試論數控高速切削加工技術的發展與應用研究
論文關鍵詞：高速切削 關鍵技術 應用研究
論文摘要：本文系統介紹了數控高速切削加工的基礎理論及發展過程,分析了高速加工的優點和應用領域，總結了發展數控高速切削加工需要的關鍵技術和研究方向。
數控高速切削技術***High Speed Machining,HSM，或High Speed Cutting,HSC***，是提高加工效率和加工質量的先進製造技術之一，相關技術的研究已成為國內外先進製造技術領域重要的研究方向。我國是製造大國，在世界產業轉移中要儘量接受前端而不是後端的轉移，即要掌握先進製造核心技術，否則在新一輪國際產業結構調整中，我國製造業將進一步落後。研究先進技術的理論和應用迫在眉睫。
1、數控高速切削加工的含義
隨著製造工業的發展，這一理論逐漸被重視，並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。
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，還包含工藝過程的整合和優化，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、製造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高效能CNC系統、高效能刀夾系統、高效能刀具材料及刀具設計製造技術、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體和軟體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複雜的系統工程，是一個隨相關技術發展而不斷髮展的概念。
2、數控高速切削加工的優越性
由於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,採用小切削量、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，有利於提高加工精度。第二、材料切除率高:採用高速切削，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，不會由於溫升導致熱變形，有利於提高表面精度，加工表面的物理力學效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，同時由於切削力小於常規切削，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，能源和裝置的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時由於高速切削可以實現乾式切削，減少甚至不用切削液，減少汙染和能耗。
3、數控高速切削技術的應用領域研究
鑑於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，對於薄壁類零件和細長的工件，採用高速切削，切削力顯著降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補採用傳統方法時由於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，由於切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不鏽鋼、複合材料、耐磨鑄鐵等用傳統方法難以加工的材料，可以研究採用數控高速切削技術來加工。另外，在汽車、模具、航天航空等製造領域, 一些整體構件需要比較大的材料切除率，由於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，因而在模具製造、汽車製造、航空航天製造中，數控高速切削技術的應用將產生巨大的經濟效益。第四，由於高速切削時，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,完全可以取消後續的光整加工, 同時，採用數控高速切削技術, 能夠在一臺機床上實現對複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, 因而也有利於提高工件的加工精度。因此, 高速切削技術在精密製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，原先的製造工藝為：粗刨—半精刨—精刨—手工鏟刮—手工拋光，製造週期要60小時。採用高速銑床加工後，經過半精加工和精加工，加工週期僅需6小時，不僅效率提高，而且模具質量也大大提高。
4、實現數控高速切削加工的關鍵技術研究
數控高速切削加工是一個複雜的系統工程，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體與軟體技術，數控高速切削技術的實施和發展，依賴於此係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，將有利於促進高速切削工藝規範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，屬於原理技術。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規範和切削用量的確定，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組：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效能。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，主軸結構的改進和效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組：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、刀具幾何引數、刀體結構等都提出了不同於傳統速度切削時的要求，高速切削刀具材料和刀具製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複定位精度，裝夾剛度，高速運轉時良好的平衡狀態和安全可靠。儘可能減輕刀體質量，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，要應用於實際生產，缺乏可供參考的應用例項，更沒有實用的切削用量和加工引數資料庫，高速加工的工藝引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程式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軟體中的自動程式設計功能都還不能滿足這一的要求，需要由人工程式設計加以補充和優化，這在一定程度上降低了高速切削的價值，必須研究採用一種全新的程式設計方式，使切削資料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。
高速切削加工技術的發展和應用有賴於以上原理方面、機床、刀具、工藝等各項關鍵單元技術的發展和綜合。
5、高速切削技術應用方面研究狀況和發展趨勢
由於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，美國已經研製出最高轉速達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並進入市場，在飛機、汽車及模具製造行業實際應用。例如，在美國波音公司等飛機制造企業，已經採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程序進一步加快，高效能的電主軸技術及其產品的專業化生產步伐加大；高效能的刀具系統技術也進展迅速；直線電機技術應用於高速進給系統。
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、模具等各行業的製造需求，數控高速切削技術應用研究任重道遠。
目前，針對高速切削技術的研究已從實驗階段轉向應用階段。在應用方面的研究包括兩個層面：一是高速加工關鍵技術的基礎理論研究，包括高速主軸單元和高速進給單元等，實現高速機床國產化。另一方面，在現有實驗室實踐技術基礎上，進行工藝效能和工藝範圍的應用研究。其中，關於高速切削工藝的研究是當前最活躍的研究領域之一，主要目標是通過試驗或引進的先進裝置直接進行工藝研究，努力解決關鍵零部件的加工工藝問題，開發和完善特種材料的高速切削工藝方法；研究開發適應高速加工的CAD/CAM軟體系統和後處理系統，建立在新型檢測技術基礎上的加工狀態安全監控系統。
參考文獻
[1] H .舒爾茨著，高速加工發展概況，王志剛譯，機械製造與自動化[J].2002（1）.
孫文誠 高速切削加工模具的關鍵技術研究 [J].-機械製造與自動化2008***5***.
艾興，高速切削加工技術[M].北京:國防工業出版社，2003.
劉戰強，高速切削技術的研究與應用[D].山東大學博士後論文，2001.
張雅瓊，薄壁零件車工夾具設計[J].中國高新技術企業，2010（8）.
論文摘要：本文系統介紹了數控高速切削加工的基礎理論及發展過程,分析了高速加工的優點和應用領域，總結了發展數控高速切削加工需要的關鍵技術和研究方向。
數控高速切削技術***High Speed Machining,HSM，或High Speed Cutting,HSC***，是提高加工效率和加工質量的先進製造技術之一，相關技術的研究已成為國內外先進製造技術領域重要的研究方向。我國是製造大國，在世界產業轉移中要儘量接受前端而不是後端的轉移，即要掌握先進製造核心技術，否則在新一輪國際產業結構調整中，我國製造業將進一步落後。研究先進技術的理論和應用迫在眉睫。
1、數控高速切削加工的含義
隨著製造工業的發展，這一理論逐漸被重視，並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。
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，還包含工藝過程的整合和優化，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、製造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高效能CNC系統、高效能刀夾系統、高效能刀具材料及刀具設計製造技術、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體和軟體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複雜的系統工程，是一個隨相關技術發展而不斷髮展的概念。
2、數控高速切削加工的優越性
由於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,採用小切削量、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，有利於提高加工精度。第二、材料切除率高:採用高速切削，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，不會由於溫升導致熱變形，有利於提高表面精度，加工表面的物理力學效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，同時由於切削力小於常規切削，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，能源和裝置的利用率提高了，加工效率高，加工能耗低，同時由於高速切削可以實現乾式切削，減少甚至不用切削液，減少汙染和能耗。
3、數控高速切削技術的應用領域研究
鑑於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，對於薄壁類零件和細長的工件，採用高速切削，切削力顯著降低，熱量被切屑帶走，可以很好的彌補採用傳統方法時由於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，由於切削抗力小，刀具磨損減緩，高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不鏽鋼、複合材料、耐磨鑄鐵等用傳統方法難以加工的材料，可以研究採用數控高速切削技術來加工。另外，在汽車、模具、航天航空等製造領域, 一些整體構件需要比較大的材料切除率，由於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，因而在模具製造、汽車製造、航空航天製造中，數控高速切削技術的應用將產生巨大的經濟效益。第四，由於高速切削時，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,完全可以取消後續的光整加工, 同時，採用數控高速切削技術, 能夠在一臺機床上實現對複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, 因而也有利於提高工件的加工精度。因此, 高速切削技術在精密製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，原先的製造工藝為：粗刨—半精刨—精刨—手工鏟刮—手工拋光，製造週期要60小時。採用高速銑床加工後，經過半精加工和精加工，加工週期僅需6小時，不僅效率提高，而且模具質量也大大提高。
4、實現數控高速切削加工的關鍵技術研究
數控高速切削加工是一個複雜的系統工程，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體與軟體技術，數控高速切削技術的實施和發展，依賴於此係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，將有利於促進高速切削工藝規範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，屬於原理技術。目前，黑色金屬及難加工材料的高速切削工藝規範和切削用量的確定，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組：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效能。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，主軸結構的改進和效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組：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、刀具幾何引數、刀體結構等都提出了不同於傳統速度切削時的要求，高速切削刀具材料和刀具製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複定位精度，裝夾剛度，高速運轉時良好的平衡狀態和安全可靠。儘可能減輕刀體質量，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，要應用於實際生產，缺乏可供參考的應用例項，更沒有實用的切削用量和加工引數資料庫，高速加工的工藝引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程式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軟體中的自動程式設計功能都還不能滿足這一的要求，需要由人工程式設計加以補充和優化，這在一定程度上降低了高速切削的價值，必須研究採用一種全新的程式設計方式，使切削資料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。
高速切削加工技術的發展和應用有賴於以上原理方面、機床、刀具、工藝等各項關鍵單元技術的發展和綜合。
5、高速切削技術應用方面研究狀況和發展趨勢
由於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，美國已經研製出最高轉速達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並進入市場，在飛機、汽車及模具製造行業實際應用。例如，在美國波音公司等飛機制造企業，已經採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程序進一步加快，高效能的電主軸技術及其產品的專業化生產步伐加大；高效能的刀具系統技術也進展迅速；直線電機技術應用於高速進給系統。
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、模具等各行業的製造需求，數控高速切削技術應用研究任重道遠。
目前，針對高速切削技術的研究已從實驗階段轉向應用階段。在應用方面的研究包括兩個層面：一是高速加工關鍵技術的基礎理論研究，包括高速主軸單元和高速進給單元等，實現高速機床國產化。另一方面，在現有實驗室實踐技術基礎上，進行工藝效能和工藝範圍的應用研究。其中，關於高速切削工藝的研究是當前最活躍的研究領域之一，主要目標是通過試驗或引進的先進裝置直接進行工藝研究，努力解決關鍵零部件的加工工藝問題，開發和完善特種材料的高速切削工藝方法；研究開發適應高速加工的CAD/CAM軟體系統和後處理系統，建立在新型檢測技術基礎上的加工狀態安全監控系統。
參考文獻
[1] H .舒爾茨著，高速加工發展概況，王志剛譯，機械製造與自動化[J].2002（1）.
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