《数控加工工艺学》课件第8章

第8章高速切削工艺8.1高速切削原理8.2高速切削机床、刀具8.3高速切削工艺

8.1高速切削原理

8.1.1高速切削的概念

根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5～10倍的切削加工。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。8.1.2高速切削的优点

高速切削在提高加工质量和加工效率两个方面实现了统一。以刀具线速度或机床主轴转速来描述高速切削。按照目前的生产和技术水平,国外学者提出：机床主轴转速为8000～12000r/min时称为准高速切削，15000～50000r/min时称为高速切削，大于50000r/min时称为超高速切削。高速切削具有以下特点:

(1)随着切削速度的提高，进给速度也相应提高5～10倍，单位时间内材料去除率可增加3～6倍，从而大幅度缩短了切削工时，提高了生产效率。

(2)由于切削速度的提高，切屑流出速度加快，改善了切屑与刀具前面的摩擦，切屑流出阻力减小，剪切区变形减小，切削力减小30%以上，有利于薄壁和细长杆等刚性差的零件的加工。

(3)由于切削速度的提高，加工区域95%以上的切削热被切屑迅速带走，从而使工件基本上可以保持冷态，适合于加工容易产生热变形的零件以及热损伤要求较高的零件。

(4)高速切削机床激振频率很高，远高于机床固有频率，工件加工过程平稳，能够加工出比较精密的零件，因而可以不分粗加工和精加工阶段，一次可得到大的材料去除率，获得较高质量的加工表面。在美国，也把这种粗、精加工同时完成的综合加工技术叫做“一次过”技术(onepassmachining)。8.1.3高速切削的工业应用

高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到了越来越广泛的应用。在航空航天业主要是解决零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、难加工和加工效率等问题，特别是整体结构件高速切削，既保证了零件质量，又省去了许多装配工作。模具业中大部分模具均适用高速铣削技术，高速硬切削可加工硬度达50～60HRC的淬硬材料，因而取代了部分电火花加工，并减少了钳工修磨工序，缩短了模具加工周期。高速铣削石墨可获得高质量的电火花加工电极。高速切削的高效率使其在电子印刷线路板打孔和汽车大规模生产中得到广泛应用。目前，适合高速切削的工件材料有铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢、石墨和石英玻璃等。 8.2高速切削机床、刀具

8.2.1高速切削的关键技术

1.高速主轴

高速主轴是高速切削机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，在高速切削机床上传统的齿轮、皮带变速主传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴。它是将主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，电机转子就是机床主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。现在，高速切削机床上使用的电主轴采用电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时能保持“恒温”。冷却水温控制系统在环境温度10～40℃的条件下，一般可控制在20～25℃范围内的某一设定温度，精度为±0.7℃，特殊要求可达±0.3℃。同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，可使主轴免维护、长寿命、高精度。高速精密轴承是高速主轴单元的核心。高速主轴可采用的轴承主要有混合陶瓷轴承、磁悬浮轴承和液体动静压轴承三种形式。磁悬浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来的智能化轴承。它的高速性能好、精度高、易实现实时诊断和在线监控，是高速加工机床主轴理想的支承元件，但它的电磁测控系统非常复杂，因而价格十分昂贵，使它的使用受到限制。液体动静压轴承采用流体动力和流体静力相结合的方法，使主轴在油膜支撑中旋转，具有径向和轴向跳动精度高、刚性好、阻尼特性好、粗精加工均适用、轴承寿命无限长等优点，受到ingersoll公司的大力推崇。但它必须根据具体机床专门设计、生产，无通用性，维护保养也困难。目前，在高速加工机床主轴上使用最多的是混合陶瓷磁承（氮化硅制的滚珠与钢制轨道）。由于氮化硅（Si3N4）的密度只有钢的40%，热膨胀系数只有钢的1/5，而弹性模量是钢的1.5倍，硬度是钢的2.3倍，因而混合陶瓷轴承在高速转动时离心力小、刚性好、温升低、寿命长。同时，与前两种轴承比较，它的标准化程度高，对机床的改动小，便于维护，价格要低得多。

2.高速伺服系统

为了实现高速加工，机床不单要有高速主轴，还要有高速的伺服系统。这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件，否则会造成刀具的急剧磨损与温升，破坏工件加工的表面质量。同时，由于机床的直线行程都较短，因此只有在瞬间达到高速和在高速中瞬间准停，高速直线运动才有实际意义。它不但要求进给部件速度高，而且要求加、减速度也大。现在，高速机床上实现高加速度直线运动有两种途径，一是采用滚珠丝杠传动，一是采用直线电机传动。滚珠丝杠传动能达到的加速度不再是原来概念中的0.1～0.3g，而是0.5～1g（与移动部件质量有关）。能达到高的加速度是因为制造商采取了以下措施：

(1)加大滚珠丝杠直径以提高其刚度，且丝杠中心做成空心，以便通以冷却液降温。

(2)选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机，采用多线（2或3线）大导程滚珠丝杠。

(3)个别轴上采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步传动。

3.高速CNC系统

高速切削要求CNC系统具有快速数据处理能力和功能化程度高的特征，因此，许多高速切削机床的CNC控制系统采用多个CPU，达32位甚至64位，同时配置功能强大的后置处理软件。如几何补偿软件已被应用于高速CNC系统，它具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确失量补偿和最佳拐角减速度控制等功能，使工件加工质量在高速切削时得到了明显改善。8.2.2高速切削机床

高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。高速切削机床是高速切削应用的基本条件。

高速铣床的主轴转速一般在18000r/m以上，30000～60000r/m也已在工业中实际应用，功率在十几至几十千瓦，高速状态下达到最大功率，但扭矩降到最小，同时许用的铣刀直径也将减小。高动态的进给驱动直线工作进给速度一般在20～40m/min，采用直线电机的驱动速度在60～120m/min，加速度为1～2g。回转工作台速度可达360r/m，回转加速度达47°/s。2.基本满足高速五坐标联动加工。

机床主轴和床身要有良好的刚性、优良的吸振特性和隔热性能。人造大理石床身具有很高的热稳定性、良好的吸振性能，并能根据需要制作最合理的机床结构。研究表明，人造大理石的吸振性是铸铁的6倍左右。

具有快速数据处理能力的CNC控制系统是高速机床的必要保证。高速机床CNC控制系统的有关技术包括：前视技术、大容量内存和ETH－ERNET通信等技术是高数据处理速度的基础；NURBS曲线插补为复杂曲面提供了短程序段和光滑插补解决方案；数字驱动克服了模拟控制微量的时间滞后问题；高分辨率反馈技术是高精度加工的保障。8.2.3高速切削刀具

1.高速切削刀具的材料

目前高速切削通常使用的刀具有硬质合金及其涂层刀具、陶瓷刀具以及聚晶金刚石（PCD）刀具和氮化硼系列刀具。

硬质合金涂层刀具基体有较高的韧性和抗弯强度，涂层材料高温耐磨性好，因此容许采用高进给速度和高切削速度。但受交变切削应力的作用，涂层材料易产生径向和侧向裂纹，致使刃区涂层剥离，在高速断续切削和湿式切削时尤应注意。

陶瓷刀具比硬质合金刀具适应的速度更高,它与金属亲合力小，热扩散磨损就很小。另外，它的高温硬度优于硬质合金,但它的韧性较差。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅系陶瓷、金属陶瓷和晶须强化复合陶瓷。聚晶金刚石刀具（PCD）摩擦系数低，耐磨粒耐磨性极强，有良好的导热性，特别适合于难加工材料和粘结性强的有色金属的高速切削，但价格昂贵。

立方氮化硼（CBN）刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高温化学稳定性，寿命长，适合高速切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金、钛合金及各种热喷涂材料的加工。由于价格较贵，各国竞相开发六方氮化硼（HBN）和立方氮化硼（CBN）的复合刀具材料（WBN），这些材料具有更好的断裂韧性，适合于高速断续切削淬硬合金钢材料。

总之，不同的刀具材料适合于不同的工件材料，应根据具体的工件材料来选择刀具材料，同时，选择时还应考虑工件的批量大小。

2.高速切削刀具的几何结构

讫今为止，还没有高速切削刀具几何设计的普遍原理和通用标准。据一些世界主要公司的高速切削刀片的规格和有关资料介绍，高速切削与普通切削刀具前、后角相比，一般高速切削比普通切削的前角约小10°，后角约大5°～8°，而高速切削不同种类材料时，刀具前、后角的增减规律与普通切削的规律相同。切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速切削刀具的主要特征之一。因此，主、副刀刃在刀尖处应逐渐过渡，增大刀尖角，加大刀尖区切削刃的长度和刀具材料的体积。而在刃形设计时应使边界处的切削厚度逐渐减薄，以减缓边界处的应力梯度和温度梯度。同时，高速切削刀具的切削部分应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃破损的概率。

高速切削刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的要求，在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。从提高耐用度和可靠性角度需要考虑：

①刀具基体与涂层材料；

②刀尖几何结构；

③刀刃数和刀杆伸出量；

④切削用量；

⑤走刀方式；

⑥冷却条件；

⑦刀具与工件材料匹配。

从提高使用安全性方面需要考虑：

①刀具系统强度与尺寸；

②刀杆与机床的夹持方式；

③刀片夹紧方式；

④刀具动平衡。

3.刀柄结构

刀柄是高速切削的关键部件之一。高速切削时,既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所以刀柄须满足下列要求：

①高的几何精度和装夹重复精度；

②高的装夹刚度；

③高速运转时的安全可靠性。

刀柄与主轴的连接，在大多数高速切削机床上以圆锥空心柄(HSK)为主。它是德国工业界联合研究的成果，目前已列入国际标准。它以其端面及1∶10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7∶24锥柄相比，有如下优点：刀柄与主轴的连接，在大多数高速切削机床上以圆锥空心柄(HSK)为主。它是德国工业界联合研究的成果，目前已列入国际标准。它以其端面及1∶10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7∶24锥柄相比，有如下优点：

①重量减少约50%；

②重复使用时装夹和定位精度高；

③刚度高,并可传送大的转矩；

④装夹力随转速升高而加大。由于高速切削高转速和快进给等特点，除了良好的耐磨性和高的强度韧性的先进刀具材料、优良的刀具涂层技术、合理的几何结构参数和高同心度的刀刃精度质量等因素外，还需特别注意其他因素对刀具耐用度的影响。不同刀具伸出量对切削路径长度也有影响，伸出量越短，耐用度越高。一般情况下，顺铣的耐用度高于逆铣，而往复铣的耐用度最低。

铝合金高速铣削通常用双刃铣刀，过多的刀刃会减少容屑空间，容易引起切屑粘刀。为避开共振频率，也可采用三刃铣刀以增加冲击频率。铝合金加工容易产生积屑瘤，这对高速铣削非常有害。要减少积屑瘤的产生，刀具表面要平滑；避免采用物理气相沉积(PVD)涂层刀具，因为TiAlN涂层很易与铝产生化学反应，可以选用非涂层刀具、细晶金刚石涂层或类金刚石涂层刀具；如有可能，尽量采用油雾刀具内冷进行冷却润滑。高速铣削刀具结构对刀具耐用度和安全性均有很大影响，关键要点包括刀具系统的平衡设计；减少径向和轴向跳动；控制动平衡精度；与机床连接普遍采用HSK刀柄或类似双面接触短锥刀柄。刀具的夹紧最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式)，装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具。装入新刀具，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧。这种结构刀具的径向跳动在4μm，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高的夹紧可靠性，特别适用于更高转速的高速铣削加工。 8.3高速切削工艺

8.3.1高速切削工艺内容

高速切削工艺主要包括：适合高速切削的加工走刀方式、专门的CAD/CAM编程策略、优化的高速加工参数、充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。

高速切削的加工方式原则上多采用分层环切加工。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，不宜采用。斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐加大的，因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入，最适合型腔高速加工的需要。

CAD/CAM编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进给速率变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：尽可能缩小程序块，提高程序处理速度；在程序段中可加入一些圆弧过渡段，尽可能减少速度的急剧变化；粗加工不是简单的去除材料，要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，尽可能减少铣削负荷的变化；多采用分层顺铣方式；切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证恒定的切削条件；充分利用数控系统提供的仿真、验证的功能。零件在加工前必须经过仿真，以验证刀位数据的正确性、刀具各部位是否与零件发生干涉及刀具与夹具附件是否发生碰撞，确保产品质量和操作安全。高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时，加工用量会有很大差异，目前尚无完整的加工数据。通常，随着切削速度的提高，加工效率的提高，刀具磨损会加剧。除较高的每齿进给量外，加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。对于刀具寿命，每齿进给量和轴向切深均存在最佳值，而且最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量fz、较小的轴向切深ap和适当大的径向切深ae。在高速铣削时，由于金属去除率和切削热的增加，冷削介质必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的能力。常规的冷却液及加注方式很难进入加工区域，反而会加大铣刀刃在切入、切出过程的温度变化，产生热疲劳，降低刀具寿命和可靠性。现代刀具材料，如硬质合金、涂层刀具、陶瓷和金属陶瓷、CBN等具有较高的红硬性，如果不能解决热疲劳问题，可不使用冷却液。微量油雾冷却一方面可以减小刀具—切屑—工件之间的摩擦，另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换热方式较冷却液热传导的换热方式能带走更多的热量，目前已成为高速切削首选的冷却介质。

氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中取得了很好的效果。氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作用外，还具有抗氧化磨损等作用。在33m/min的铣削速度时，相比较空气油雾冷却，刀具耐用度提高60%，铣削力可降低20%～30%。8.3.2高速切削工艺实现

1.高速切削加工对机床的要求

(1)机床的功率必须足够大，而且主轴加速度大，以满足在加工时对机床功率速度变化的需求。

(2)机床必须配备结构紧凑的高速主轴，高速进给丝杠，高速、高精度的插补系统，快速响应数控系统和高精度的伺服系统。主轴的轴向窜动和径向跳动小，并具有良好的动平衡性能。

(3)机床必须配备实心的台架，有效消除切削加工振动，提高机床的稳定性。

(4)机床伺服电动机线速度高，并且能提供恒定的速率，速度变化不超过0.01%。

(5)机床数控系统必须具备程序预读、转角自动减速、优化插补、可适用于通用计算平台等功能，如西门子840D/840E、FANUC150i等系统。

2.高速切削加工对刀具的要求

高速切削加工刀具的结构必须保证高速旋转状态下的刀具动平衡，并确保刀具寿命。为保证高速旋转状态下刀具能够绕轴线稳定旋转，目前采用两种办法，一是采用带有动平衡装置的刀具，此类刀具在刀套表面安装了机械滑块或采用流体动平衡设计；另外一种就是采用整体刀具，刀套与刀体合为一体，以确保刀体与刀套安装过程中安装间隙最小。

高速切削加工刀具的材料必须具有较长的使用寿命，常使用涂层刀具，如TiN、TiNC、TiAlN及金刚石涂层刀具。因PCD和CBN刀具的高耐磨性和寿命，常用作高速切削加工刀具。

3.高速加工对切削参数的要求

高速加工的切削参数宜采用更高的切削速度，精加工时更少的加工余量、更密的刀轨以及更小的切深。特别是在自由曲面上，切深一般在0.02～0.1mm，如果使用细小直径刀具，如0.3～0.8mm直径的刀具时，切深应更小，—般情况下为0.008～0.02mm。精细紧密的刀轨会极大地降低加工表面的粗糙度值。在主轴转速一定的情况下，要注意控制切削深度，包括刀具的轴向切削深度和刀具的径向切削深度。粗加工时，使用轴向小切深，多次分层切削出加工余量；精加工时，采用小余量高速切削。

刀具路径连接参数也很重要，合理制订连接参数，特别是粗加工合理的连接参数，可以大大减少不必要的抬刀，提高加工效率。应尽量减少掠过距离、下切距离和斜向进刀时的进刀高度。

4.高速加工对编程的要求

编程时应选择合适的走刀方法，克服因改变进给方向时机床惯性对加工质量的影响，以生成安全、有效和精确的刀具路径和理想的曲面精度。尽量在空走刀的时候换向，不在切削刀具处于切削状态的时候改变方向，且在改变进给方向之前降低进给速度。在两层之间加工最好选择螺旋线的方式进行铣切，尽量不要直接下刀。在加工型腔等特殊形状时，由于刀具没有办法导出，因此，在编程时转角部分应尽量采用圆弧过渡，以使转向变得尽量平稳。如果能在转角的时候适当降低进给速度，效果就会更好。刀具在工件内部进刀时，应该始终以螺旋线或最大角度5°的斜线进刀。另外，编制工艺流程时，要尽量保持切削条件恒定。因为不同的刀具载荷会使得刀具产生偏差，这会降低工件精度、曲面精度和刀具寿命。在双向加工中，连续的刀路轨迹应用圆环连接，在加工矩形转角时，应尽可能地减少加速和减速。

5.高速切削加工对CAD的要求

高速切削加工过程始于设计阶段。在零件建模时，应设定适当的几何公差，或恰当的剪裁曲面，以防止数据转换丢失而造成表面的分段、断裂和轮廓错误。应采用能实现CNC与CAD/CAM之间双向无缝连接的曲面数据转换标准，如1997年欧共体提出的新标准STEP，以消除数据不兼容情况。

6.高速加工对CAM的要求

对于高速铣削，CAM必须更改其加工策略，以生成安全、有效和精确的刀具路径及理想的曲面精度。因此,在加工过程中，认真地考虑每个加工因素是非常重要的，最好是所使用的CAM系统具有这样的分析功能。此外，自动特征识别、高速加工支持、进给速率优化、自动收集最佳惯量等功能均是应该具备的。其他还有以下几个方面要求：

(1)CAM应具有很高的计算编程速度。

(2)能够对加工干涉进行检验。

(3)具有进给率优化功能。

(4)具有符合加工要求的丰富的加工策略。

(5)应保持刀具轨迹的平稳。

(6)应具有自动识别粗加工剩余材料的功能。

(7)具有高速精确的模拟加工功能。8.3.3高速铣削加工工艺

1.粗加工

粗加工的目标是追求单位时间的最大切除量，表面质量和轮廓精度要求不高，重要的是让机床平稳地工作，避免切削方向和载荷急剧变化。

为了防止切削时速度矢量方向的突然改变，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角。所有进刀、退刀、步距和非切削运动的过