在現(xiàn)代機(jī)械切削加工技術(shù)中洁糟，高速切削正在越來越多地被人提及别凤，其技術(shù)已開始被使用橱孽，隨之而來的，首先是高速機(jī)床闽芳，那么倘粮，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)媚尊、特點(diǎn)來分析乱一，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)用和普及褂反。

　　高速機(jī)床

　　縮短加工時的切削與非切削時間之搅，對于復(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)量娇仙，是我們提高勞動生產(chǎn)率丹叨、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的一個重要的目標(biāo)。

　　有人認(rèn)為尾贮，一提高速加工饰址，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)跺诈，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)展菠剩，現(xiàn)代機(jī)床已經(jīng)具備了下面的條件易猫，也只有具備這些條件，才會使得高速切削成為可能具壮。

　　1.機(jī)電一體化的主軸准颓，即所謂電主軸。現(xiàn)代化的主軸是電機(jī)與主軸有機(jī)地結(jié)合成一體棺妓，采用電子傳感器來控制溫度攘已，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”怜跑；又由于使用油霧潤滑样勃、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使得主軸可以免維護(hù)性芬、長壽命峡眶、高精度。由于采用了機(jī)電一體化的主軸植锉，減去了皮帶輪骡榨、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奕截，甚至更高寻僧。不僅如此，由于結(jié)構(gòu)簡化噪境，造價下降堪渠，精度和可靠性提高，甚至機(jī)床的成本也下降了瞎介。 噪聲碗厕、振動源消除，主軸自身的熱源也消除了融辈。MIKRON公司便采用了本集團(tuán)“STEP－TEC”公司生產(chǎn)的電主軸誓华，這種電主軸采用了其特別的、最先進(jìn)的矢量式閉環(huán)控制胧蹲、高動平衡的主軸結(jié)構(gòu)菇唇、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)殉酬，確保主軸在全部工作時間內(nèi)溫度衡定匪补。

　　何為矢量式閉環(huán)控制呢？其實(shí)就是借助數(shù)/模轉(zhuǎn)換烂翰，將交流異步電動機(jī)的電量值變換為直流電模型夯缺，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)速時踊兜，保持全額扭矩竿滨，功率全額輸出，主軸電機(jī)快速起動和制動捏境。以UCP710機(jī)床切削45#鋼為例于游，用STEP-TEC的主軸銑削，銑刀直徑?63mm, 主軸轉(zhuǎn)速為1770r/min垫言，金切量為540cm3/min贰剥；在無底孔鉆孔時，鉆頭直徑?50mm, 轉(zhuǎn)速1350r/min筷频，可一次鉆出蚌成，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導(dǎo)軌退博，代替過去的滑動導(dǎo)軌颖助，其移動速度、摩擦阻力别印、動態(tài)響應(yīng)戏筹，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推動嫁昌。其特有的雙Ｖ型結(jié)構(gòu)缓万，大大提高了機(jī)床的抗扭能力；同時锁荚，由于磨損近乎為零蔫狰，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)動電機(jī)滴练，其進(jìn)給和快速移動速度已經(jīng)從過去最高的6m/min芋妻，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)摊桅，進(jìn)給和快移速度可達(dá)80m/min昭礁。

　　3.目前最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)可以同時控制8根以上的軸，實(shí)現(xiàn)五軸五聯(lián)動藻丢，甚至六軸五聯(lián)動剪撬，多個CPU，數(shù)據(jù)塊的處理時間不超過0.4ms悠反；同時残黑，均配置功能強(qiáng)大的后置處理軟件，運(yùn)算速度快斋否，仿真能力強(qiáng)且具備程序運(yùn)行中的“前視”功能梨水，隨時干預(yù)拭荤，隨時修改。外接插口冰木，數(shù)據(jù)傳輸速度快穷劈，甚至可以與以太網(wǎng)直聯(lián)；加上全閉環(huán)的測量系統(tǒng)踊沸， 配合使用數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)，機(jī)床的線性移動可以實(shí)現(xiàn)1～2g的加速和減速運(yùn)動社证。

　　4.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化逼龟，現(xiàn)代機(jī)床均采用落地式床身，整體鑄鐵結(jié)構(gòu)车匪，龍門式框架的主軸立柱秦代，盡可能由主軸部件來實(shí)現(xiàn)二軸甚至三軸的線性移動，考慮到刀具重量的變化極小臼裂，這樣蚯景，在工件乃至工作臺不進(jìn)行快速線性移動的情況下， 機(jī)床快速線性移動的部件的重量近乎常量前肥，因此楣索，更容易實(shí)現(xiàn)快速加速和減速情況下的運(yùn)動慣量及實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡，減少由于動態(tài)沖擊所帶來的不穩(wěn)定淀肿，從而保證穩(wěn)定的且更高的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量媳惦。

　　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)的一個重要因素。由于在高速切削時讯谎，切削力已經(jīng)不是重要因素碎员，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄乘硬，而是短圓柄倾圣，即HSK型柄，不需拉釘扁眯，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響壮莹。重要的是需要動平衡， 即需加上動平衡環(huán)恋拍，在裝好刀具后垛孔，由動平衡儀進(jìn)行平衡。刀具本身采用通體硬質(zhì)合金刀施敢，或在硬質(zhì)合金上涂CBN周荐、TiC等，也可采用人造金剛石僵娃，即PCD等概作，使刀具可以承受高達(dá)300～500m/min的切削線速度腋妙。

　　6.切削時采用油霧潤滑加工區(qū)，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液讯榕。

　　高速切削

　　顧名思義骤素，高速切削，首先是高的速度愚屁，即要有高的主軸轉(zhuǎn)速撑枯，比如12000r/min、18000r/min蛹活、30000r/min簇抑、40000r/min，甚至還有更高的轉(zhuǎn)速仍在試驗(yàn)中匕磅；另一方面枢蜗，又應(yīng)有更大的進(jìn)給量，如30000mm/min晃逞、40000mm/min箍颗，甚至60000mm/min；再有就是快速移動虽才、快速換刀纲愁、主軸換刀后從靜態(tài)到達(dá)其所需轉(zhuǎn)速的加速時間等等，只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速续残。

　　其次是要針對不同的加工對象兑狱、不同的硬度、不同的材質(zhì)鸵赫、不同的形狀來選擇相應(yīng)合理的參數(shù)衣屏，而不能一味地追求為高速而高速，特別是對于型腔加工辩棒，形狀復(fù)雜而刀具直徑又較小時狼忱，由于刀具的運(yùn)動軌跡不是簡單的直線運(yùn)動而是曲線，甚至有直角拐彎的時候一睁，工藝參數(shù)的合理性就尤為重要钻弄，因?yàn)橐氡３滞贿M(jìn)給速度進(jìn)行直角切削，搞不好會由于機(jī)床運(yùn)動部件的巨大慣性而導(dǎo)致刀具做彎角運(yùn)動時突然斷裂者吁，而變速運(yùn)動又會由于加速和減速等運(yùn)動造成切削厚度的瞬間變化窘俺，而導(dǎo)致切削刀變化使工件表面有切紋，由此使加工質(zhì)量下降复凳，所以瘤泪，針對不同的加工對象，需要編程人員選擇合理的刀具運(yùn)動軌跡育八，優(yōu)化切削參數(shù)对途；另一方面赦邻，根據(jù)需要選擇適合的切削速度，只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削的長處锉寿。應(yīng)用高速切削轻樟，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泣虚，因而機(jī)床主軸舟门、導(dǎo)軌的受力就小，機(jī)床的精度壽命長坠痒， 同時刀具壽命也延長了构眶。

　　(2)雖然切削深度和厚度小，但由于主軸轉(zhuǎn)速高起忠，進(jìn)給速度快，因此使單位時間內(nèi)的金屬切除量反而增加了帕吆，由此加工效率也提高了聋芹。

　　(3)加工時可將粗加工、半精加工觅霉、精加工合為一體沥涕，全部在一臺機(jī)床上完成，減少了機(jī)床臺數(shù)绑警，避免由于多次裝夾使精度產(chǎn)生誤差求泰。

　　(4)可以加工高硬度、難加工材料(可達(dá)62HRC左右)计盒，可以鉆?1mm以下的小孔渴频。

　　(5)最重要的是，加工時間短北启，經(jīng)濟(jì)性能好卜朗。

　　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)了咕村，它更多的是應(yīng)用于以下幾個方面场钉。

　　(1)有色金屬，如鋁懈涛、鋁合金逛万，特別是鋁的薄壁加工。目前已經(jīng)可以切出厚度為0.1mm批钠、高為幾十毫米的成形曲面宇植。

　　(2)石墨加工。在模具的型腔制造中岂张，由于采用電火花腐蝕加工墓篇，因而石墨電極被廣泛使用粤沥。但石墨很脆，所以瘾夯，必須采用高速切削才能較好地進(jìn)行成形加工索射。

　　(3)模具，特別是淬硬模具的加工巧嗡。 由于淬硬的材料可以直接從供應(yīng)商處購買虎铅， 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→電加工的幾道工序恋鞋；節(jié)約工時钟骏，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赵须；相反企鄙，切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài)，還會提高模具工件表面的耐磨程度（有統(tǒng)計說模具壽命因此能提高3～5倍）业嗅，這樣倘谢，鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能。

　　(4)硬的咒吐、難切削的材料野建，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)恬叹，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的候生，它給傳統(tǒng)的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化。那么绽昼，它是不是放之四海而皆準(zhǔn)呢?顯然不行唯鸭。目前， 即便是在金屬切削機(jī)床水平先進(jìn)的瑞士绪励、德國肿孵、日本、美國疏魏，對于這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究當(dāng)中停做。實(shí)際上，人們對高速切削的經(jīng)驗(yàn)還很少大莫，還有許多問題有待于解決：比如高速機(jī)床的動態(tài)蛉腌、熱態(tài)特性；刀具材料厨朗、幾何角度和耐用度問題瑟顶，機(jī)床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的動平衡、扭矩傳輸）淀然、冷卻潤滑液的選擇鹿腕、CAD/CAM 的程序后置處理問題秋豌、高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。迄今為止悼锻，國內(nèi)目前真正在實(shí)際加工中使用的是瑞士MIKRON公司的主軸轉(zhuǎn)速為42000r/min的機(jī)床劲旗， 南京航空航天大學(xué)購買了MIKRON的主軸為18000r/min機(jī)床，上海交大透辜、大連理工大學(xué)等也買了主軸轉(zhuǎn)速為18000r/min的機(jī)床常孕，山東工大、西安交大使萨、北京理工大學(xué)都將購買高速機(jī)床做相應(yīng)的研究逐会。應(yīng)該說，高速切削在我國锰扶，尚未正式進(jìn)入大學(xué)課堂献酗，如果一些教授、導(dǎo)師們的頭腦中還是空白坷牛，那怎么去教學(xué)生凌摄、去發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)？更不要說國內(nèi)的機(jī)床廠家的情況了漓帅。應(yīng)該實(shí)事求是地講，由于多年來國有企業(yè)科研投入少痴怨，現(xiàn)有的機(jī)制不能充分鼓勵創(chuàng)新忙干，基礎(chǔ)研究和元器件水平薄弱，新產(chǎn)品開發(fā)滯后等諸多問題的影響浪藻，我國的機(jī)床行業(yè)與國外同行業(yè)一流水平的差距已經(jīng)拉大捐迫，這一差距總的來說恐怕在十年以上。現(xiàn)在看來爱葵，主軸轉(zhuǎn)速為10～42000r/min這樣的高速切削在實(shí)際應(yīng)用時仍受到一些限制：

　　(1)主軸轉(zhuǎn)速10～42000r/min時施戴，刀具必須采用 HSK 的刀柄，外加動平衡萌丈，刀具的長度不能超過120mm赞哗，直徑不能超過16mm，且必須采用進(jìn)口刀具庭走。這樣蕴脯，在進(jìn)行深的型腔加工時便受到限制。

　　(2)機(jī)床裝備轉(zhuǎn)速為10～42000r/min的電主軸時荸凸，其扭矩極小曼沐，通常只有十幾個N·m，最高轉(zhuǎn)速時只有5～6N·m一恃。這樣的高速切削搏贤，一般可用來進(jìn)行石墨麻镶、鋁合金、淬火材料的精加工等匿胎。

　　(3)MIKRON公司針對這些情況開發(fā)了一些主軸最高轉(zhuǎn)速為12000r/min端葵、15000r/min、18000r/min和24000r/min的機(jī)床佩艇，盡力提高進(jìn)給量(40000～60000mm/min)年粟，以保證機(jī)床既能進(jìn)行粗加工，又能進(jìn)行精加工送丰，既省時效率又高缔俄。

　　(4)針對傳統(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)高速加工器躏，而不能一味地追求高速俐载，為高速而高速。如在美國的航天工業(yè)中登失，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)7500m/min的線速度來切削鋁合金遏佣；但是切削鋼和鑄鐵時，目前世界上實(shí)際進(jìn)行的高速加工所能實(shí)現(xiàn)的最高速度揽浙，也只能達(dá)到加工鋁合金的 1/3～1/5状婶，約為1000～1200m/min， 其原因是切削熱會使刀尖產(chǎn)生熱破損馅巷。由此可見膛虫，刀具材料的耐熱性是加工黑色金屬的關(guān)鍵。對超級合金钓猬，包括鎳基稍刀、鈷基、鐵基和鈦基合金而言草悦，其共同特點(diǎn)是在高溫下能保持高強(qiáng)度和高的耐腐蝕性赔绒，但它們又都是難加工材料。目前加工這種材料時的最高進(jìn)給速度為500m/min蝠兽，主要受制于刀具材料及其幾何形狀衡孽。

　　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)來選擇警综。一般而言宣葡，陶瓷(AlO，SiN)畴制、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于對鋼椰墩、鐵等黑色金屬的高速加工；PCD 和CVD等刀具則適用于對鋁、鎂喊傻、銅等有色金屬的高速加工呢烦。

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