[科普中国]-高速切削加工技术

高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。

简介随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。

在模具的高淬硬钢件（hrc45～65）的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，避免了电极的制造和费时的电加工时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可顺利完成。而且在高速铣削cnc加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。这些优点在资金回转要求快、交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。

高速切削加工系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、安全可靠的高速切削cam软件系统等构成，因此，高速加工实质上是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步，高速加工已可以应用于加工合金钢（hrc>30），广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。例如，高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金时为常规采用的顺铣速度。

随着高速切削加工的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。而且，切削过程的计算机辅助模拟技术也出现了，这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速切削应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3，而高速铣可正好用来缩短研制周期，降低加工费用1。

技术特点高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：
（一）生产效率有效提高。
高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。
（二）至少降低30%的切削力。
由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。
（三）加工质量得到提高。
因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动（即强迫振动）的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。
（四）降低加工能耗，节省制造资源。
由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。
（五）简化了加工工艺流程。
常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工2。

优势高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术,可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。

通过国内外汽车模具制造行业的高速切削加工技术实践应用，高速切削加工技术具有如下优势：

一、高速切削加工提高了加工速度

高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。

二、高速切削加工生产效率高

用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓“一次过”技术(One Pass Machining)。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。

三、高速切削加工可获得高质量的加工表面

由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。

四、简化加工工序

常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。则可以通过高速切削加工来完成，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产周期。

五、高速切削加工使汽车模具修复过程变得更加方便

汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该工作，取得以铣代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，无需重新编程，且能做到精确无误。

六、高速切削加工可加工形状复杂的硬质汽车模具

由高速切削机理可知：高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松，高速切削加工在切削高强度和高硬度材料方面具有较大优势，可以加工具有复杂型面、硬度比较高的汽车模具。

机床要求超高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。然而，高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等。高速切削所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：

(1)机床结构的刚性

要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min),能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。

(2)主轴和刀柄的刚性

要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。

(3)控制单元

要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。

(4)可靠性与加工工艺

能够提高机床的利用率（6000h/y）和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。

常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。国内的高速机床，其性能与国外相比还存在一定的差距3。

数控编程系统要求高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。

(1)CAM系统应具有很高的计算编程速度

高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。

(2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力

高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。

(3)丰富的高速切削刀具轨迹策略

高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定的工艺要求。为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。CAM软件在生成刀具轨迹方面应具备以下功能：

1.应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏；

2.应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速；

3.下刀或行间过度部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；

4.残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削；

5.刀具轨迹编辑优化功能非常重要，避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等操作，避免重复计算；

6.刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编；

7.可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查，如Vericut软件就可很好地检测干涉。

高速切削的适用性高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。那么，它是不是放之四海而皆准呢?显然不行。即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。

如此看来，主轴转速为10～42000r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制：

(1)主轴转速10～42000r/min时，刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不能超过16mm，且必须采用进口刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。

(2)机床装备转速为10～42000r/min的电主轴时，其扭矩极小，通常只有十几个N·m，最高转速时只有5～6N·m。这样的高速切削，一般可用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工等。

(3)MIKRON公司针对这些情况开发了一些主轴最高转速为12000r/min、15000r/min、18000r/min和24000r/min的机床，尽力提高进给量(40000～60000mm/min)，以保证机床既能进行粗加工，又能进行精加工，既省时效率又高。

(4)针对传统的加工方式和不同的被切削材料，应选择合适的刀具材料来实现高速加工，而不能一味地追求高速，为高速而高速。如在美国的航天工业中，已经可以实现7500m/min的线速度来切削铝合金；但是切削钢和铸铁时，世界上实际进行的高速加工所能实现的最高速度，也只能达到加工铝合金的 1/3～1/5，约为1000～1200m/min， 其原因是切削热会使刀尖产生热破损。由此可见，刀具材料的耐热性是加工黑色金属的关键。对超级合金，包括镍基、钴基、铁基和钛基合金而言，其共同特点是在高温下能保持高强度和高的耐腐蚀性，但它们又都是难加工材料。加工这种材料时的最高进给速度为500m/min，主要受制于刀具材料及其几何形状。

所以说，高速加工的刀具材料必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷(AlO，SiN)、金属陶瓷及PCBN刀具等适用于对钢、铁等黑色金属的高速加工；PCD 和CVD等刀具则适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学