高速切削加工技術(shù)
在現(xiàn)代機(jī)械切削加工技術(shù)中,，高速切削正在越來越多地被人提及,，其技術(shù)已開始被使用,，隨之而來的,，首先是高速機(jī)床,，那么,，高速切削與傳統(tǒng)切削技術(shù)究竟有什么不同? 其實(shí)現(xiàn)的條件是什么? 實(shí)現(xiàn)它有哪些益處? 其適用性怎么樣呢? 本文將試圖回答這些問題，并且盡可能結(jié)合目前在世界上居領(lǐng)先水平的瑞士MIKRON公司的機(jī)床的結(jié)構(gòu),、特點(diǎn)來分析,，用它同目前國內(nèi)仍在普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)的加工方法和切削理論相比較，促進(jìn)高新技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和普及,。
縮短加工時(shí)的切削與非切削時(shí)間,，對(duì)于復(fù)雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量,，是我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的一個(gè)重要的目標(biāo)。
有人認(rèn)為,，一提高速加工,，就是主軸轉(zhuǎn)速要幾萬轉(zhuǎn)；只要主軸轉(zhuǎn)速一達(dá)到幾萬轉(zhuǎn),，就可以實(shí)現(xiàn)高速切削,，這其實(shí)是不全面的。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，現(xiàn)代機(jī)床已經(jīng)具備了下面的條件,，也只有具備這些條件，才會(huì)使得高速切削成為可能。
1.機(jī)電一體化的主軸,，即所謂電主軸�,，F(xiàn)代化的主軸是電機(jī)與主軸有機(jī)地結(jié)合成一體，采用電子傳感器來控制溫度,，自有的水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng),，使得主軸在高速下成為“恒溫”；又由于使用油霧潤滑,、混合陶瓷軸承等新技術(shù),，使得主軸可以免維護(hù)、長(zhǎng)壽命,、高精度,。由于采用了機(jī)電一體化的主軸，減去了皮帶輪,、齒輪箱等中間環(huán)節(jié),，其主軸轉(zhuǎn)速就可以輕而易舉地達(dá)到0～42000r/min，甚至更高,。不僅如此,，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，造價(jià)下降,，精度和可*性提高,，甚至機(jī)床的成本也下降了。 噪聲,、振動(dòng)源消除,，主軸自身的熱源也消除了。MIKRON公司便采用了本集團(tuán)“STEP－TEC”公司生產(chǎn)的電主軸,，這種電主軸采用了其特別的,、最先進(jìn)的矢量式閉環(huán)控制、高動(dòng)平衡的主軸結(jié)構(gòu),、油霧潤滑的混合陶瓷軸承,，可以隨室溫調(diào)整的溫度控制系統(tǒng)，確保主軸在全部工作時(shí)間內(nèi)溫度衡定,。
何為矢量式閉環(huán)控制呢,？其實(shí)就是借助數(shù)/模轉(zhuǎn)換，將交流異步電動(dòng)機(jī)的電量值變換為直流電模型,，這樣,，既可實(shí)現(xiàn)用無電刷的交流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，即在低轉(zhuǎn)速時(shí),，保持全額扭矩,，功率全額輸出,，主軸電機(jī)快速起動(dòng)和制動(dòng)。以UCP710機(jī)床切削45#鋼為例,，用STEP-TEC的主軸銑削,，銑刀直徑?63mm, 主軸轉(zhuǎn)速為1770r/min，金切量為540cm3/min,；在無底孔鉆孔時(shí),，鉆頭直徑?50mm, 轉(zhuǎn)速1350r/min，可一次鉆出,，而無需常用的先打中心孔,而后鉆孔再擴(kuò)孔的方法,。
2.機(jī)床普遍采用了線性的滾動(dòng)導(dǎo)軌,，代替過去的滑動(dòng)導(dǎo)軌,，其移動(dòng)速度、摩擦阻力,、動(dòng)態(tài)響應(yīng),，甚至阻尼效果都發(fā)生了質(zhì)的改變。用手一推就可以將幾百公斤甚至上千公斤的重工作臺(tái)推動(dòng),。其特有的雙Ｖ型結(jié)構(gòu),，大大提高了機(jī)床的抗扭能力；同時(shí),，由于磨損近乎為零,，導(dǎo)軌的精度壽命較之過去提高幾倍。 又因?yàn)榕浜鲜褂昧藬?shù)字伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī),，其進(jìn)給和快速移動(dòng)速度已經(jīng)從過去最高的6m/min,，提高到了現(xiàn)在的20～60m/min，MIKRON公司的最新型機(jī)床使用線性電機(jī),，進(jìn)給和快移速度可達(dá)80m/min,。
3.目前最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)可以同時(shí)控制8根以上的軸，實(shí)現(xiàn)五軸五聯(lián)動(dòng),，甚至六軸五聯(lián)動(dòng),，多個(gè)CPU，數(shù)據(jù)塊的處理時(shí)間不超過0.4ms,；同時(shí),，均配置功能強(qiáng)大的后置處理軟件，運(yùn)算速度快,，仿真能力強(qiáng)且具備程序運(yùn)行中的“前視”功能,，隨時(shí)干預(yù)，隨時(shí)修改,。外接插口,，數(shù)據(jù)傳輸速度快,，甚至可以與以太網(wǎng)直聯(lián)；加上全閉環(huán)的測(cè)量系統(tǒng),， 配合使用數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),，機(jī)床的線性移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)1～2g的加速和減速運(yùn)動(dòng)。
4.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,，現(xiàn)代機(jī)床均采用落地式床身,，整體鑄鐵結(jié)構(gòu)，龍門式框架的主軸立柱,，盡可能由主軸部件來實(shí)現(xiàn)二軸甚至三軸的線性移動(dòng),，考慮到刀具重量的變化極小，這樣,，在工件乃至工作臺(tái)不進(jìn)行快速線性移動(dòng)的情況下,， 機(jī)床快速線性移動(dòng)的部件的重量近乎常量，因此,，更容易實(shí)現(xiàn)快速加速和減速情況下的運(yùn)動(dòng)慣量及實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡,，減少由于動(dòng)態(tài)沖擊所帶來的不穩(wěn)定，從而保證穩(wěn)定的且更高的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量,。
5.刀具的材料和技術(shù)的發(fā)展也是高速切削得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要因素,。由于在高速切削時(shí)，切削力已經(jīng)不是重要因素,，不需大的切削扭矩,，因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄，而是短圓柄,，即HSK型柄,，不需拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響,。重要的是需要?jiǎng)悠胶猓?即需加上動(dòng)平衡環(huán),，在裝好刀具后，由動(dòng)平衡儀進(jìn)行平衡,。刀具本身采用通體硬質(zhì)合金刀,，或在硬質(zhì)合金上涂CBN、TiC等,，也可采用人造金剛石,，即PCD等，使刀具可以承受高達(dá)300～500m/min的切削線速度,。
6.切削時(shí)采用油霧潤滑加工區(qū),，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。
高速切削
顧名思義,，高速切削,，首先是高的速度,，即要有高的主軸轉(zhuǎn)速，比如12000r/min,、18000r/min,、30000r/min、40000r/min,，甚至還有更高的轉(zhuǎn)速仍在試驗(yàn)中,；另一方面，又應(yīng)有更大的進(jìn)給量,，如30000mm/min,、40000mm/min，甚至60000mm/min,；再有就是快速移動(dòng),、快速換刀、主軸換刀后從靜態(tài)到達(dá)其所需轉(zhuǎn)速的加速時(shí)間等等,，只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速,。
其次是要針對(duì)不同的加工對(duì)象,、不同的硬度,、不同的材質(zhì)、不同的形狀來選擇相應(yīng)合理的參數(shù),，而不能一味地追求為高速而高速,，特別是對(duì)于型腔加工，形狀復(fù)雜而刀具直徑又較小時(shí),，由于刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡不是簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)而是曲線,，甚至有直角拐彎的時(shí)候，工藝參數(shù)的合理性就尤為重要,，因?yàn)橐氡３滞贿M(jìn)給速度進(jìn)行直角切削,，搞不好會(huì)由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的巨大慣性而導(dǎo)致刀具做彎角運(yùn)動(dòng)時(shí)突然斷裂，而變速運(yùn)動(dòng)又會(huì)由于加速和減速等運(yùn)動(dòng)造成切削厚度的瞬間變化,，而導(dǎo)致切削刀變化使工件表面有切紋,，由此使加工質(zhì)量下降，所以,，針對(duì)不同的加工對(duì)象,，需要編程人員選擇合理的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化切削參數(shù),；另一方面,，根據(jù)需要選擇適合的切削速度，只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削的長(zhǎng)處,。
應(yīng)用高速切削,，我們可以實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)：
(1)由于采用小的切削深度和厚度,，刀具每刃的切削量極小，因而機(jī)床主軸,、導(dǎo)軌的受力就小,，機(jī)床的精度壽命長(zhǎng)， 同時(shí)刀具壽命也延長(zhǎng)了,。
(2)雖然切削深度和厚度小,，但由于主軸轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給速度快,，因此使單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量反而增加了,，由此加工效率也提高了。
(3)加工時(shí)可將粗加工,、半精加工,、精加工合為一體，全部在一臺(tái)機(jī)床上完成,，減少了機(jī)床臺(tái)數(shù),，避免由于多次裝夾使精度產(chǎn)生誤差。
(4)可以加工高硬度,、難加工材料(可達(dá)62HRC左右),，可以鉆?1mm以下的小孔。
(5)最重要的是,，加工時(shí)間短,，經(jīng)濟(jì)性能好。
高速切削的應(yīng)用
目前,，高速切削已經(jīng)不是實(shí)驗(yàn)室里的技術(shù)了,，它更多的是應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。(1)有色金屬,，如鋁,、鋁合金，特別是鋁的薄壁加工,。目前已經(jīng)可以切出厚度為0.1mm,、高為幾十毫米的成形曲面。
(2)石墨加工,。在模具的型腔制造中,，由于采用電火花腐蝕加工，因而石墨電極被廣泛使用,。但石墨很脆,，所以，必須采用高速切削才能較好地進(jìn)行成形加工,。
(3)模具,，特別是淬硬模具的加工,。 由于淬硬的材料可以直接從供應(yīng)商處購買， 因此采用高速切削可以直接將模具切出,，這不單單是省去了過去機(jī)加工→電加工的幾道工序,；節(jié)約工時(shí)，還由于目前高速切削已經(jīng)可以達(dá)到很高的表面質(zhì)量(Ra≤0.4um),，因此省去了電加工后面的磨削和拋光的工序,；相反，切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài),，還會(huì)提高模具工件表面的耐磨程度（有統(tǒng)計(jì)說模具壽命因此能提高3～5倍）,，這樣，鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能,。
(4)硬的,、難切削的材料，如耐熱不銹鋼等,。
高速切削的適用性
高速加工作為一種新的技術(shù),，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化,。那么,，它是不是放之四海而皆準(zhǔn)呢?顯然不行。目前,， 即便是在金屬切削機(jī)床水平先進(jìn)的瑞士,、德國,、日本,、美國，對(duì)于這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究當(dāng)中,。實(shí)際上,，人們對(duì)高速切削的經(jīng)驗(yàn)還很少，還有許多問題有待于解決：比如高速機(jī)床的動(dòng)態(tài),、熱態(tài)特性,；刀具材料、幾何角度和耐用度問題,，機(jī)床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動(dòng)平衡,、扭矩傳輸）、冷卻潤滑液的選擇,、CAD/CAM 的程序后置處理問題,、高速加工時(shí)刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。
如此看來,，主軸轉(zhuǎn)速為10～42000r/min這樣的高速切削在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍受到一些限制：
(1)主軸轉(zhuǎn)速10～42000r/min時(shí),，刀具必須采用 HSK 的刀柄,，外加動(dòng)平衡，刀具的長(zhǎng)度不能超過120mm,，直徑不能超過16mm,，且必須采用進(jìn)口刀具。這樣,，在進(jìn)行深的型腔加工時(shí)便受到限制,。
(2)機(jī)床裝備轉(zhuǎn)速為10～42000r/min的電主軸時(shí)，其扭矩極小,，通常只有十幾個(gè)N·m,，最高轉(zhuǎn)速時(shí)只有5～6N·m。這樣的高速切削,，一般可用來進(jìn)行石墨,、鋁合金、淬火材料的精加工等,。
(3)MIKRON公司針對(duì)這些情況開發(fā)了一些主軸最高轉(zhuǎn)速為12000r/min,、15000r/min、18000r/min和24000r/min的機(jī)床,，盡力提高進(jìn)給量(40000～60000mm/min),，以保證機(jī)床既能進(jìn)行粗加工，又能進(jìn)行精加工,，既省時(shí)效率又高,。
(4)針對(duì)傳統(tǒng)的加工方式和不同的被切削材料，應(yīng)選擇合適的刀具材料來實(shí)現(xiàn)高速加工,，而不能一味地追求高速,，為高速而高速。如在美國的航天工業(yè)中,，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)7500m/min的線速度來切削鋁合金,；但是切削鋼和鑄鐵時(shí)，目前世界上實(shí)際進(jìn)行的高速加工所能實(shí)現(xiàn)的最高速度,，也只能達(dá)到加工鋁合金的 1/3～1/5,，約為1000～1200m/min， 其原因是切削熱會(huì)使刀尖產(chǎn)生熱破損,。由此可見,，刀具材料的耐熱性是加工黑色金屬的關(guān)鍵。對(duì)超級(jí)合金,，包括鎳基,、鈷基、鐵基和鈦基合金而言，其共同特點(diǎn)是在高溫下能保持高強(qiáng)度和高的耐腐蝕性,，但它們又都是難加工材料,。目前加工這種材料時(shí)的最高進(jìn)給速度為500m/min，主要受制于刀具材料及其幾何形狀,。
所以說,，高速加工的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言,，陶瓷(AlO,，SiN)、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于對(duì)鋼,、鐵等黑色金屬的高速加工,；PCD 和CVD等刀具則適用于對(duì)鋁、鎂,、銅等有色金屬的高速加工,。
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發(fā)表于 2006-10-11 00:19:54
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