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高 速切削加工高速切削加工(HSM或HSC)的概念源于德国的切削物理学家萨洛蒙(Carl J.Salomon)<1>,认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度,其切削温度最高。在常规切削范围内,切削温度随着切削速度的增大而 提高,当切削速度到达临界切削速度后,切削速度再增大,切削温度反而下降,切削力也会大幅度下降。按照他的假设,在具有一定速度的高速区进行切削加工,会 有比较低的切削温度和比较小的切削力,不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削,从而大幅度地减少切削时间,成倍地提高机床的生产率,且还将给切削过程带来 一系列的优良特性。高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义,但是,通常把切削速度比常规高出5~10倍以上的切削加工叫高速切削加工。按加 工工艺规定的高速切削范围:车削(700~ 7000)m/min;铣削(300~6000)m/min;钻削(200~1100)m/ min;磨削(9000~21600)m/min。按材料划定高速切削范围:镍基合金70m /min以上,钛合金120m/min以上,钢材380m/min以上,铸铁700m/mi n以上,铝材1100m/min以上,塑料1150m/min以上。2高速切削加工的特点高速切削加工与传统的切削加工主要区别在于主轴转速、进给速度、 加工速度和切削参数等方面。高速切削加工采用高转速、快进给、快的加工速度和小切削参数;而传统数控加工采用低转速、低进给、低的加工速度和大切削参数。 高速切削加工具有下列特点<1,2>。(1)高速切削大大提高了加工效率,缩短了加工时间。与传统切削方法相比,高速切削进给速度提高 (5~10)倍, 单位时间的材料切除率提高(3~6)倍,甚至更高,大大提高了能源和设备的利用率;的(4~ 5)倍。在RB625超高速外圆磨床上由毛坯直接磨成曲轴,每分钟可磨除2kg金属,是普通外圆磨床的磨削量的数十倍。(2)刀具和工件受热影响小。 95%~98%的切削热被切屑带走 ,工件基本保持冷态。实验证明当切削速度超过600m/min后,切削时工件温度的上升在大多数情况下不会超过3℃,故特别适合加工易产生热变形的零件。 (3)工件表面质量好。由于切屑在瞬间切离工件,使得工件表面的残余应力非常小;同时由于高速切削机床的激振频率远远高于机床的高阶固有频率,使得工件加 工往往处于“无振动”的切削状态,因而能获得较好的表面质量。采用高速车削可加工淬硬钢,表面粗糙度Ra可低于0.6μm;以1325m/min的速度铣 削灰铸铁工件,获得的表面粗糙度Ra仅为0.53μm,取得了以铣代磨,以车代磨的加工效果,节约了大量磨削抛光时间。(4)“有利于薄壁零件加工”。由 于切削速度高,切削参数小, 切削力降低30%~90%,尤其是径向力大幅减小,特别适用于薄壁细肋件的高速精密加工。国外采用数控高速切削加工技术加工铝合金、钛合金薄壁零件的最小 壁厚可达0.005mm。(5 )高速切削可加工各种难加工材料。对于镍基合金和钛合金使用传统加工方法,切削温度高,刀具磨损严重,而采用高速切削加工,切削速度可达(100- 1000)m/min,可有效减少刀具磨损,提高加工质量。对于硬脆材料和高塑性材料,采用高速切削加工亦可得到较满意的加工质量。3高速切削加工技术的 应用要求高速切削加工时,高转速和快进给,机床设备、工件和切削刀具的状态与普通切削加工时差异很大,对机床、刀具、控制系统、编程、工艺流程、设计系统 等都有更高的要求<3,4>。3.1高速切削加工对机床的要求(1)机床的功率必须足够大,而且主轴加速度大,以满足在加工时对机床功率速度 变化的需求。(2)机床必须配备结构紧凑的高速主轴,高速进给丝杠,高速、高精度的插补系统,快速响应数控系统和高精度的伺服系统。主轴的轴向窜动和径向 跳动小,并具有良好的动平衡性能。(3)机床必须配备实心的台架,有效消除切削加工振动,提高机床的稳定性。(4)机床伺服电动机线速度高,并且能提供恒 定的速率,速度变化不超过0.O1%。(5)机床数控系统必须具备程序预读、转角自动减速、优化插补、可适用于通用计算平台等功能,如西门子 840D/840E,FANUC150i等系统。3.2高速切削加工对刀具的要求高速切削加工刀具的结构必须保证高速旋转状态下的刀具动平衡,并确保刀具 寿命。为保证高速旋转状态下刀具能够绕轴线稳定旋转,目前采用两种办法,一是采用带有动平衡装置的刀具,此类刀具在刀套表面安装了机械滑块或采用流体动平 衡设计;另外一种就是采用整体刀具,刀套与刀体合为一体,以确保刀体与刀套安装过程中安装间隙最小。高速切削加工刀具的材料,必须具有较长的使用寿命。常 使用涂层刀具,如TiN、TiNC、TiAlN及金刚石涂层刀具。因PCD和CBN刀具的高耐磨性和寿命,常用作高速切削加工刀具。3.3高速加工对切削 参数的要求高速加工的切削参数宜采用更高的切削速度,精加工时更少的加工余量,更密的刀轨以及更小的切深,特别是在自由曲面上,切深一般在 (0.02~0.1)mm,如果使用细小直径刀具,如(0.3~0.8)mm直径的刀具时,切深应更小,—般情况下为(0.008 ~0.02)mm,精细紧密的刀轨会极大地降低加工表面的粗糙度值。在主轴转速一定的情况下 ,要注意控制切削深度,包括刀具的轴向切削深度和刀具的径向切削深度。粗加工,使用轴向小切深,多次分层切削出加工余量,精加工,小余量高速切削。刀具路 径连接参数也很重要,合理制订连接参数,特别是粗加工合理的连接参数,可以大大减少不必要的抬刀,提高加工效率,应尽量减少掠过距离、下切距离和斜向进刀 时的进刀高度。3.4高速加工对编程的要求选择合适的走刀方法,克服因改变进给方向时机床惯性对加工质量的影响,以生成安全、有效和精确的刀具路径和理想 的曲面精度。尽量在空走刀的时候换向,不在切削刀具处于切削状态的时候改变方向,且在改变进给方向之前降低进给速度。在两层之间加工最好选择螺旋线的方式 进行铣切的方式,尽量不要直接下刀。在加工型腔等特殊形状时,由于刀具没有办法导出,因此,在编程时转角部分应尽量采用圆弧过渡,以使转向变得尽量平稳。 如果能在转角的时候适当降低进给速度,效果就会更好。刀具在工件内部进刀时,应该始终以螺旋线或最大角度5°的斜线进刀。另外,编制工艺流程时,要尽量保 持切削条件恒定。因为,不同刀具载荷能够引起刀具产生偏差,这会降低工件精度、曲面精度和刀具寿命。在双向加工中,连续的刀路轨迹应用圆环连接,在加工矩 形转角时,应尽可能地减少加速和减速。3.5高速切削加工对CAD的要求高速切削加工过程始于设计阶段。在零件建模时 ,设定适当的几何公差,或恰当的剪裁曲面,以防止数据转换丢失而造成表面的分段、断裂和轮廓度。因此,在加工过程中认真地考虑每个加工因素是非常重要的, 最好是所使用的CAM系统具有这样的分析功能。此外,自动特征识别、高速加工支持、进给速率优化、自动收集最佳惯量等功能均是应该具备的,其他还有以下几 个方面要求:(1)CAM应具有很高的计算编程速度,(2) 能够对加工干涉进行检验,(3)具有进给率优化功能,(4)具有符合加工要求的丰富的加工策略,(5)应保持刀具轨迹的平稳,(6)应具有自动识别粗加工 剩余材料的功能,(7)具有高速精确的模拟加工功能。4结语高速切削加工技术是现代的先进制造技术,它可以大幅度地提高生产效率和加工质量,并有效地降低 能耗和加工成本。高速切削加工技术的有效运用,对机床、刀具、控制系统、编程、工艺流程、设计系统等都有更高的要求。
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