《數(shù)控加工工藝學》課件第8章

第8章高速切削工藝8.1高速切削原理8.2高速切削機床、刀具8.3高速切削工藝

8.1高速切削原理

8.1.1高速切削的概念

根據(jù)1992年國際生產工程研究會(CIRP)年會主題報告的定義，高速切削通常指切削速度超過傳統(tǒng)切削速度5～10倍的切削加工。因此，根據(jù)加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范圍也不同。高速切削包括高速銑削、高速車削、高速鉆孔與高速車銑等，但絕大部分應用是高速銑削。8.1.2高速切削的優(yōu)點

高速切削在提高加工質量和加工效率兩個方面實現(xiàn)了統(tǒng)一。以刀具線速度或機床主軸轉速來描述高速切削。按照目前的生產和技術水平,國外學者提出：機床主軸轉速為8000～12000r/min時稱為準高速切削，15000～50000r/min時稱為高速切削，大于50000r/min時稱為超高速切削。高速切削具有以下特點:

(1)隨著切削速度的提高，進給速度也相應提高5～10倍，單位時間內材料去除率可增加3～6倍，從而大幅度縮短了切削工時，提高了生產效率。

(2)由于切削速度的提高，切屑流出速度加快，改善了切屑與刀具前面的摩擦，切屑流出阻力減小，剪切區(qū)變形減小，切削力減小30%以上，有利于薄壁和細長桿等剛性差的零件的加工。

(3)由于切削速度的提高，加工區(qū)域95%以上的切削熱被切屑迅速帶走，從而使工件基本上可以保持冷態(tài)，適合于加工容易產生熱變形的零件以及熱損傷要求較高的零件。

(4)高速切削機床激振頻率很高，遠高于機床固有頻率，工件加工過程平穩(wěn)，能夠加工出比較精密的零件，因而可以不分粗加工和精加工階段，一次可得到大的材料去除率，獲得較高質量的加工表面。在美國，也把這種粗、精加工同時完成的綜合加工技術叫做“一次過”技術(onepassmachining)。8.1.3高速切削的工業(yè)應用

高速切削在航空航天業(yè)、模具工業(yè)、電子行業(yè)、汽車工業(yè)等領域得到了越來越廣泛的應用。在航空航天業(yè)主要是解決零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、難加工和加工效率等問題，特別是整體結構件高速切削，既保證了零件質量，又省去了許多裝配工作。模具業(yè)中大部分模具均適用高速銑削技術，高速硬切削可加工硬度達50～60HRC的淬硬材料，因而取代了部分電火花加工，并減少了鉗工修磨工序，縮短了模具加工周期。高速銑削石墨可獲得高質量的電火花加工電極。高速切削的高效率使其在電子印刷線路板打孔和汽車大規(guī)模生產中得到廣泛應用。目前，適合高速切削的工件材料有鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼、淬硬鋼、石墨和石英玻璃等。 8.2高速切削機床、刀具

8.2.1高速切削的關鍵技術

1.高速主軸

高速主軸是高速切削機床的核心部件，隨著對主軸轉速要求的不斷提高，在高速切削機床上傳統(tǒng)的齒輪、皮帶變速主傳動系統(tǒng)由于本身的振動、噪音等原因已不能適應要求，取而代之的是一種新穎的功能部件——電主軸。它是將主軸電機與機床主軸合二為一的結構形式，電機轉子就是機床主軸，機床主軸單元的殼體就是電機座，從而實現(xiàn)了變頻電機與機床主軸的一體化。現(xiàn)在，高速切削機床上使用的電主軸采用電子傳感器來控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉時能保持“恒溫”。冷卻水溫控制系統(tǒng)在環(huán)境溫度10～40℃的條件下，一般可控制在20～25℃范圍內的某一設定溫度，精度為±0.7℃，特殊要求可達±0.3℃。同時使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術，可使主軸免維護、長壽命、高精度。高速精密軸承是高速主軸單元的核心。高速主軸可采用的軸承主要有混合陶瓷軸承、磁懸浮軸承和液體動靜壓軸承三種形式。磁懸浮軸承是用電磁力將主軸無機械接觸地懸浮起來的智能化軸承。它的高速性能好、精度高、易實現(xiàn)實時診斷和在線監(jiān)控，是高速加工機床主軸理想的支承元件，但它的電磁測控系統(tǒng)非常復雜，因而價格十分昂貴，使它的使用受到限制。液體動靜壓軸承采用流體動力和流體靜力相結合的方法，使主軸在油膜支撐中旋轉，具有徑向和軸向跳動精度高、剛性好、阻尼特性好、粗精加工均適用、軸承壽命無限長等優(yōu)點，受到ingersoll公司的大力推崇。但它必須根據(jù)具體機床專門設計、生產，無通用性，維護保養(yǎng)也困難。目前，在高速加工機床主軸上使用最多的是混合陶瓷磁承（氮化硅制的滾珠與鋼制軌道）。由于氮化硅（Si3N4）的密度只有鋼的40%，熱膨脹系數(shù)只有鋼的1/5，而彈性模量是鋼的1.5倍，硬度是鋼的2.3倍，因而混合陶瓷軸承在高速轉動時離心力小、剛性好、溫升低、壽命長。同時，與前兩種軸承比較，它的標準化程度高，對機床的改動小，便于維護，價格要低得多。

2.高速伺服系統(tǒng)

為了實現(xiàn)高速加工，機床不單要有高速主軸，還要有高速的伺服系統(tǒng)。這不僅是為了提高生產效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件，否則會造成刀具的急劇磨損與溫升，破壞工件加工的表面質量。同時，由于機床的直線行程都較短，因此只有在瞬間達到高速和在高速中瞬間準停，高速直線運動才有實際意義。它不但要求進給部件速度高，而且要求加、減速度也大?，F(xiàn)在，高速機床上實現(xiàn)高加速度直線運動有兩種途徑，一是采用滾珠絲杠傳動，一是采用直線電機傳動。滾珠絲杠傳動能達到的加速度不再是原來概念中的0.1～0.3g，而是0.5～1g（與移動部件質量有關）。能達到高的加速度是因為制造商采取了以下措施：

(1)加大滾珠絲杠直徑以提高其剛度，且絲杠中心做成空心，以便通以冷卻液降溫。

(2)選用大額定扭矩的伺服電機。為了更加合理地利用伺服電機，采用多線（2或3線）大導程滾珠絲杠。

(3)個別軸上采用雙伺服電機和雙滾珠絲杠同步傳動。

3.高速CNC系統(tǒng)

高速切削要求CNC系統(tǒng)具有快速數(shù)據(jù)處理能力和功能化程度高的特征，因此，許多高速切削機床的CNC控制系統(tǒng)采用多個CPU，達32位甚至64位，同時配置功能強大的后置處理軟件。如幾何補償軟件已被應用于高速CNC系統(tǒng)，它具有加速預插補、前饋控制、鐘形加減速、精確失量補償和最佳拐角減速度控制等功能，使工件加工質量在高速切削時得到了明顯改善。8.2.2高速切削機床

高速切削要獲得良好的應用效果，必須將高性能的高速切削機床、與工件材料相適應的刀具和對于具體加工對象最佳的加工工藝技術相結合。高速切削機床是高速切削應用的基本條件。

高速銑床的主軸轉速一般在18000r/m以上，30000～60000r/m也已在工業(yè)中實際應用，功率在十幾至幾十千瓦，高速狀態(tài)下達到最大功率，但扭矩降到最小，同時許用的銑刀直徑也將減小。高動態(tài)的進給驅動直線工作進給速度一般在20～40m/min，采用直線電機的驅動速度在60～120m/min，加速度為1～2g。回轉工作臺速度可達360r/m，回轉加速度達47°/s。2.基本滿足高速五坐標聯(lián)動加工。

機床主軸和床身要有良好的剛性、優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能。人造大理石床身具有很高的熱穩(wěn)定性、良好的吸振性能，并能根據(jù)需要制作最合理的機床結構。研究表明，人造大理石的吸振性是鑄鐵的6倍左右。

具有快速數(shù)據(jù)處理能力的CNC控制系統(tǒng)是高速機床的必要保證。高速機床CNC控制系統(tǒng)的有關技術包括：前視技術、大容量內存和ETH－ERNET通信等技術是高數(shù)據(jù)處理速度的基礎；NURBS曲線插補為復雜曲面提供了短程序段和光滑插補解決方案；數(shù)字驅動克服了模擬控制微量的時間滯后問題；高分辨率反饋技術是高精度加工的保障。8.2.3高速切削刀具

1.高速切削刀具的材料

目前高速切削通常使用的刀具有硬質合金及其涂層刀具、陶瓷刀具以及聚晶金剛石（PCD）刀具和氮化硼系列刀具。

硬質合金涂層刀具基體有較高的韌性和抗彎強度，涂層材料高溫耐磨性好，因此容許采用高進給速度和高切削速度。但受交變切削應力的作用，涂層材料易產生徑向和側向裂紋，致使刃區(qū)涂層剝離，在高速斷續(xù)切削和濕式切削時尤應注意。

陶瓷刀具比硬質合金刀具適應的速度更高,它與金屬親合力小，熱擴散磨損就很小。另外，它的高溫硬度優(yōu)于硬質合金,但它的韌性較差。常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅系陶瓷、金屬陶瓷和晶須強化復合陶瓷。聚晶金剛石刀具（PCD）摩擦系數(shù)低，耐磨粒耐磨性極強，有良好的導熱性，特別適合于難加工材料和粘結性強的有色金屬的高速切削，但價格昂貴。

立方氮化硼（CBN）刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高溫化學穩(wěn)定性，壽命長，適合高速切削淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金、鈦合金及各種熱噴涂材料的加工。由于價格較貴，各國競相開發(fā)六方氮化硼（HBN）和立方氮化硼（CBN）的復合刀具材料（WBN），這些材料具有更好的斷裂韌性，適合于高速斷續(xù)切削淬硬合金鋼材料。

總之，不同的刀具材料適合于不同的工件材料，應根據(jù)具體的工件材料來選擇刀具材料，同時，選擇時還應考慮工件的批量大小。

2.高速切削刀具的幾何結構

訖今為止，還沒有高速切削刀具幾何設計的普遍原理和通用標準。據(jù)一些世界主要公司的高速切削刀片的規(guī)格和有關資料介紹，高速切削與普通切削刀具前、后角相比，一般高速切削比普通切削的前角約小10°，后角約大5°～8°，而高速切削不同種類材料時，刀具前、后角的增減規(guī)律與普通切削的規(guī)律相同。切削刃邊界的缺口破損和刀尖處的熱磨損是高速切削刀具的主要特征之一。因此，主、副刀刃在刀尖處應逐漸過渡，增大刀尖角，加大刀尖區(qū)切削刃的長度和刀具材料的體積。而在刃形設計時應使邊界處的切削厚度逐漸減薄，以減緩邊界處的應力梯度和溫度梯度。同時，高速切削刀具的切削部分應盡量短，以提高刀具的剛性和減小刀刃破損的概率。

高速切削刀具不僅在耐用度和可靠性方面比常規(guī)加工有更高的要求，在刀具系統(tǒng)的安全性方面也有特殊的要求。從提高耐用度和可靠性角度需要考慮：

①刀具基體與涂層材料；

②刀尖幾何結構；

③刀刃數(shù)和刀桿伸出量；

④切削用量；

⑤走刀方式；

⑥冷卻條件；

⑦刀具與工件材料匹配。

從提高使用安全性方面需要考慮：

①刀具系統(tǒng)強度與尺寸；

②刀桿與機床的夾持方式；

③刀片夾緊方式；

④刀具動平衡。

3.刀柄結構

刀柄是高速切削的關鍵部件之一。高速切削時,既要保證加工精度，又要保證很高的生產效率，所以刀柄須滿足下列要求：

①高的幾何精度和裝夾重復精度；

②高的裝夾剛度；

③高速運轉時的安全可靠性。

刀柄與主軸的連接，在大多數(shù)高速切削機床上以圓錐空心柄(HSK)為主。它是德國工業(yè)界聯(lián)合研究的成果，目前已列入國際標準。它以其端面及1∶10錐度的空心錐套作雙重定位，與以往常用的7∶24錐柄相比，有如下優(yōu)點：刀柄與主軸的連接，在大多數(shù)高速切削機床上以圓錐空心柄(HSK)為主。它是德國工業(yè)界聯(lián)合研究的成果，目前已列入國際標準。它以其端面及1∶10錐度的空心錐套作雙重定位，與以往常用的7∶24錐柄相比，有如下優(yōu)點：

①重量減少約50%；

②重復使用時裝夾和定位精度高；

③剛度高,并可傳送大的轉矩；

④裝夾力隨轉速升高而加大。由于高速切削高轉速和快進給等特點，除了良好的耐磨性和高的強度韌性的先進刀具材料、優(yōu)良的刀具涂層技術、合理的幾何結構參數(shù)和高同心度的刀刃精度質量等因素外，還需特別注意其他因素對刀具耐用度的影響。不同刀具伸出量對切削路徑長度也有影響，伸出量越短，耐用度越高。一般情況下，順銑的耐用度高于逆銑，而往復銑的耐用度最低。

鋁合金高速銑削通常用雙刃銑刀，過多的刀刃會減少容屑空間，容易引起切屑粘刀。為避開共振頻率，也可采用三刃銑刀以增加沖擊頻率。鋁合金加工容易產生積屑瘤，這對高速銑削非常有害。要減少積屑瘤的產生，刀具表面要平滑；避免采用物理氣相沉積(PVD)涂層刀具，因為TiAlN涂層很易與鋁產生化學反應，可以選用非涂層刀具、細晶金剛石涂層或類金剛石涂層刀具；如有可能，盡量采用油霧刀具內冷進行冷卻潤滑。高速銑削刀具結構對刀具耐用度和安全性均有很大影響，關鍵要點包括刀具系統(tǒng)的平衡設計；減少徑向和軸向跳動；控制動平衡精度；與機床連接普遍采用HSK刀柄或類似雙面接觸短錐刀柄。刀具的夾緊最新趨勢是采用冷縮式夾緊結構(或稱熱裝式)，裝夾時利用感應或熱風加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具。裝入新刀具，然后采用風冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合夾緊。這種結構刀具的徑向跳動在4μm，剛性高，動平衡性好，夾緊力大，高轉速下仍能保持高的夾緊可靠性，特別適用于更高轉速的高速銑削加工。 8.3高速切削工藝

8.3.1高速切削工藝內容

高速切削工藝主要包括：適合高速切削的加工走刀方式、專門的CAD/CAM編程策略、優(yōu)化的高速加工參數(shù)、充分冷卻潤滑并具有環(huán)保特性的冷卻方式等。

高速切削的加工方式原則上多采用分層環(huán)切加工。直接垂直向下進刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不宜采用。斜線軌跡進刀方式的銑削力是逐漸加大的，因此對刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。螺旋式軌跡進刀方式采用螺旋向下切入，最適合型腔高速加工的需要。

CAD/CAM編程原則是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進給速率變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：盡可能縮小程序塊，提高程序處理速度；在程序段中可加入一些圓弧過渡段，盡可能減少速度的急劇變化；粗加工不是簡單的去除材料，要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，盡可能減少銑削負荷的變化；多采用分層順銑方式；切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進行切向進刀，以保證恒定的切削條件；充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真、驗證的功能。零件在加工前必須經過仿真，以驗證刀位數(shù)據(jù)的正確性、刀具各部位是否與零件發(fā)生干涉及刀具與夾具附件是否發(fā)生碰撞，確保產品質量和操作安全。高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異，目前尚無完整的加工數(shù)據(jù)。通常，隨著切削速度的提高，加工效率的提高，刀具磨損會加劇。除較高的每齒進給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。對于刀具壽命，每齒進給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對較窄。高速銑削參數(shù)一般的選擇原則是高的切削速度、中等的每齒進給量fz、較小的軸向切深ap和適當大的徑向切深ae。在高速銑削時，由于金屬去除率和切削熱的增加，冷削介質必須具備將切屑快速沖離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的能力。常規(guī)的冷卻液及加注方式很難進入加工區(qū)域，反而會加大銑刀刃在切入、切出過程的溫度變化，產生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性?，F(xiàn)代刀具材料，如硬質合金、涂層刀具、陶瓷和金屬陶瓷、CBN等具有較高的紅硬性，如果不能解決熱疲勞問題，可不使用冷卻液。微量油霧冷卻一方面可以減小刀具—切屑—工件之間的摩擦，另一方面細小的油霧粒子在接觸到刀具表面時快速氣化的換熱方式較冷卻液熱傳導的換熱方式能帶走更多的熱量，目前已成為高速切削首選的冷卻介質。

氮氣油霧冷卻介質在鈦合金的高速銑削中取得了很好的效果。氮氣油霧冷卻介質除具有空氣油霧的冷卻潤滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用。在33m/min的銑削速度時，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高60%，銑削力可降低20%～30%。8.3.2高速切削工藝實現(xiàn)

1.高速切削加工對機床的要求

(1)機床的功率必須足夠大，而且主軸加速度大，以滿足在加工時對機床功率速度變化的需求。

(2)機床必須配備結構緊湊的高速主軸，高速進給絲杠，高速、高精度的插補系統(tǒng)，快速響應數(shù)控系統(tǒng)和高精度的伺服系統(tǒng)。主軸的軸向竄動和徑向跳動小，并具有良好的動平衡性能。

(3)機床必須配備實心的臺架，有效消除切削加工振動，提高機床的穩(wěn)定性。

(4)機床伺服電動機線速度高，并且能提供恒定的速率，速度變化不超過0.01%。

(5)機床數(shù)控系統(tǒng)必須具備程序預讀、轉角自動減速、優(yōu)化插補、可適用于通用計算平臺等功能，如西門子840D/840E、FANUC150i等系統(tǒng)。

2.高速切削加工對刀具的要求

高速切削加工刀具的結構必須保證高速旋轉狀態(tài)下的刀具動平衡，并確保刀具壽命。為保證高速旋轉狀態(tài)下刀具能夠繞軸線穩(wěn)定旋轉，目前采用兩種辦法，一是采用帶有動平衡裝置的刀具，此類刀具在刀套表面安裝了機械滑塊或采用流體動平衡設計；另外一種就是采用整體刀具，刀套與刀體合為一體，以確保刀體與刀套安裝過程中安裝間隙最小。

高速切削加工刀具的材料必須具有較長的使用壽命，常使用涂層刀具，如TiN、TiNC、TiAlN及金剛石涂層刀具。因PCD和CBN刀具的高耐磨性和壽命，常用作高速切削加工刀具。

3.高速加工對切削參數(shù)的要求

高速加工的切削參數(shù)宜采用更高的切削速度，精加工時更少的加工余量、更密的刀軌以及更小的切深。特別是在自由曲面上，切深一般在0.02～0.1mm，如果使用細小直徑刀具，如0.3～0.8mm直徑的刀具時，切深應更小，—般情況下為0.008～0.02mm。精細緊密的刀軌會極大地降低加工表面的粗糙度值。在主軸轉速一定的情況下，要注意控制切削深度，包括刀具的軸向切削深度和刀具的徑向切削深度。粗加工時，使用軸向小切深，多次分層切削出加工余量；精加工時，采用小余量高速切削。

刀具路徑連接參數(shù)也很重要，合理制訂連接參數(shù)，特別是粗加工合理的連接參數(shù)，可以大大減少不必要的抬刀，提高加工效率。應盡量減少掠過距離、下切距離和斜向進刀時的進刀高度。

4.高速加工對編程的要求

編程時應選擇合適的走刀方法，克服因改變進給方向時機床慣性對加工質量的影響，以生成安全、有效和精確的刀具路徑和理想的曲面精度。盡量在空走刀的時候換向，不在切削刀具處于切削狀態(tài)的時候改變方向，且在改變進給方向之前降低進給速度。在兩層之間加工最好選擇螺旋線的方式進行銑切，盡量不要直接下刀。在加工型腔等特殊形狀時，由于刀具沒有辦法導出，因此，在編程時轉角部分應盡量采用圓弧過渡，以使轉向變得盡量平穩(wěn)。如果能在轉角的時候適當降低進給速度，效果就會更好。刀具在工件內部進刀時，應該始終以螺旋線或最大角度5°的斜線進刀。另外，編制工藝流程時，要盡量保持切削條件恒定。因為不同的刀具載荷會使得刀具產生偏差，這會降低工件精度、曲面精度和刀具壽命。在雙向加工中，連續(xù)的刀路軌跡應用圓環(huán)連接，在加工矩形轉角時，應盡可能地減少加速和減速。

5.高速切削加工對CAD的要求

高速切削加工過程始于設計階段。在零件建模時，應設定適當?shù)膸缀喂?，或恰當?shù)募舨们?，以防止?shù)據(jù)轉換丟失而造成表面的分段、斷裂和輪廓錯誤。應采用能實現(xiàn)CNC與CAD/CAM之間雙向無縫連接的曲面數(shù)據(jù)轉換標準，如1997年歐共體提出的新標準STEP，以消除數(shù)據(jù)不兼容情況。

6.高速加工對CAM的要求

對于高速銑削，CAM必須更改其加工策略，以生成安全、有效和精確的刀具路徑及理想的曲面精度。因此,在加工過程中，認真地考慮每個加工因素是非常重要的，最好是所使用的CAM系統(tǒng)具有這樣的分析功能。此外，自動特征識別、高速加工支持、進給速率優(yōu)化、自動收集最佳慣量等功能均是應該具備的。其他還有以下幾個方面要求：

(1)CAM應具有很高的計算編程速度。

(2)能夠對加工干涉進行檢驗。

(3)具有進給率優(yōu)化功能。

(4)具有符合加工要求的豐富的加工策略。

(5)應保持刀具軌跡的平穩(wěn)。

(6)應具有自動識別粗加工剩余材料的功能。

(7)具有高速精確的模擬加工功能。8.3.3高速銑削加工工藝

1.粗加工

粗加工的目標是追求單位時間的最大切除量，表面質量和輪廓精度要求不高，重要的是讓機床平穩(wěn)地工作，避免切削方向和載荷急劇變化。

為了防止切削時速度矢量方向的突然改變，在刀軌拐角處需要增加圓弧過渡，避免出現(xiàn)尖銳拐角。所有進刀、退刀、步距和非切削運動的過