摘要：由于高速切削在提高生產效益方面具有巨大潛力，早己成為美、日、德等國競相研究的重要技術領域。美國日本等國早在60年代初，就開始了超高速切削機理的研究。上世紀70年代，美國已經研制出最高轉速達20000r/min 的高速銑床。如今，歐美等發達國家生產的不同規格的各種超高速機床已經商業化生產并進入市場，在飛機、汽車及模具制造行業實際應用。例如，在美國波音公司等飛機制造企業，已經采用數控高速切削加工技術超高速銑削鋁合金、鈦合金等整體薄壁結構件和波導管、撓性陀螺框架等普通方法難加工的零件。近年來，美、歐、日等國對新一代數控機床、高速加工中心、高速工具系統的研究和產業化進程進一步加快，高性能的電主軸技術及其產品的專業化生產步伐加大;高性能的刀具系統技術也進展迅速;直線電機技術應用于高速進給系統。
關鍵詞：數控,加工技術,工業
我國在研究和開發高速切削技術方面，許多高校和研究所作了努力和探索，包括切削機理、刀具材料、主軸軸承、等方面，也取得了相當大的成就。 然而，與國外工業發達國家相比，仍存在著較大的差距，基本上還處在實驗室的研究階段。為適應社會經濟發展需要，滿足航空航天、汽車、模具等各行業的制造需求，數控高速切削技術應用研究任重道遠。
高速加工在切削原理上是對傳統切削認識的突破。據資料介紹,在國外的高速加工試驗中已經證實,當切削速度超過一定值(V=600m/min)后,切削速度再增高,切削溫度反而降低,在切削過程中產生的熱量進入切削并從工件處被帶走。試驗條件下的測試證明了在大多數應用情況下,切削時工件溫度的上升不會超過3℃。相應地,在已給定的金屬切除率下,當切削速度超過某一數值之后,實際切削力會近似保持不變。
經過理想的高速加工后,切屑變形及其收縮加工的實現與應用對航空制造業有著重要的意義。高速加工自身必須是一個各相關要素相互協調的系統,是多項先進技術的綜合應用,為此機床廠商應進行大力的開發研制,推出與高速加工相關的新技術設備。
實用的高速加工技術跟隨引進的先進數控自動生產線、刀具(工具)、數控機床(設備),在機械制造業得到廣泛應用,相應的管理模式、技術、理念隨之融入企業。在我國航天、航空、汽輪機、模具等行業,程度不同地應用了高速加工技術,其間的差距在于國家對該行業投入資金、引進政策等支持的多少,以及企業家們對高速加工系統技術認識的深淺。相對于汽車制造業而言,這類機械制造行業基本上是屬于工藝離散型制造業。其高速加工技術主要表征在對高速數控機床與刀具技術的應用上。目前國內已引進的加工中心、數控鏜、銑床主軸轉速一般≤8 000r/min(極少有12 000r/min),快進速度≤40m/min。對鑄鋁、鍛鋁合金體、高強度鑄鐵和結構鋼件,多采用超細硬質合金、涂層硬質合金刀具材料和標準結構的各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結構刀具應用還較少,加之機床主軸轉速偏低,一般不能進入高速切削領域。以銑削加工為例,這些行業加工鋁合金工件:切削速度1 000m/min,進給速度15m/min,每齒進刀量0.35mm。車削:切削速度700m/min。銑削鑄鐵、結構鋼(含不銹鋼)工件:切削速度500m/min,進給速度10m/min,每齒進刀量0.3mm。上述行業中,數控設備利用率僅為25%左右。預計“十五”期間,上述行業將會在應用高速加工技術方面發生跳躍式的進步與發展。
高速機床是實現高速切削加工的前提和關鍵。具有高精度的高轉速主軸,具有控制精度高的高軸向進給速度和進給加速度的軸向進給系統,又是高速機床的關鍵所在。分述如下:
高速主軸是高速切削最關鍵零件之一。目前主軸轉速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越來越普及,轉速高達100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的實用高速主軸也正在研制開發中。高速主軸轉速極高,主軸零件在離心力作用下產生振動和變形,高速運轉摩擦和大功率內裝電機產生的熱會引起高溫和變形,所以必須嚴格控制。為此對高速主軸提出如下性能要求:(1)高轉速和高轉速范圍;(2)足夠的剛性和較高的回轉精度;(3)良好的熱穩定性;(4)大功率;(5)先進的潤滑和冷卻系統;(6)可靠的主軸監測系統。
高速切削時,為了保持刀具每齒進給量基本不變,隨著主軸轉速的提高,進給速度也必須大幅度地提高。目前高速切削進給速度已高達50m/min～120m/min,要實現并準確控制這樣的進給速度對機床導軌、滾珠絲杠、伺服系統、工作臺結構等提出了新的要求。而且,由于機床上直線運動行程一般較短,高速加工機床必須實現較高的進給加減速才有意義。為了適應進給運動高速化的要求,在高速加工機床上主要采用如下措施:(1)采用新型直線滾動導軌,直線滾動導軌中球軸承與鋼導軌之間接觸面積很小,其摩擦系數僅為槽式導軌的1/ 20左右,而且使用直線滾動導軌后,“爬行”現象可大大減少;(2)高速進給機構采用小螺距大尺寸高質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給速度和進給加減速度;(3)高速進給伺服系統已發展為數字化、智能化和軟件化,高速切削機床己開始采用全數字交流伺服電機和控制技術;(4)為了盡量減少工作臺重量但又不損失剛度,高速進給機構通常采用碳纖維增強復合材料;(5)為提高進給速度,更先進、更高速的直線電機己經發展起來。直線電機消除了機械傳動系統的間隙、彈性變形等問題,減少了傳動摩擦力,幾乎沒有反向間隙。直線電機具有高加、減速特性,加速度可達2g,為傳統驅動裝置的10～20倍,進給速度為傳統的4～5倍,采用直線電機驅動,具有單位面積推力大、易產生高速運動、機械結構不需要維護等明顯優點。
(1)刀具材料。高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親合力要小,并具有優異的機械性能和熱穩定性,抗沖擊、耐磨損。目前在高速切削中常用的刀具材料有單涂層或多涂層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石等。
(2)高速切削刀具結構。高轉速引起的離心力在高速切削中會使抗彎強度和斷裂韌性都較低的刀片發生斷裂,除損傷工件外,對操作者和機床會帶來危險。因此,高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必須滿足動平衡要求。動平衡一般對小直徑刀具要求不嚴,對大直徑刀具或盤類刀具要求嚴格。外伸較長的刀具,必須進行動平衡。另外需要對刀具、夾頭、主軸等每個元件單獨進行平衡,還要對刀具與夾頭組合體進行平衡。最后,將刀具連同主軸一起進行平衡。但目前還沒有統一的平衡標準,對ISO1940-1標準中的平衡質量G值為平衡標準也有不同的看法,有的企業以G1為標準(所謂G1,即刀具在10 000r/min回轉時,回轉軸與刀具中心軸線之間只允許相差1Lm),有的以G215為標準。
(3)高速切削刀具幾何參數。高速切削刀具刀刃的形狀正向著高剛性、復合化、多刃化和表面超精加工方向發展。刀具幾何參數對加工質量、刀具耐用度有很大的影響,一般高速切削刀具的前角平均比傳統加工刀具小10b,后角約大5b～8b。為防止刀尖處的熱磨損,主、副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃區切削刃的長度,提高刀具剛性和減少刀刃破損的概率。
(4)高速切削刀柄系統。加工中心主軸與刀具的連接大多采用7B24錐度的單面夾緊刀柄系統,ISO、CAT、DIN、BT等都屬此類。用在高速切削加工時,這類系統出現了許多問題,主要表現為:剛性不足、ATC(自動換刀)的重復精度不穩定、受離心力作用的影響較大、刀柄錐度大,不利于快速換刀及機床的小型化。針對這些問題,為提高刀具與機床主軸的連接剛性和裝夾精度,適應高速切削加工技術發展的需要,相繼開發了刀柄與主軸內孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩大類:一類是對現有7B24錐度刀柄進行的改進性設計,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統;另一類是采用新思路設計的1B10中空短錐刀柄系統,有德國開發的HSK、美國開發的KM及日本開發的NC5等幾種形式。
高速切削理論由德國物理學家Carl.J.Salomon在上世紀三十年代初提出的。他通過大量的實驗研究得出結論：在正常的切削速度范圍內，切削速度如果提高，會導致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損;然而，當切削速度提高到某一定值后，只要超過這個拐點，隨著切削速度提高，切削溫度就不會升高，反而會下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過高而造成刀具磨損不利于切削的問題，獲得良好的加工效益。
隨著制造工業的發展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎上逐漸形成了數控高速切削技術研究領域，數控高速切削加工技術在發達國家的研究相對較早，經歷了理論基礎研究、應用基礎研究以及應用研究和發展應用，目前已經在一些領域進入實質應用階段。
關于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來看，認為切削速度超過常規切削速度5-10倍即為高速切削。也有學者以主軸的轉速作為界定高速加工的標準，認為主軸轉速高于8000r/min即為高速加工。還有從機床主軸設計的角度，以主軸直徑和主軸轉速的乘積DN定義，如果DN值達到(5～2000)×105mm.r/min，則認為是高速加工。生產實踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應不同。一般認為車削速度達到(700～7000)m/min，銑削的速度達到(300～6000)m/min，即認為是高速切削。
另外，從生產實際考慮，高速切削加工概念不僅包含著切削過程的高速，還包含工藝過程的集成和優化，是一個可由此獲得良好經濟效益的高速度的切削加工，是技術和效益的統一。
高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計、制造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關硬件和軟件技術均得到充分發展基礎之上綜合而成的。因此，高速切削技術是一個復雜的系統工程，是一個隨相關技術發展而不斷發展的概念。
由于切削速度的大幅度提高，高速切削加工技術不僅提高了切削加工的生產率，和常規切削相比還具有一些明顯的優越性：第一、切削力小：在高速銑削加工中,采用小切削量、高切削速度的切削形式,使切削力比常規切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少。既減輕刀具磨損，又有效控制了加工系統的振動，有利于提高加工精度。第二、材料切除率高:采用高速切削，切削速度和進給速度都大幅度提高，相同時間內的材料切除率也相應大大提高。從而大大提高了加工效率。第三、工件熱變形小:在高速切削時，大部分的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，因此加工表面的受熱時間短，不會由于溫升導致熱變形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力學性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高:高速切削通常進給量也比較小，使加工表面的粗糙度大大降低，同時由于切削力小于常規切削，加工系統的振動降低，加工過程更平穩，因此能獲得良好的表明質量，可實現高精度、低粗糙度加工。第五、綠色環保：高速切削時，工件的加工時間縮短，能源和設備的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時由于高速切削可以實現干式切削，減少甚至不用切削液，減少污染和能耗。
鑒于以上所述高速切削加工的特點，使該技術在傳統加工薄弱的領域有著巨大應用潛力。首先，對于薄壁類零件和細長的工件，采用高速切削，切削力顯著降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補采用傳統方法時由于切削力和切削熱的影響而造成其變形的問題，大大提高了加工質量。其次，由于切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復合材料、耐磨鑄鐵等用傳統方法難以加工的材料，可以研究采用數控高速切削技術來加工。另外，在汽車、模具、航天航空等制造領域, 一些整體構件需要比較大的材料切除率，由于數控高速切削的進給速度可隨切削速度的提高而相應提高, 使得單位時間內的材料切除率大大提高，因而在模具制造、汽車制造、航空航天制造中，數控高速切削技術的應用將產生巨大的經濟效益。第四，由于高速切削時，加工過程平穩、振動小，與常規切削相比, 高速切削可顯著提高加工精度1～2級,完全可以取消后續的光整加工, 同時，采用數控高速切削技術, 能夠在一臺機床上實現對復雜整體結構件同時進行粗、精加工,減少了轉工序中可能的定位誤差, 因而也有利于提高工件的加工精度。因此, 高速切削技術在精密制造中有著廣闊的應用前景。如某企業加工的鋁質模具，模具型腔長達1500mm，要求尺寸精度誤差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm，原先的制造工藝為：粗刨—半精刨—精刨—手工鏟刮—手工拋光，制造周期要60小時。采用高速銑床加工后，經過半精加工和精加工，加工周期僅需6小時，不僅效率提高，而且模具質量也大大提高。
數控高速切削加工是一個復雜的系統工程，涉及到切削機理、切削機床、刀具、切削過程監控及加工工藝等諸多相關的硬件與軟件技術，數控高速切削技術的實施和發展，依賴于此系統中的各個組成要素的，這些實現數控高速切削技術離不開的關鍵技術，具體體現在以下方面：
1)高速切削機理：有關各種材料在高速加工條件下，切屑的形成機理，切削力、切削熱的變化規律，刀具磨損規律及對加工表面質量的影響規律，對以上基礎理論的實驗和研究，將有利于促進高速切削工藝規范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝制定提供理論基礎，屬于原理技術。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規范和切削用量的確定，是高速切削生產中的難點，也是高速切削加工領域研究的焦點。
2)高速切削機床技術模塊：高速切削機床需要高速主軸系統、快速進給系統和高速CNC控制系統。高速加工要求主軸單元能夠在很高的轉速下工作，一般主軸轉速10000 r/min以上，有的甚至高達60000-100000r/min，且保證良好動態和熱態性能。其中關鍵部件是主軸軸承，它決定著高速主軸的壽命和負載容量，也是高速切削機床的核心部件之一，主軸結構的改進和性能的提高是高速機床的一項重要單元技術。另一項重要的單元技術是高速進給系統。隨著機床主軸轉速的提高，為保證刀具每齒或每轉進給量不變，機床的進給速度和進給加速度也相應提高，同時空行程速度也要提高。因此，機床進給系統必須快速移動和快速準確定位，這顯然對機床導軌、伺服系統、工作臺結構等提出了新的更高要求，是制約高速機床技術的關鍵單元技術。
3)高速切削刀具技術模塊：由機床、刀具和工件組成的高速切削加工工藝系統中，刀具是最活躍的因素。切削刀具是保證高速切削加工順利進行的最關鍵技術之一。隨著切削速度的大幅度提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數、刀體結構等都提出了不同于傳統速度切削時的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技術都發生了巨大的變化，高速切削加工時，要保證高的生產率和加工精度，更要保證安全可靠。因此，高速切削加工的刀具系統必須滿足具有良好的幾何精度和高的裝夾重復定位精度，裝夾剛度，高速運轉時良好的平衡狀態和安全可靠。盡可能減輕刀體質量，以減輕高速旋轉時所受到的離心力，滿足高速切削的安全性要求，改進刀具的夾緊方式。刀具系統的技術研究和發展是數控高速切削加工的關鍵任務之一。
4)數控高速切削工藝：高速切削作為一種新的切削方式，要應用于實際生產，缺乏可供參考的應用實例，更沒有實用的切削用量和加工參數數據庫，高速加工的工藝參數優化是當前制約其應用的關鍵技術之一。另外，高速切削的零件NC程序要求必須保證在整個切削過程中載荷穩定，但是現在使用的多數CNC軟件中的自動編程功能都還不能滿足這一的要求，需要由人工編程加以補充和優化，這在一定程度上降低了高速切削的價值，必須研究采用一種全新的編程方式，使切削數據適合高速主軸的功率特性曲線，充分發揮數控高速切削的優勢。
