高速切削對設備的選擇探究論文

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[論文關鍵詞]高速切削；設備；選擇

[論文摘要]本文通過對高速切削加工技術的優越性和巨大經濟效益的分析，全面論述了高速切削對機床設備及刀具系統的具體要求，闡述了高效率、高精度、高柔性和綠色化的高速切削加工技術是機械加工領域的發展趨勢。

1高速切削的概念

當切削速度超過被切削材料臨界切削速度時，切削溫度下降，切削抗力減小，刀具使用壽命延長。目前，主軸轉速高達60000r/min，進給速度高達90m/min，加速度達到1.7g的高速切削機床已商品化。并在航天、模具、汽車等行業的實際應用中，產生了巨大的技術經濟效益。高速切削加工不但要求切削主軸的高轉速，而且要求軸向進給的高速度和高加速度、先進的切削刀具等相關的關鍵技術。高速切削應該是可靠的高速切削。通常將切削速度和進給速度達到常規機床5～10倍的切削加工稱之為高速切削。然而，根據Salomon的高速切削理論，高速切削應為切削溫度不再隨切削速度的提高而上升，且以高切削速度、高切削精度、高進給速度與加速度為主要特征的切削加工。因此，對于不同的材料，高速切削的速度范圍是不同的。目前，常用材料的高速切削范圍：鋁合金為1000～7000m/min，碳鋼為500～2000m/min，鈦合金為i00～1000m/min。

2機床選擇

現階段，為了實現高速切削加工，一般采用高柔性的高速數控機床、加工中心，也有采用專用的高速銑、鉆床。這些設備的共同之處是：必須同時具有高速主軸系統和高速進給系統，才能實現材料切削過程的高速化。高速切削與傳統切削最大的區別是，“機床—刀具—工件”系統的動態特性對切削性能有更強的影響力。在該系統中，機床主軸的剛度、刀柄形式、刀長設定、主軸拉刀力、刀具扭力設定等，都是影響高速切削性能的重要因素。在高速切削中，材料去除率即單位時間內材料被切除的體積，通常受限于“機床—刀具—工件”工藝系統是否出現“顫振”。因此，為了滿足高速切削加工的需求，首先要提高機床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性?，F階段高速切削之所以能夠成功，一個很關鍵的因素在于對系統動態特性問題的掌握和處理能力。為了更好地描述機床主軸的剛度特性，工程上提出新的無量綱參數一DN值，用以評價機床的主軸結構對高速切削加工的適應性。所謂DN值即“主軸直徑與每分鐘轉速之積”。新近開發的加工中心主軸DN值大都已超過100萬。為了減輕軸承的重量，還采用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承；軸承潤滑方式大都采用油氣混合潤滑方式。在高速切削加工領域，目前已開發空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構成的磁氣／空氣混合主軸。在機床進給機構方面，高速切削加工所用的進給驅動機構通常都為大導程、多頭高速滾珠絲杠，滾珠采用小直徑氮化硅陶瓷球，以減少其離心力和陀螺力矩；采用空心強冷技術來減少高速滾珠絲杠運轉時由于摩擦產生溫升而造成的絲杠熱變形。近幾年來，用直線電機驅動的高速進給系統問世，這種進給方式取消了從電動機到工作臺溜板之間的一切中間機械傳動環節，實現了機床進給系統的零傳動。由于直線電機沒有任何旋轉元件，不受離心力的作用，可以大大提高進給速度。直線電機的另一大優點是行程不受限制。直線電機的次極是一段一段連續鋪在機床的床身上。次極鋪到哪里，初極工作臺就可運動到哪里，而且對整個進給系統的剛度沒有任何影響。采用高速絲杠或直線電機，能夠大大提高機床進給系統的快速響應。直線電機最高加速度可達2～10G，最大進給速度可達60～200m/min或更高。此外，機床的運動性能也將直接影響加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切削加工中，主要采用小切深大進給的加工方法。要求機床在大進給速度條件下，應具有高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補。圓弧加工是采用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時，必不可少的加工方法。

3刀具選擇

3.1刀具材料的發展高速切削技術發展的歷史，也就是刀具材料不斷進步的歷史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN)。端面銑削使用CBN刀具時，其切削速度可高達5000m/min，主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石(PCD)刀具被稱之為2l世紀的刀具，它特別適用于切削含有SiO2的鋁合金材料，而這種金屬材料重量輕、強度高，廣泛地應用于汽車、摩托車發動機、電子裝置的殼體、底座等方面。目前，用聚晶金剛石刀具端面銑削鋁合金時，5000m/min的切削速度已達到實用化水平，此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工；

3.2涂層刀具CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能，但成本相對較高。采用涂層技術能夠使切削刀具既價格低廉，又具有優異性能，可有效降低加工成本?，F在高速加工用的立銑刀，大都采用TiAIN系的復合多層涂鍍技術進行處理，如目前在對鋁合金或有色金屬材料進行干式切削時，DLC(DiamondLikeCarbon)涂層刀具就受到極大的關注，預計其市場前景十分可觀；

3.3刀具夾持系統刀具的夾持系統是支撐高速切削的重要技術，目前使用最為廣泛的是兩面夾緊式工具系統。已作為商品正式投放市場的兩面夾緊式工具系統主要有：HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系統。在高速切削的情況下，刀具與夾具回轉平衡性能的優劣，不僅影響加工精度和刀具壽命，而且也會影響機床的使用壽命。因此，在選擇工具系統時，應盡量選用平衡性能良好的產品。

高速加工的切削速度為常規切速的10倍左右。為了使刀具每齒進給量基本保持不變，以保證零件的加工精度、表面質量和刀具的耐用度，則進給量也必須相應提高10倍左右，達到60m/min以上，有的甚至高達120m/min。因此，高速切削加工通常是采用高轉速、大進給和小切深的切削工藝參數。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很輕，把切削時產生的熱量很快帶走；若采用全新耐熱性更好的刀具材料和涂層，采用干切削工藝也是高速切削加工的理想工藝方案。