在現(xiàn)代機(jī)械切削加工技術(shù)中艘款，高速切削正在越來越多地被人提及盘瞧，其技術(shù)已開始被使用堰怜，隨之而來的刁祸，首先是高速機(jī)床熄阻，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倔约，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)秃殉、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浸剩，促進(jìn)高新技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和普及钾军。

　　高速機(jī)床

　　縮短加工時的切削與非切削時間，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绢要，最大限度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量吏恭，是我們提高勞動生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的一個重要的目標(biāo)重罪。

　　有人認(rèn)為樱哼，一提高速加工，就是主軸轉(zhuǎn)速要幾萬轉(zhuǎn)剿配；只要主軸轉(zhuǎn)速一達(dá)到幾萬轉(zhuǎn)搅幅，就可以實(shí)現(xiàn)高速切削，這其實(shí)是不全面的惨篱。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展盏筐，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令掠，才會使得高速切削成為可能规学。

　　1.機(jī)電一體化的主軸，即所謂電主軸”璩叮現(xiàn)代化的主軸是電機(jī)與主軸有機(jī)地結(jié)合成一體橡周，采用電子傳感器來控制溫度碗昭，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”膊向；又由于使用油霧潤滑体笨、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使得主軸可以免維護(hù)糙娃、長壽命烧啊、高精度。由于采用了機(jī)電一體化的主軸憎抡，減去了皮帶輪端杂、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性湿，甚至更高纬傲。不僅如此，由于結(jié)構(gòu)簡化肤频，造價下降叹括，精度和可靠性提高，甚至機(jī)床的成本也下降了宵荒。噪聲汁雷、振動源消除，主軸自身的熱源也消除了报咳。MIKRON公司便采用了本集團(tuán)“STEP－TEC”公司生產(chǎn)的電主軸摔竿，這種電主軸采用了其特別的、最先進(jìn)的矢量式閉環(huán)控制少孝、高動平衡的主軸結(jié)構(gòu)、油霧潤滑的混合陶瓷軸承熬苍，可以隨室溫調(diào)整的溫度控制系統(tǒng)稍走，確保主軸在全部工作時間內(nèi)溫度衡定。

　　何為矢量式閉環(huán)控制呢柴底？其實(shí)就是借助數(shù)/模轉(zhuǎn)換现辰，將交流異步電動機(jī)的電量值變換為直流電模型，這樣牺闪，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)托捆，即在低轉(zhuǎn)速時，保持全額扭矩扼漓，功率全額輸出媒卑，主軸電機(jī)快速起動和制動。以UCP710機(jī)床切削45#鋼為例醒屠，用STEP-TEC的主軸銑削经馍，銑刀直徑?63mm,主軸轉(zhuǎn)速為1770r/min切锈，金切量為540cm3/min；在無底孔鉆孔時父绿，鉆頭直徑?50mm,轉(zhuǎn)速1350r/min尿旅，可一次鉆出，而無需常用的先打中心孔,而后鉆孔再擴(kuò)孔的方法畅廷。

　　2.機(jī)床普遍采用了線性的滾動導(dǎo)軌捕阅，代替過去的滑動導(dǎo)軌，其移動速度麸塞、摩擦阻力秃臣、動態(tài)響應(yīng)，甚至阻尼效果都發(fā)生了質(zhì)的改變喘垂。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甜刻。其特有的雙Ｖ型結(jié)構(gòu)，大大提高了機(jī)床的抗扭能力正勒；同時得院，由于磨損近乎為零，導(dǎo)軌的精度壽命較之過去提高幾倍章贞。又因?yàn)榕浜鲜褂昧藬?shù)字伺服驅(qū)動電機(jī)祥绞，其進(jìn)給和快速移動速度已經(jīng)從過去最高的6m/min，提高到了現(xiàn)在的20～60m/min鸭限，MIKRON公司的最新型機(jī)床使用線性電機(jī)蜕径，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)可以同時控制8根以上的軸败京，實(shí)現(xiàn)五軸五聯(lián)動兜喻，甚至六軸五聯(lián)動，多個CPU冒侧，數(shù)據(jù)塊的處理時間不超過0.4ms硫缓；同時，均配置功能強(qiáng)大的后置處理軟件阿赞，運(yùn)算速度快恭隧，仿真能力強(qiáng)且具備程序運(yùn)行中的“前視”功能，隨時干預(yù)漩跋，隨時修改啃极。外接插口，數(shù)據(jù)傳輸速度快阁檀，甚至可以與以太網(wǎng)直聯(lián)粘榕；加上全閉環(huán)的測量系統(tǒng)，配合使用數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)羞喻，機(jī)床的線性移動可以實(shí)現(xiàn)1～2g的加速和減速運(yùn)動惫饲。

　　4.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化褂圣，現(xiàn)代機(jī)床均采用落地式床身，整體鑄鐵結(jié)構(gòu)裤础，龍門式框架的主軸立柱懊悯，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梦皮，這樣炭分，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剑肯，因此捧毛，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)定让网，從而保證穩(wěn)定的且更高的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量呀忧。

　　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。由于在高速切削時溃睹，切削力已經(jīng)不是重要因素而账，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄因篇，而是短圓柄泞辐，即HSK型柄，不需拉釘竞滓，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響咐吼。重要的是需要動平衡，即需加上動平衡環(huán)瞧佃，在裝好刀具后搔献，由動平衡儀進(jìn)行平衡。刀具本身采用通體硬質(zhì)合金刀袭甲，或在硬質(zhì)合金上涂CBN灼址、TiC等，也可采用人造金剛石件银，即PCD等，使刀具可以承受高達(dá)300～500m/min的切削線速度依特。

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

　　高速切削

　　顧名思義契畔，高速切削焚惰，首先是高的速度，即要有高的主軸轉(zhuǎn)速课丢，比如12000r/min蛆存、18000r/min步氏、30000r/min、40000r/min徒爹，甚至還有更高的轉(zhuǎn)速仍在試驗(yàn)中荚醒；另一方面，又應(yīng)有更大的進(jìn)給量隆嗅，如30000mm/min界阁、40000mm/min，甚至60000mm/min胖喳；再有就是快速移動泡躯、快速換刀、主軸換刀后從靜態(tài)到達(dá)其所需轉(zhuǎn)速的加速時間等等丽焊，只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速较剃。

　　其次是要針對不同的加工對象、不同的硬度技健、不同的材質(zhì)写穴、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凫乖，特別是對于型腔加工涵店，形狀復(fù)雜而刀具直徑又較小時，由于刀具的運(yùn)動軌跡不是簡單的直線運(yùn)動而是曲線馅拥，甚至有直角拐彎的時候卫跺，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)行直角切削肯窜，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)動時突然斷裂钥忌，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，而導(dǎo)致切削刀變化使工件表面有切紋纹茫，由此使加工質(zhì)量下降虏爸，所以，針對不同的加工對象自古，需要編程人員選擇合理的刀具運(yùn)動軌跡角雅，優(yōu)化切削參數(shù)；另一方面价秉，根據(jù)需要選擇適合的切削速度材光，只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削的長處。應(yīng)用高速切削鹦赎，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谍椅，刀具每刃的切削量極小，因而機(jī)床主軸、導(dǎo)軌的受力就小雏吭，機(jī)床的精度壽命長锁施，同時刀具壽命也延長了。

　　(2)雖然切削深度和厚度小杖们，但由于主軸轉(zhuǎn)速高悉抵，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胀莹，由此加工效率也提高了基跑。

　　(3)加工時可將粗加工、半精加工描焰、精加工合為一體媳否，全部在一臺機(jī)床上完成，減少了機(jī)床臺數(shù)荆秦，避免由于多次裝夾使精度產(chǎn)生誤差篱竭。

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

　　(5)最重要的是，加工時間短极炎，經(jīng)濟(jì)性能好潭女。

　　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)了嫩柑，它更多的是應(yīng)用于以下幾個方面捍秃。

　　(1)有色金屬，如鋁舌捡、鋁合金印洒，特別是鋁的薄壁加工。目前已經(jīng)可以切出厚度為0.1mm渐位、高為幾十毫米的成形曲面瞒谱。

　　(2)石墨加工。在模具的型腔制造中栋昙，由于采用電火花腐蝕加工萤榔，因而石墨電極被廣泛使用。但石墨很脆鲸阻，所以跋涣，必須采用高速切削才能較好地進(jìn)行成形加工。

　　(3)模具赘娄，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遣臼，這不單單是省去了過去機(jī)加工→電加工的幾道工序性置；節(jié)約工時，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)揍堰，因此省去了電加工后面的磨削和拋光的工序鹏浅；相反，切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài)屏歹，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)隐砸，這樣，鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能蝙眶。

　　(4)硬的季希、難切削的材料，如耐熱不銹鋼等牵深。

　　高速切削的適用性

　　高速加工作為一種新的技術(shù)既芯，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粉越。那么职涛，它是不是放之四海而皆準(zhǔn)呢?顯然不行。目前薄罕，即便是在金屬切削機(jī)床水平先進(jìn)的瑞士揖们、德國、日本妆崇、美國捣潭，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。實(shí)際上属荤，人們對高速切削的經(jīng)驗(yàn)還很少肪误，還有許多問題有待于解決：比如高速機(jī)床的動態(tài)、熱態(tài)特性就初；刀具材料郎闹、幾何角度和耐用度問題，機(jī)床與刀具間的接口技術(shù)(刀具的動平衡奈辰、扭矩傳輸)栏妖、冷卻潤滑液的選擇、CAD/CAM的程序后置處理問題奖恰、高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等吊趾。迄今為止，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)床瑟啃，南京航空航天大學(xué)購買了MIKRON的主軸為18000r/min機(jī)床论泛，上海交大、大連理工大學(xué)等也買了主軸轉(zhuǎn)速為18000r/min的機(jī)床，山東工大屁奏、西安交大岩榆、北京理工大學(xué)都將購買高速機(jī)床做相應(yīng)的研究。應(yīng)該說坟瓢，高速切削在我國勇边，尚未正式進(jìn)入大學(xué)課堂，如果一些教授折联、導(dǎo)師們的頭腦中還是空白畴垃，那怎么去教學(xué)生、去發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)疟弹？更不要說國內(nèi)的機(jī)床廠家的情況了鲫畸。應(yīng)該實(shí)事求是地講，由于多年來國有企業(yè)科研投入少氧悦，現(xiàn)有的機(jī)制不能充分鼓勵創(chuàng)新猩琳，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国享，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)拉大侈兄，這一差距總的來說恐怕在十年以上。現(xiàn)在看來队笑，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時版痪，刀具必須采用HSK的刀柄，外加動平衡狞荤，刀具的長度不能超過120mm什箭，直徑不能超過16mm，且必須采用進(jìn)口刀具脸狸。這樣最仑，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的電主軸時炊甲，其扭矩極小泥彤，通常只有十幾個N·m，最高轉(zhuǎn)速時只有5～6N·m卿啡。這樣的高速切削吟吝，一般可用來進(jìn)行石墨、鋁合金颈娜、淬火材料的精加工等剑逃。

　　(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、15000r/min官辽、18000r/min和24000r/min的機(jī)床蛹磺，盡力提高進(jìn)給量(40000～60000mm/min)粟瞬，以保證機(jī)床既能進(jìn)行粗加工，又能進(jìn)行精加工萤捆，既省時效率又高亩钟。

　　(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)高速加工舞涮，而不能一味地追求高速，為高速而高速浓蜈。如在美國的航天工業(yè)中未然，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芳迅，目前世界上實(shí)際進(jìn)行的高速加工所能實(shí)現(xiàn)的最高速度哮昧，也只能達(dá)到加工鋁合金的1/3～1/5，約為1000～1200m/min蕾胶，其原因是切削熱會使刀尖產(chǎn)生熱破損仓貌。由此可見，刀具材料的耐熱性是加工黑色金屬的關(guān)鍵刘耀。對超級合金泉互，包括鎳基、鈷基召藻、鐵基和鈦基合金而言严钞，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忆某。目前加工這種材料時的最高進(jìn)給速度為500m/min点待，主要受制于刀具材料及其幾何形狀。

　　所以說弃舒，高速加工的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇癞埠。一般而言，陶瓷(AlO聋呢，SiN)苗踪、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于對鋼、鐵等黑色金屬的高速加工坝冕；PCD和CVD等刀具則適用于對鋁徒探、鎂、銅等有色金屬的高速加工喂窟。

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