高速切削技術(shù)簡介

來源：張軍技能大師工作室

一、概念：高速切削是一個(gè)相對(duì)概念，是相對(duì)常規(guī)切削而言，用較高的切削速度對(duì)工件進(jìn)行切削。一般認(rèn)為應(yīng)是常規(guī)切削速度的5～10倍。高速切削的速度范圍與加工方法和工件材料密切相關(guān)。

二、高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域：

1、航空航天工業(yè)輕合金的加工：飛機(jī)上的零件通常采用“整體制造法”，其金屬切除量相當(dāng)大（一般在70％以上），采用高速切削可以大大縮短切削時(shí)間。

2、模具制造業(yè)：型腔加工同樣有很大的金屬切除量，過去一直為電加工所壟斷，其加工效率低。

3、汽車工業(yè)：對(duì)技術(shù)變化較快的汽車零件，采用高速加工。（過去多用組合機(jī)加  工，柔性差）

4、難加工材料的加工（如：Ni基高溫合金和Ti合金）。

5、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工。

6、精密零件加工、薄壁易變形零件的加工。

三、高速加工刀柄（hsk）展示

四、高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)

高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對(duì)于相關(guān)技術(shù)要求較高，使其應(yīng)用受到限制。與高速加工密切相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高速加工刀具與磨具制造技術(shù)；高速主軸單元制造技術(shù)；高速進(jìn)給單元制造技術(shù)；高速加工在線檢測(cè)與控制技術(shù)；其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加工的排屑技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等。此外，高速切削與磨削機(jī)理的研究，對(duì)于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。

1.高速主軸系統(tǒng)

高速主軸系統(tǒng)是高速切削技術(shù)Z重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主軸轉(zhuǎn)速在15000-30000rpm的加工中心越來越普及，已經(jīng)有轉(zhuǎn)速高達(dá)100000-150000rpm的加工中心。高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會(huì)引起熱變形和高溫，所以必須嚴(yán)格控制，為此對(duì)高速主軸提出如下性能要求：(1) 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、可避免振動(dòng)和噪音和良好的起、停性能；(2) 足夠的剛性和高的回轉(zhuǎn)精度；(3) 良好的熱穩(wěn)定性；(4) 大功率；(5)先進(jìn)的潤滑和冷卻系統(tǒng)；(6) 可靠的主軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

高速主軸為滿足上述性能要求，結(jié)構(gòu)上幾乎全部是交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的“內(nèi)裝電機(jī)”集成化結(jié)構(gòu)，減少傳動(dòng)部件，具有更高的可靠性。高速主軸要求在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速。為此，將主軸電機(jī)和主軸合二為一，制成電主軸，實(shí)現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。

軸承是決定主軸壽命和負(fù)荷容量的關(guān)鍵部件。為了適應(yīng)高速切削加工，高速切削機(jī)床的主軸設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術(shù)。目前高速主軸主要采用：陶瓷軸承、磁懸浮軸承、空氣軸承和液體動(dòng)、靜壓軸承等。主軸軸承潤滑對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用，高速主軸一般采用油、空氣潤滑或噴油潤滑。

2.快速進(jìn)給系統(tǒng)

高速切削時(shí)，為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅度地提高。目前切削進(jìn)給速度一般為30-60m/min，Z高達(dá)120m/min，要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣高的進(jìn)給速度，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的要求。

高速加工機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)快速的進(jìn)給加減速才有意義。為了適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高速化的要求，主要采用了如下措施：1）采用新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積很小，其摩擦系數(shù)僅為槽式導(dǎo)軌的1/20左右。而且，使用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后，“爬行”現(xiàn)象可大大降低；2）高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用的是小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠，或粗螺距多頭滾珠絲杠，其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速度。3）高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化，使伺服系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)在A/D一D/A轉(zhuǎn)換中不會(huì)有丟失或延遲現(xiàn)象。高速切削機(jī)床正開始采用全數(shù)字交流伺服電機(jī)和控制技術(shù)，保證了快進(jìn)給速度的加工要求。4）為了盡量減輕工作臺(tái)重量但又不損失工作臺(tái)的剛度，高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。5）為提高進(jìn)給速度，更先進(jìn)、更高速的直線電機(jī)已經(jīng)發(fā)展起來。直線電機(jī)消除了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、彈性變形等問題，減少了傳動(dòng)摩擦力，幾乎沒有反向間隙。直線電機(jī)具有高加、減速特性，加速度可達(dá)2g ，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的4-5倍，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有單位面積推力大、可產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)不需維護(hù)等明顯優(yōu)點(diǎn)。

3.高速切削對(duì)刀具材料的要求

高可靠性：高速切削時(shí)速度和自動(dòng)化程度高，要求刀具應(yīng)具有很高的可靠性。并要求刀具的壽命高，質(zhì)量一致性好，切削刃的重復(fù)精度高。如果刀具可靠性差，將會(huì)增加換刀時(shí)間，降低生產(chǎn)率。刀具?靠性差還將產(chǎn)生廢品，損壞機(jī)床與設(shè)備，甚至造成人員傷亡。解決刀具可靠性問題，成為高速切削加工成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在選擇高速切削刀具時(shí)，除?要考慮刀具材料的可靠性外，還應(yīng)考慮刀具的結(jié)構(gòu)和夾固的可靠性。

高的耐熱性、抗熱沖擊性能和良好的高溫力學(xué)性能。切削速度的增大，往往會(huì)導(dǎo)致切削溫度的急劇升高。因此，要求刀具材料具有很高的高溫力學(xué)性能，如：高溫強(qiáng)度、高溫硬度、高溫韌性等。同時(shí)，還要求刀具材料的熔點(diǎn)高、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性能強(qiáng)。

刀具應(yīng)具有很好的斷屑、卷屑和排屑性能。切削塑性材料時(shí)切屑的折斷與卷曲，常常是決定數(shù)控加工能否正常進(jìn)行的重要因素。因此，刀具必須具有很好的斷屑、卷屑和排屑性能。要求切屑不能纏繞在刀具或工件上、切屑不影響工件的已加工表面、不妨礙冷卻澆注效果。一般都采取了一定的斷屑措施(如：可靠的斷屑槽型、斷屑臺(tái)和斷屑器等)，以便可靠的斷屑或卷屑。

刀具材料應(yīng)能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工程材料提出了愈來愈高的要求，各種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕和耐高溫的工程材料愈來愈多的被采用。它們中多數(shù)屬于難加工材料，目前難加工材料已占工件的40％以上。因此，高速切削加工刀具應(yīng)能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要。同時(shí)，由于可持續(xù)發(fā)展的要求，還要求高速切削時(shí)不污染環(huán)境。

刀具材料對(duì)高速切削加工技術(shù)的發(fā)展具有決定性意義。目前已發(fā)展的刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、TiCN基硬質(zhì)合金刀具（金屬陶瓷）、涂層刀具和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等。

金剛石刀具主要用于高速加工鋁、銅及其合金等有色金屬和非金屬材料以及鈦和鈦合金。立方氮化硼和陶瓷刀具主要適于高速加工鑄鐵及其合金和淬硬鋼以及鎳基合金等高溫合金。

陶瓷刀具、TiCN基硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具等適于高速加工鋼及其合金。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金適于小尺寸整體刀具，高速加工孔、攻絲和齒輪，也可以較高速度加工鈦及其合金和高溫合金等超級(jí)合金。

4.高速切削刀具結(jié)構(gòu)

高速切削刀具結(jié)構(gòu)主要有整體和鋃齒兩類。鋃齒刀具主要采用機(jī)夾結(jié)構(gòu)。高速回轉(zhuǎn)刀具由于高速引起離心力作用，會(huì)造成刀體和刀片夾緊結(jié)構(gòu)破壞以及刀片破裂或甩掉，所以刀體和夾緊結(jié)構(gòu)必須有高的強(qiáng)度與斷裂韌性和剛性，保證安全可靠。

刀體重量盡量輕以減少離心力，如鋁合金刀體的金剛石面銑刀。高速回轉(zhuǎn)刀具必須進(jìn)行動(dòng)平衡，以滿足平衡品質(zhì)的要求。

5.高速切削刀柄系統(tǒng)

刀柄是高速切削加工的一個(gè)關(guān)鍵部件，它傳遞機(jī)床的動(dòng)力和精度。

刀柄一端是機(jī)床主軸，另一端是刀具。高速切削加工時(shí)既要保證加工精度，又要保證高的生產(chǎn)率，還要保證安全可靠。所以，高速切削刀具系統(tǒng)必須滿足下列要求：

1) 很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度；2) 很高的裝夾剛度；3) 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)安全可靠。

加工中心主軸與刀具的連接大多采用7:24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng)，ISO、CAT、DIN、BT等都屬此類，這種刀柄存在以下不足：

①剛性不足：不能實(shí)現(xiàn)與主軸端面和內(nèi)錐面同時(shí)定位。當(dāng)拉力增大4-8倍時(shí)，聯(lián)結(jié)的剛度可提高20％-50％，但是，過大的拉力在頻繁換刀過程中會(huì)加速主軸內(nèi)孔的磨損。高速主軸的前端錐孔由于離心力的作用會(huì)膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉(zhuǎn)半徑與轉(zhuǎn)速的增大而增大。因此，要保證這種聯(lián)結(jié)在高速下仍有可靠的接觸，需有一個(gè)很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸軸端的膨脹。

②ATC(自動(dòng)換刀)的重復(fù)精度不穩(wěn)定：每次自動(dòng)換刀后刀具的徑向尺寸可能發(fā)生變化。

③軸向尺寸不穩(wěn)定：主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因受離心力的作用內(nèi)孔會(huì)增大，使刀具軸向尺寸發(fā)生變化，在拉桿拉力的作用下，刀具的軸向位置會(huì)發(fā)生改變。

④刀柄錐度較大，錐柄較長，不利于快速換刀及機(jī)床小型化。

⑤主軸的膨脹還會(huì)引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動(dòng)平衡。標(biāo)準(zhǔn)的7:24錐柄較長，很難實(shí)現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合面前段70％以上接觸，因此配合面后段會(huì)有一定的間隙，該間隙會(huì)引起刀具徑向跳動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。

針對(duì)這些問題，為提高刀具與機(jī)床主軸的連接剛性和裝夾精度，適應(yīng)高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了刀柄與主軸內(nèi)孔錐面和端面同時(shí)貼緊的兩面定位的刀柄。

兩面定位刀柄主要有兩大類：一類是對(duì)現(xiàn)有7:24錐度刀柄進(jìn)行的改進(jìn)性設(shè)計(jì)，如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設(shè)計(jì)的1:10中空短錐刀柄系統(tǒng)，有德國開發(fā)的HSK、美國開發(fā)的KM及日本開發(fā)的NC5等幾種形式。HSK刀柄采用1:10的錐度，它以其端面及1:10錐度的空心錐套作雙重定位，與7:24錐柄相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 重量減少約50％；2) 重復(fù)使用時(shí)裝夾和定位精度高；3) 剛度高，并可傳遞大的力矩；4) 裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而增大。

6.高速切削加工的安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

高速切削加工的速度相當(dāng)高，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000rpm時(shí)，若有刀片崩裂，掉下來的刀具碎片就像出膛的子彈。因此，對(duì)高速切削加工引起的安全問題必須充分重視。

從總體上講，高速切削加工?安全保障包括以下諸方面：

1)機(jī)床操作者及機(jī)床周圍現(xiàn)場人員的安全保障；2)避免機(jī)床、刀具、工件及有關(guān)設(shè)施的損傷；3)識(shí)別和避免可能引起重大事故的工?。4)在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面，機(jī)床設(shè)有安全保護(hù)墻和門窗；5)刀片，特別是抗彎強(qiáng)度低的材料制成的機(jī)夾刀片，除結(jié)構(gòu)上防止由離心力作用下產(chǎn)生飛離傾向的保證外，還要作極限轉(zhuǎn)速的測(cè)定；6)刀具夾緊、工件夾緊必須安全可靠，故工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性就變得非常重要。

機(jī)床及切削過程的監(jiān)測(cè)包括：切削力監(jiān)測(cè)以控制刀具磨損，機(jī)床功率監(jiān)測(cè)亦可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)以判別切削參數(shù)與進(jìn)給系統(tǒng)間關(guān)系；刀具破損監(jiān)測(cè)；主軸軸承狀況監(jiān)測(cè)；電器控制系統(tǒng)過程穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等。

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