高速切削加工工艺及应用

撰文:常州兰生公司刀具部       戴军

 1 高速切削工艺

加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。

 ( l ）切削参数的选择

在高速切削加工中，必须对切削参数进行选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣）等．

 ( 2 ）切削路径的选择与优化在高速切削加工中，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，还要采取不同的切削路径才能得到较好的切削效果．

切削路径优化的目的是提高刀具耐用度，提高切削效率，获得最小的加工变形，提高机床走刀利用率，充分发挥高速加工的优势。主要包括:

① 走刀方向的优化在走刀方向的选择上，以曲面平坦性为评价准则，确定不同的走刀

方向选取方案；对于曲率变化大的曲面以最大曲率半径方向为最优进给方向，对曲率变化小的曲面，以单条刀轨平均长度最长为原则选择走刀方向。

② 刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化，尽量走直线，路径尽量光滑的要求选择加

工策略，选择合适的插补方法，保证加工面残留高度的要求，采用过渡圆弧的方法处理加工干涉区，这样在加工时就不需要减速，提高加工效率。

 ③ 柔性加减速和断刀的几率。选取合适的加减速方式，减少启动冲击，保持机床的精度，减少刀具颤振

( 3 ）刀具材料的选择

刀具材料的合理选择遵循以下原则:

① 切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配，主要指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能相匹配

刀具材料的硬度大小顺序为 PCD > PCBN ) AIO 基陶瓷＞ si3N 基陶瓷＞ TIC ( N ）基硬质合金＞ WC 基超细晶粒硬质合金＞高速钢（ HSs )

 刀具材料的抗弯强度的大小顺序为： HSS > WC 基超细晶粒硬质合金＞合金＞ siN ．基陶瓷＞ Al 。基陶瓷＞ PCD > PCBN 。

 断裂韧性的大小顺序为 HSS ) WC 基超级晶粒硬质合金） TIC ( N ）基硬质合金） PCBN > PCD > 51 , N 基陶瓷＞ A12O 基陶瓷。

具有优良高温力学性能的刀具尤其适合高速切削加工。对于硬脆刀具（如硬质合金和陶瓷）的磨损起决定作用的主要因素是其力学性能。

② 切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配，土要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击能力等物理参数要相匹配。加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。对于精密加工则要选用热膨胀系数小的刀具材料（金刚石等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性，要求刀具材料熔点高、导热性能好、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性强。

 ③ 切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能相匹配。各种刀具材料所适合加工的工件材料如表 2 . 所列。

 ( 4 ）干式（准干式）切削技术高速加工中不采用切削液或采用微量的切削液可以带来大量的好处低切削过程对环境的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成本、降低切削过程对环境的危害、提高切屑的回收利用率等.

( 5 ）加工误差综合动态补偿技术

高速切削加工中误差产生的主要原因有伺服系统的滞后、加减速引起的滞后、插补周期引起的形状误差、数控系统的轮廓误差等

目前采用的补偿技术有：温度补偿、象限补偿、丝杠误差补偿、使用非均匀有理 B 样条 ( NuRBs ）插补、纳米插补、加减速预测及控制伺服电机最佳加减速转矩、进行前瞻性控制、刀具长度补偿、刀具中心点及半径补偿、冲击控制等．

高速切削工艺研究是一项很有意义的工作。实践证明如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺作指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用高速切削的工艺和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。这一点在高速机床使用中应特别加以注意.

2 高速切削加工的应用

由于高速切削具备一系列显著优点，因而首先受到航空航天、模具、汽车等行业的青睐航空部门大型整体薄壁飞机结构件加工将普遍采用高速铣削工艺，减轻整机重量，提高飞机整机性能。模具制造业中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高进给速度、小切深、小走刀步距、能连续长路程切削的模具加工新工艺，对淬硬钢的高速铣削成为缩短模具开发周期、降低制造成本的主要途径。汽车制造业将更加积极地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生产。

飞机机体材料 60 % -70 ％为铝合金，而且绝大多数坯料的去除需要切削加工，零件通常采用“整体去除”法制造，即在整块毛坯上去除大量材料后形成高精密度的铝合金复杂构件，其切削时间占整个零件制造总工时的比例很大。对这样的大型、壁薄、加强肋复杂的铝合金零件进行高精度、高效率加工是切削加工技术中的一个难题。采用高速切削加工，可大幅度提高生产效率，切削效率是传统切削的 25 - 28 倍，并可节省经费，降低制造成本。 Marwm Produc tlon System ，公司生产的机床 Automa 可加工规格达 5 mx25m 的整体铝合金薄壁航空零件而专门加工飞机蒙皮的机床长度可达 87m ，能同时加工 6 件空中客车的机冀蒙皮板．目前在航空工业中，使用高速铣削铝合金已经比较普遍，收到了缩短制造周期、提高飞机性能的双重功效。

高速切削加工主耍应用于车削和铣削工艺。随着各类高速切削机床的开发，高速切削艺范围将进一步扩大，高速切削将涵盖所有的传统加工范畴，包括从粗加工到精加工，从钻到徨削、拉削、钦削、攻丝、滚齿等。下面主要介绍一下高速硬车削、高速钻削、高速铣削。

  ( 1 ）高速硬车削对淬硬钢材料进行高速车削加工叫高速硬车削高速硬车削主要作为对悴硬钢零件的终加工或精加工。淬硬钢加工的传统方法主要是磨削 ．

和磨削加工相比，硬车削的特点是：

 ① 加工效率高采用高转速、大切深切削，金属切除率通常是磨削加工的 3 一 10 倍．床一次装夹，可完成多工序加工，如粗、精加工在一台设备上一次完成；多表面加工，如精切圆、内孔、切槽外圆、内孔、切槽等，加工位置精度高

 ② 洁净加工大多数情况下，高速硬车削不用或不便使用切削液。一方面，硬车削是过使剪切部分材料变软退火而形成切屑，冷却速率过高会降低这种效果，加大机械磨损，缩刀具寿命；另一方面，高速切削所使用刀具的抗热冲击能力差，在高速下切削，切削液不容易

达切削表面，而使刀具温度变化决，容易使刀具碎裂。所以，采用少量冷却液或干切削是高速硬车削的特点之一，千切削可以省去与切削液有关的装置，简化生产系统，降低生产成本，同形成的切屑干净清洁，便于回收处理.

 ③ 减少设备有利于柔性生产和敏捷生产。一方面车床的投资比磨床少占地面积小辅助费用低，另一方面，在生产线上应用硬车削技术，更适应产品的改型，提高了生产线的性，使产品适应市场的能力增强，符合敏捷制造的要求。与磨削加工相比，硬车削能更好地应多品种、短周期、小批量的产品生产。

 ④ 零件整体加工精度高高速硬车削中产生的大部分热量被切屑带走，不会像磨削加那样容易产生表面烧伤和裂纹，可以得到更好的加工精度、表面质量和加工的位置精度，特减少了零件的装夹次数.

可以采用硬车削替代磨削加工的场合很多，如汽车曲轴加工、轴承加工、淬硬螺纹加工等目前的应用还处于初级阶段，人们对于高速硬车削代替磨削加工的认识不足，昂贵的硬车削具、缺乏深人的切削机理研究和切削工艺试验研究等，都是制约高速硬车削技术迅速推广应的不利条件。就目前的应用情况，高速硬车削的加工尺寸精度还达不到磨削的水平，但在一精度范围内，硬车削具有非常大的优越性，而且，随着硬车削技术的提高和普及，采用这种新工艺的加工精度也会逐渐提高.

（2）高速钻、铰和攻螺纹

高速钻、铰和攻螺纹也是高速切削技术的重要组成部分 · 在机械加工中，钻、铰和攻螺纹占很大比例，提高这些工序的切削速度一直是提高生产率需要解决的问题，在高速切削技术快速发展和普遍应用的倩况下，提高钻、铰和攻螺纹的加工速度已经成为人们关注的焦点高速钻、铰和攻螺纹的优点表现为：

①     大幅度提高材料切除率，提高生产率

②     传递给工件的热量少，减少零件的热变形和热应力。

高速钻、铰和攻螺纹和车削、铣削不同，实现上述目标的难度更大实现高速钻、，和攻，纹要解决的主要间题有以下几个方面．

 ① 排屑和散热问题；

② 刀具材料、形状、几何参数的选择等问题；

 ③ 改进加工工艺，优化加工参数．

 ④ 提供高主轴转速的机床。例如，在铝材料上钻 5 mm 的孔时，要求切削速度达到 800m / mln ，所对应的机床主轴转速要求达到 25000r / mm 以上.．

随着刀具材料技术、涂层技术的发展和高速切削技术的需求，用于高速钻、铰和攻螺纹的新型刀具越来越多，主要有高速钢涂层刀具、整体硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具、整体硬质合金涂层刀具，镶金刚石刀具、硬质合金基体和金刚石共同烧结而成的复合刀具、超细晶粒硬质合金、多层涂覆刀具、 CBN 刀具和陶瓷刀具.

在改进刀具材料的同时，为了满足高速切削和干切削的要求，应根据不同的被加工材料，对刀具的结构和几何参数进行改进和优化，包括螺旋角、排屑槽形状、齿数、钻尖形状、刀柄结构、切削刃负荷分布和冷却方式等，使切削过程更合理、排屑更顺畅、切削力更小、切削温度更低、刀具寿命更长以及提高加工精度等．

高速钻、铰和攻螺纹的加工工艺过程中，改进加工参数和加工条件，有利于提高切削速度在钻削中，生成的连续切屑要能从钻头的槽中顺利排出来。然而钻得越深排屑越难，因此产生的切削热不容易散出去，一部分传到刀柄，一部分传给工件。在高速钻削中，迫切需要解决排屑和散热问题.

改进的方法之一是改善润滑和冷却条件。在钻削中采用刀具中心通切削液是比较好的一种方法，一方面更好的冷却、润滑，另一方面也有利于排屑，特别是在钻较深的孔时，效果更好.

 ( 3 ）高速铣削

高速铣削是为了满足航空中大型整体零件的加工和模具行业高硬度腔体加工要求而发展起来的，图 2-27 为高速铣削加工复杂型面的照片.