数控高速切削工艺技术及应用的探索
[摘要]高速切削的工艺技术是成功进行高速切削加工的关键技术之一。本文从数控高速切削的基础理论，主要探索研究了新型刀具、切削工艺参数优化和新型机床三个方面的工艺技术及应用。
[关键词] 高速切削 参数优化 机床 刀具 工艺技术
数控高速切削技术已经在航空航天和汽车制造等众多领域得到广泛的发展和应用。当今科技突飞的工业信息时代，高速切削技术已成为切削加工的主流，对机械制造业来说是一场深刻的技术革命。数控高速切削工艺技术参数是数控切削加工过程中的基本控制量。实现数控高速切削加工工艺参数的优化，不仅有利于企业提高生产技术水平和经济效益，还将进一步推动数控加工技术的发展。
高速切削概念最早是德国物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）通过切削实验而提出来的。迄今尚未有一个确切的界定。一种划分是比常规切削速度和进给速度高出5~10倍的切削加工。也有认为主轴转速高于8000r/min即为高速切削。对不同的材料和加工工艺，高速切削速度也不同。当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被定为是高速切削。从加工工艺上：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削5000~10000m/min被定为高速切削。具有：切削力小、工件热变形小、材料切除率高、工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工以及可加工难加工材料的特点。
数控高速切削加工是一个复杂的系统工程，高速切削加工的机理和相关理论至今仍不完善，其涉及到切削机理、切削机床、刀具、工艺参数等诸多工艺技术，这些是实现高速切削加工离不开的关键技术，着重从以下方面来探索研究。
1、新型高速切削刀具及其材料
高速切削技术发展的一个重要障碍就是刀具材料的耐高温和耐磨损问题，切削速度越高切削温度也就越高，现有的大部分刀具是无法达到这个要求的，为了解决这些问题，高速切削的刀具制造技术发生了巨大的变化。新材料，新工艺不断出现，刀具材料也发展到陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具。为了提高刀具的综合性能，发展了刀具涂层技术和烧结压层技术。对用于金属切削的刀具材料来说，一般有硬度、韧性、强度、热硬性、导热性等指标，其中硬度和韧性是一对极其重要的指标，理想的刀具材料当然是硬度、韧性兼备。
2、高速切削工艺及参数优化
安全、高效和高质量是高速切削的主要目的，可分为两种情况：以实现单位时间最大材料去除量和最大加工表面积。前者用于粗加工，后者用于精加工。在粗加工后，怎样获得余量比较均匀的半成品，为精加工创造条件。另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和设置切削参数，采用先进的走刀方法等这些都是要考虑的重要问题。对高速切削加工任务来说，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体考虑，设计出合理的加工方案，从总体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势，这就是高速切削工艺设计的原则。
1）、切削方式的选择。在高速切削加工中，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削厚度最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件时产生的切削厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量的热量，所以在逆铣时产生的热量比顺铣时多很多，径向力也大大增加。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，减低了刀具的使用寿命。
2）、走刀方式的选择。对带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面走刀，以实时分析材料的切削状况。而对没有型腔的封闭区域，采用螺旋进到方式，在局部区域切入。针对高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。在对曲面进行加工时，刀具可是Z向垂直进、退刀，曲面法向的进、退刀，曲面正向与反向的进、退刀和斜向或螺旋式进、退刀等。在实际加工中，用户可以采用曲面的切向进刀或更好的螺旋式进刀。而且螺旋式进刀切入材料时，如果加工区域是上大下小，螺旋半径会随之减小以进刀到指定的深度。尽量减少刀具的急速换向。由于之字形模式主要应用于传统加工，在高速切削加工中主要选择回路或单一路径切削。
3、新型机床及其技术发展的新动向
高速加工机床主轴转速高、功率大、快速行程速度高等会导致机床运动副之间发生急剧的摩擦和发热；高的运动加速度也会对机床产生巨大的动载荷等等这些都会影响产品的质量、效率、机床寿命。“零传动理论”的提出大大简化了机床的传动与结构，提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构，它是将主轴和电动机集成在一起的结构，取消了主传动链中的一切中间环节，可将主轴转速提高到每分数万转；直线电动机的高速进给单元则是高速机床进给系统实现“零传动”的典型代表，主要优点有：速度高、加速度大、定位精度高、行程不受限制。
轴联动加工机床的兴起：一台5轴联动机床的效率可以等于两台3轴联动机床，当前由于电主轴的出现，可以使得复合主轴的结构大为简化，制造难度大幅度降低。并联加串联机床的出现：瑞典Neos Robotics公司采用三杆结构，解决3个自由度的问题，另外两个自由度采用成熟的传统串联机构来解决。该公司生产的Tricept845加工中心，对并联机床已有实用价值。高速虚拟轴机床的发展：其基本结构是一个活动平台、一个固定平台和六根长度可变的连杆。活动平台上装有主轴和刀具，固定平台上安装工件，六根杆实际是六个滚珠丝杠副，可产生六自由度的空间运动，使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。
高速切削加工的问世，加快了汽车、模具、航空、精密机械等产品的更新换代速度，引起了这些行业制造技术及提升，加快了社会的进步。工业制造业要发展，企业必须不断的开发、应用现代高速切削加工技术。在二十一世纪全球化制造的市场环境下,高速加工必将在各类制造企业中得到广泛的应用。
参考文献
[1]《高速切削技术及应用》张伯霖/机械工业出版社/2002
[2]《高速切削加工技术》艾兴/国防工业出版社/2003
[3]《高速切削刀具的研究》王西彬/机械工艺师/1998
[4]孙文诚 高速切削加工的关键技术研究 [J].-机械制造与自动化2008(5).
