工表面。

2.2.4 实现以车代磨.

高速切削可以利用高性能刀具材料对硬度HRC45~HRC65的淬硬工件进行切削, 实现以车代磨加工, 得到低加工硬化和低残余应力的稳定表面。

3 高速切削的关键技术

3.1 高速切削机床

高速切削机床相当大部分是多轴联动数控机床, 同时又常是精密机床。高速切削对机床有很高的要求, 在要求机床具有很高的进给速度和加速度的同时, 还要求机床具有高精度和高的静、动刚度, 以适应粗精加工、轻重切削和快速移动, 同时保证高精度 (定位精度±0.005mm) 。

3.2 高速主轴驱动系统

高速主轴驱动系统是高速切削技朱最重要的关键技术之一, 要想达到10m/s的切削速度, 直径100mm的端铣刀需要机床主轴达到2000r/min的高转速, 若采用直径10mm的立铣刀来铣削, 机床主轴转速需要达到20000r/min.目前机床主轴转速在15000~30000r/min水平的数控加工中心已成为普及型的机床, 主轴转速在100000~150000r/min的加工中心已进入生产应用阶段, 更高转速的主轴系统已在研发之中。

在极高的主轴转速下, 主轴零件在巨大离心力作用下将会产生变形并引起振动, 主轴轴承及驱动电机会产生大量的摩擦热, 传统的主轴结构概念己经不能适应极高转速条件下主轴的工作要求。目前生产的高速切削数控加工中心, 主轴结构几乎全部是交流变频电机直接驱动的电主轴, 电机功率高达20~80k W, 以满足主轴极大的启动角加速度和快速准停的需要;电主轴的回转支承目前主要采用液体动、静压轴承、空气轴承、陶瓷轴承和磁力悬浮轴承, 采用油、气强制润滑冷却技术。

3.3 高速进给系统

传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性, 必须对其进行技术改进和技术创新, 才能适应高速切削的要求。主要技术措施有: (1) 丝杠采用中空结构, 提高丝杠的支承刚度。 (2) 为降低高速滚珠丝杠副传动系统的发热, 将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却, 以保证滚珠丝杠副传动系统的精度。 (3) 改进螺母结构设计, 适当减小滚珠直径, 钢珠采用空心结构, 滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列, 可有效降低高速运行时的噪声。 (4) 改进滚珠材料, 滚珠选用陶瓷材料, 可显著降低温升。 (5) 采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中, 由伺服电机带动其旋转, 或将螺母与驱动电机的转子集成为一体, 由转子直接驱动。

4 结束语

高速切削在工业发达国家已得到广泛应用, 已取得巨大的经济和社会效益。在我国, 高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段, 还有大量研究、开发工作需要进行。但国内大型企业尤其是汽车发动机、变速箱和车桥等大型汽车部件生产企业, 已购买了大批的高速切削设备, 也开始应用多种高速机床和加工中心;还有许多为汽车企业供应模具的制造厂家, 也大量地采用高速切削机床, 以适应飞速发展的汽车工业的需要。高速切削加工技术必将沿着高效率、高精度、高柔性、安全、绿色化和降低制造成本的方向继续发展。

参考文献

[1]王丽英.机械制造技术.2009.[1]王丽英.机械制造技术.2009.

[2]张伯霖.高速切削技术及应用.2002[2]张伯霖.高速切削技术及应用.2002