高速切削加工技术的发展与应用

伯特利数控陈生

近十多年来，以高速 高精度和大进给为主要特征的高速切削加工发展十分迅猛，已经成为现代数控加工技术的重要发展方向之一高速切削加工的巨大吸引力在于实现高速切削的同时，保证了高速切削加工的高精度航空航天 汽车及模具制造业对高速切削的认同与强烈需求，推动着高速切削加工技术在国际上的迅速发展为实现高速切削，世界各国竞相研究，以使高速切削这一先进技术在实际工业生产中得到应用 随着科学技术的进步，高速切削加工技术得到了突破性进展，高速机床与高速切削刀具的出现，使高速切削进入了工业应用阶段

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一 高速切削加工的特点

材料切除率高，切削力低在高速切削中，如果刀具每齿切削厚度基本不变，进给速度可相应提高5-10倍，通常达10-50m/min，甚至达到120m/min这样高速切削加工与常规切削相比，加工单位时间材料切除率可提高3-5倍，而零件加工切削力可减小30%左右，尤其是径向切削力（垂直被加工表面的力）大为减小

热变形小

高速切削加工过程中，极高的进给速度使得95%切削热被切屑带走，工件基本上保持冷态，零件不会由于温升导致变形，因而，高速切削特别适合加工容易产生热变形的零件

加工表面质量高

高速切削机床激振频率很高，已远远超出机床-刀具-工件工艺系统的固有低频范围（50-300HZ），这就使零件加工处于 无振动切削状态，获得较高的表面加工质量，同时在高速切削下，积屑瘤鳞刺 表面残余应力和加工硬化均受到抑制因此，高速切削加工获得的表面加工质量几乎可与磨削相比，有时高速切削加工可直接作为最后一道精加工工序。

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二、 高速切削加工关键技术的发展

1.高速主轴

高速机床主轴是高速切削加工的最重要的关键技术，国外主轴转速在10000～20000r/min的加工中心越来越普及，转速高达100000r/min、200000r/min、 250000r/min 的实用高速主轴正在研究开发之中。主轴的结构采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，即所谓 “内装式电机主轴” ，电机的转子就是机床的主轴，主轴单元的壳体就是电机座。该结构紧凑、重量轻、 惯性小，响应特性好，还可避免振动与噪声，是超高速主轴单元的理想结构，已在高速机床中获得广泛应用。

2.直线电机进给驱动系统

如果采用通常的伺服电机+滚珠丝杠副的轴向直线进给系统，提高轴向进给速度和加速度将受到传统结构的限制，不能满足高速切削加工的要求，只有采用直线伺服电机高速驱动系统，它是高速机床设计的一个重要发展趋势。直线电机驱动系统可由直线电机直接驱动机床工作台，消除了中间传动环节，提高了驱动系统的进给速度、加速度、 刚度和定位精度。

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3.高性能的CNC 控制系统

用于高速切削加工的 CNC 控制系统必须具有快速的数据处理能力和高精度，以及快速响应的伺服控制以满足高速度及复杂型腔的加工要求。目前在高速加工机床上采用的控制系统大多为较先进的多 CPU 结构，主要采用的是 32 位 CPU，甚至多个 32 位 CPU，具有高速插补与程序块处理以及有效的超前处理能力。较强的超前处理能力用于预防刀具轨迹偏移与避免高速下突发事故。

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三、 应用高速切削加工应注意的问题

当前，高速切削加工还是费用较高的技术，设备的售价一般在 30万～80万美元之间，同时与常规切削加工有较大差异，因而掌握高速切削加工存在一定难度开展高速切削加工时应注意下列问题

正确合理地选择机床

优良的机床是开展高速切削的基础 比如对军工雷达产品构件来讲，高速切削加工对结构复杂薄壁高精度构件加工的技术优势是首要考虑的因素，应当在对被加工零件作好仔细的工艺分析基础上，确定机床的要求机床选型对机床本身的技术分析是十分关键的 有的高速机床尽管某些主要规格参数定得很高，但没有独特的技术措施，其可靠性持久性就值得怀疑 同时，高速主轴速度越高，价格越贵，应根据产品特点，确定适当的主轴转速

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冷却是不可忽视的环节

高速机床一般都配有较强的冷却能力，选择合适的冷却液十分关键 除了应根据主要加工材料来确定冷却液外，应当充分注意机床的冷却液压力，这种压力一般在2-4个大气压 通过主轴和刀具的冷却液，压力高达30-80个大气压，选用高压冷却十分必要

配备高素质的操作人员

高速切削加工速度快，难度大，操作人员应富有责任心，有丰富的切削知识，能够突破常规加工的局限，避免设备主轴转速高达10000r/min以上，应始终在20000-30000r/min下使用的情况

建立严格的质量控制手段

高速切削加工是高精度加工，机床的周期检定与调整 程序校验工件检测 环境控制等应建立制度，严格执行

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