切削关键技术分析

切削关键技术分析

金守山曲少奎刘立

金守山曲少奎刘立（黑龙江牡丹江157000）

摘要：随着国民经济的高速发展，机械制造业的各类先进加工技术也在不断的创新。本文分析了高速切削加工关键技术及特点，为同行提供参考。

关键词：切削加工；特点；技术

随着科技进步和工业的飞速发展，模具已经成为当今工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备。模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达500亿元的规模，我国模具制造市场潜力巨大。模具是一种专用工具，用于成形（型）各种金属或非金属材料所需要零件的形状制品，这种专用工具统称模具。模具是工业生产中最基础的设备，是实现少切削和无切削的不可缺少的工具。正因为模具应用如此广泛，与之相关的模具制造技术也有了很大的发展。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势。

1高速切削加工技术概述

高速切削是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性，使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高，并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样，高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前，适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势，我国近来也在加快发展。

2高速切削加工关键技术

为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动，同时保证高精度（定位精度±0.005mm），性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。高速主轴是高速切削加工机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温，一般可控制在20~25℃范围内某一设定温度，精度为±0.7℃，同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件，否则会造成刀具的急剧磨损与升温，破坏工件加工的表面质量。直线电机伺服系统，直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1g的情况下，是伺服系统的唯一选择。滚珠丝杠驱动装置，滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置，用AC伺服电机直接驱动，并采用液压轴承，进给速度可达4060m/min，其加速度可超过0.6g，成本较低，仅为直线电机的1/2.5。高精度快速进给系统，提高高速切削进给速度是提升加工效率所必须的。目前高速切削加工中心的切削进给速度一般为20~40m/s。要实现并准确控制这样高的进给速度，对高速切削加工中心导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。随着电机技术的发展，先进的直线电动机已经问世，并成功应用于CNC机床。先进的直线电动机驱动使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题，加快了伺服响应速度，提高了伺服控制精度和机床加工精度。直线电机具有很高的加速和减速特性，加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10~20倍，进给速度是传统的4~5倍。高性能控制系统，高速切削机床优良的力学性能，必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴，高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控（CNC）系统必须具有很高的运算速度和精度，以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的CNC系统多得多，就要求前者的计算处理容量和速度大大提高，其CNC系统的硬件，采用功能强大的个人计算机配置。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能，数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等，使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地，伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化，使伺服系统与CNC系统在A/D和D/A转换中不会有丢失或延迟现象，尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用，该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度，从而保证了高进给速度加工的要求。

3高速切削加工技术的特点

高速切削的加工效率高，高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5~10倍，单位时间材料切除率可提高3~6倍，加工时间可大大减少，这样可以用于加工需要大量切除金属的零件。高速切削的切削力小，和常规切削相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。高速切削的切削热对工件的影响小，高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削有一定意义。高速切削的加工精度高，因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力太小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，另外也使得刀具工件间的摩擦变小，切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。高速切削使加工工序简化，由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削条件下，可以对硬表面进行加工，尤其是对硬度在HRC40~60之间的高硬度进行铣削，可以部分取代电火花加工，这一点对于模具加工具有十分重要的意义。

4高速切削加工技术存在的问题

高速切削加工技术是切削加工技术发展的主要方向之一，它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件、CAD/CAM等基础技术的发展外，自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题，如刀具磨损严重，高速切削刀具切入切出时破损问题，高速切削用刀具材料价格昂贵，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具夹持要牢靠安全，主轴系统昂贵且寿命短，而且所用高速加工机床及其控制系统价格昂贵，使得高速切削的一次性投入较大，这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。

5结论

高速切削加工技术是先进的制造技术，有广阔的应用前景。用高速切削加工代替EDM（或大部分代替）是加快模具开发速度，实现工艺换代的重大举措。推广应用高速切削加工技术应用于模具制造业，不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本，而且可以带动一系列高新技术产业的发展。因此，当前加强高速切削技术的基础研究，建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准，提高机床和工具行业的开发创新能力，加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与应用是当前机械加工的关键问题。