高速切削加工技術

高速切削加工作為模具製造中最為重要的一項先進制造技術，是集高效、優質、低耗於一身的先進制造技術。在常規切削加工中備受困擾的一系列問題，通過高速切削加工的套用得到了解決。其切削速度、進給速度相對於傳統的切削加工，以級數級提高，切削機理也發生了根本的變化。與傳統切削加工相比，高速切削加工發生了本質性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留於工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動幾乎消失。

基本介紹

• 中文名：高速切削加工技術
• 外文名：High speed machining technology
• 分類：模具製造技術
• 技術特點：生產效率提高，加工質量提高
• 發展前景：已成為國際模具製造工藝中的主流

簡介

隨著切削速度的提高，單位時間毛坯材料的去除率增加，切削時間減少，加工效率提高，從而縮短了產品的製造周期，提高了產品的市場競爭力。同時，高速切削加工的小量快進使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由於切削力的降低，轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離工具機的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。

在模具的高淬硬鋼件（hrc45～65）的加工過程中，採用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的製造和費時的電加工時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可順利完成。而且在高速銑削cnc加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優點在資金迴轉要求快、交貨時間緊急、產品競爭激烈的模具等行業是非常適宜的。

高速切削加工系統主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統、高速切削刀具、安全可靠的高速切削cam軟體系統等構成，因此，高速加工實質上是一項大的系統工程。隨著切削刀具技術的進步，高速加工已可以套用於加工合金鋼（hrc>30），廣泛地套用於汽車和電子元件產品中的衝壓模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定義依賴於被加工的工件材料的類型。例如，高速加工合金鋼採用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時為常規採用的順銑速度。

隨著高速切削加工的套用範圍擴大，對新型刀具材料的研究、刀具設計結構的改進、數控刀具路徑新策略的產生和切削條件的改善等也有所提高。而且，切削過程的計算機輔助模擬技術也出現了，這項技術對預測刀具溫度、應力、延長刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模、熱壓模和注塑模加工的套用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削套用範圍的擴大。工業領先的國家在沖模和鑄模製造方面，研製時間大部分耗費在機械加工和拋光加工工序上。沖模或鑄模的機械加工和拋光加工約占整個加工費用的2/3，而高速銑可正好用來縮短研製周期，降低加工費用。

技術特點

高速切削之所以得到工業界越來越廣泛地套用，是因為它相對傳統加工具有顯著的優越性，具體說來有以下特點：
（一）生產效率有效提高。
高速切削加工允許使用較大的進給率，比常規切削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍。當加工需要大量切除金屬的零件時，可使加工時間大大減少。
（二）至少降低30%的切削力。
由於高速切削採用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規切削相比，切削力至少可降低30%，這對於加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能。
（三）加工質量得到提高。
因為高速旋轉時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率，不會造成工藝系統的受迫振動，保證了較好的加工狀態。由於切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘餘應力小，實現了高精度、低粗糙度加工。
從動力學角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由於切削力產生的振動（即強迫振動）的振幅；轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離工具機的固有頻率，避免共振的發生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質量。
（四）降低加工能耗，節省製造資源。
由於單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時間短，從而提高了能源和設備的利用率，降低了切削加工在製造系統資源總量中的比例，符合可持續發展的要求。
（五）簡化了加工工藝流程。
常規切削加工不能加工淬火後的材料，淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火後的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除了人工光整加工。

優勢

高速切削加工技術是21世紀的一種先進制造技術，有著強大的生命力和廣闊的套用前景。通過高速切削加工技術,可以解決在汽車模具常規切削加工中備受困擾的一系列問題。在美國、德國、日本等工業已開發國家高速切削加工技術在大部分的模具公司都得到了廣泛套用，85%左右的模具電火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技術集高效、優質、低耗於一身，已成為國際模具製造工藝中的主流。

通過國內外汽車模具製造行業的高速切削加工技術實踐套用，高速切削加工技術具有如下優勢：

一、高速切削加工提高了加工速度

高速切削加工以高於常規切削10倍左右的切削速度對汽車模具進行高速切削加工。由於高速工具機主軸激振頻率遠遠超過“工具機—刀具—工件”系統的固有頻率範圍，汽車模具加工過程平穩且無衝擊。

二、高速切削加工生產效率高

用高速加工中心或高速銑床加工模具，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗、精加工和汽車模具其他部位的機械加工，即所謂“一次過”技術(One Pass Machining)。高速切削加工技術的套用大大提高了汽車模具的開發速度。

三、高速切削加工可獲得高質量的加工表面

由於採取了極小的步距和切深，高速切削加工可獲得很高的表面質量，甚至可以省去鉗工修光的工序。

四、簡化加工工序

常規銑削加工只能在淬火之前進行，淬火造成的變形必須要經手工修整或採用電加工最終成形。則可以通過高速切削加工來完成，而且不會出現電加工所導致的表面硬化。另外，由於切削量減少，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及模具細節進行加工，節省了部分機械加工或手工修整工序，從而縮短了生產周期。

五、高速切削加工使汽車模具修復過程變得更加方便

汽車模具在使用過程中往往需要多次修復以延長使用壽命，如果採用高速切削加工就可以更快地完成該工作，取得以銑代磨的加工效果，而且可使用原NC程式，無需重新編程，且能做到精確無誤。

六、高速切削加工可加工形狀複雜的硬質汽車模具

由高速切削機理可知：高速切削時，切削力大為減少，切削過程變得比較輕鬆，高速切削加工在切削高強度和高硬度材料方面具有較大優勢，可以加工具有複雜型面、硬度比較高的汽車模具。

工具機要求

超高速切削技術是切削加工的發展方向，也是時代發展的產物。高速切削技術是切削加工技術的主要發展方向之一，它隨著CNC技術、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發展而邁上更高的台階。然而，高速切削技術自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削資料庫、開發適用於高速切削加工狀態的監控技術和綠色製造技術等。高速切削所用的CNC工具機、刀具和CAD/CAM軟體等，技術含量高，價格昂貴，使得高速切削投資很大，這在一定程度上制約了高速切削技術的推廣套用。高速切削的高效套用要求工具機系統中的部件都必須先進，主要表現在以下幾個方面：

表1 國內外高速加工中心

(1)工具機結構的剛性

要求提供高速進給的驅動器(快進速度約40m/min,3D輪廓加工速度為10m/min),能夠提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和減速度。

(2)主軸和刀柄的剛性

要求滿足10000r/min到50000r/min的轉速，通過主軸壓縮空氣或冷卻系統控制刀柄和主軸間的軸向間隙不大於0.0002英寸。

(3)控制單元

要求32或64位並行處理器，具有高的數據傳輸率，能夠自動加減速。

(4)可靠性與加工工藝

能夠提高工具機的利用率（6000h/y）和無人操作的可靠性，工藝模型有助於對切削條件和刀具壽命之間關係的理解。

常見國內外高速加工中心的代表如表1所示。與傳統普通數控工具機相比，其工具機結構、加工速度和性能表現更加優秀，如德國的DMC85高速加工中心，採用直線電機和電主軸，其主軸轉速達到30000r/min，進給速度達到120m/min，加速度超過1g（重力加速度）。高速工具機要求高性能的主軸單元和冷卻系統、高剛性的工具機結構、安全裝置和監控系統以及優良的靜動力特性等，具有技術含量高、工具機製造難度大等特點。國內的高速工具機，其性能與國外相比還存在一定的差距。

數控編程系統要求

高速銑削加工對數控編程系統的要求越來越高，價格昂貴的高速加工設備對軟體提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削工具機和高速切削刀具外，具有合適的CAM編程軟體也是至關重要的。數控加工的數控指令包含了所有的工藝過程，一個優秀的高速加工CAM編程系統應具有很高的計算速度、較強的插補功能、全程自動過切檢查及處理能力、自動刀柄與夾具干涉檢查、進給率最佳化處理功能、待加工軌跡監控功能、刀具軌跡編輯最佳化功能和加工殘餘分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩，這會直接影響加工質量和工具機主軸等零件的壽命；最後，要儘量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命。

(1)CAM系統應具有很高的計算編程速度

高速加工中採用非常小的切給量與切深，故高速加工的NC程式比對傳統數控加工程式要大得多，因而要求計算速度要快，要方便節約刀具軌跡編輯，最佳化編程的時間。

(2)全程自動防過切處理能力及自動刀柄干涉檢查能力

高速加工以傳統加工近10倍的切削速度進行加工，一旦發生過切對工具機、產品和刀具將產生災難性的後果，所以要求其CAM系統必須具有全程自動防過切處理的能力。高速加工的重要特徵之一就是能夠使用較小直徑的刀具，加工模具的細節結構。系統能夠自動提示最短夾持刀具長度，並自動進行刀具干涉檢查。

(3)豐富的高速切削刀具軌跡策略

高速加工對加工工藝走刀方式比傳統方式機能有著特殊要求，因而要求CAM系統能夠滿足這些特定的工藝要求。為了能夠確保最大的切削效率，又保證在高速切削時加工的安全性，CAM系統應能根據加工瞬時餘量的大小，自動對進給率進行最佳化處理，以確保高速加工刀具受力狀態的平穩性，提高刀具的使用壽命。CAM軟體在生成刀具軌跡方面應具備以下功能：

1.應避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化，以免因局部過切而造成刀具或設備的損壞；

2.應保持刀具軌跡的平穩，避免突然加速或減速；

3.下刀或行間過度部分最好採用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端點採用圓弧連線，避免直線連線；

4.殘餘量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般應採用多次加工或採用系列刀具從大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，還應避免全力寬切削；

5.刀具軌跡編輯最佳化功能非常重要，避免多餘空刀，可通過對刀具軌跡的鏡像、複製、旋轉等操作，避免重複計算；

6.刀具軌跡裁剪修復功能也很重要，可通過精確裁剪減少空刀，提高效率，也可用於零件局部變化時的編程，此時只需修改變化的部分，無須對整個模型重編；

7.可提供優秀的可視化仿真加工模擬與過切檢查，如Vericut軟體就可很好地檢測干涉。

高速切削的適用性

 

高速加工作為一種新的技術，其優點是顯而易見的，它給傳統的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化。那么，它是不是放之四海而皆準呢?顯然不行。即便是在金屬切削工具機水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對於這一嶄新技術的研究也還處在不斷的摸索研究當中。實際上，人們對高速切削的經驗還很少，還有許多問題有待於解決：比如高速工具機的動態、熱態特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題，工具機與刀具間的接口技術（刀具的動平衡、扭矩傳輸）、冷卻潤滑液的選擇、CAD/CAM 的程式後置處理問題、高速加工時刀具軌跡的最佳化問題等等。  

如此看來，主軸轉速為10～42000r/min這樣的高速切削在實際套用時仍受到一些限制：  

(1)主軸轉速10～42000r/min時，刀具必須採用 HSK 的刀柄，外加動平衡，刀具的長度不能超過120mm，直徑不能超過16mm，且必須採用進口刀具。這樣，在進行深的型腔加工時便受到限制。  

(2)工具機裝備轉速為10～42000r/min的電主軸時，其扭矩極小，通常只有十幾個N·m，最高轉速時只有5～6N·m。這樣的高速切削，一般可用來進行石墨、鋁合金、淬火材料的精加工等。  

(3)MIKRON公司針對這些情況開發了一些主軸最高轉速為12000r/min、15000r/min、18000r/min和24000r/min的工具機，盡力提高進給量(40000～60000mm/min)，以保證工具機既能進行粗加工，又能進行精加工，既省時效率又高。  

(4)針對傳統的加工方式和不同的被切削材料，應選擇合適的刀具材料來實現高速加工，而不能一味地追求高速，為高速而高速。如在美國的航天工業中，已經可以實現7500m/min的線速度來切削鋁合金；但是切削鋼和鑄鐵時，世界上實際進行的高速加工所能實現的最高速度，也只能達到加工鋁合金的 1/3～1/5，約為1000～1200m/min， 其原因是切削熱會使刀尖產生熱破損。由此可見，刀具材料的耐熱性是加工黑色金屬的關鍵。對超級合金，包括鎳基、鈷基、鐵基和鈦基合金而言，其共同特點是在高溫下能保持高強度和高的耐腐蝕性，但它們又都是難加工材料。加工這種材料時的最高進給速度為500m/min，主要受制於刀具材料及其幾何形狀。  

所以說，高速加工的刀具材料必須根據工件材料和加工性質來選擇。一般而言，陶瓷(AlO，SiN)、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用於對鋼、鐵等黑色金屬的高速加工；PCD 和CVD等刀具則適用於對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工。