淺談數(shù)控加工高速切削的影響因素

【摘 要】數(shù)控高速加工是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其應(yīng)用將大幅度提高機(jī)械制造領(lǐng)域的加工效率和加工質(zhì)量，提高行業(yè)效益，影響數(shù)控高速加工的因素主要有：毛坯制造技術(shù)，切削刀具系統(tǒng)，機(jī)床性能，切削工藝等，文中分析了各項(xiàng)因素對(duì)數(shù)控高速加工的影響。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控加工，高速切削

一、概述

圍繞提高生產(chǎn)效率這一目的，切削加工已進(jìn)入了發(fā)展高速、高精度切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)的新階段。采用高速切削技術(shù)加工模具已經(jīng)成為模具制造的重要趨勢(shì)，高速切削逐漸取代電火花精加工模具，在國(guó)外的模具制造企業(yè)已經(jīng)普遍采用，能夠明顯提高加工效率。與此同時(shí)，因模具制造業(yè)的毛坯材料多改用預(yù)硬鋼并要求一步加工到位不用手工拋光或電火花加工，銑削的加工精度與質(zhì)量便直接影響模具整體加工時(shí)間。

二、高速高精度銑削一般加工精度在l0μm以內(nèi)，可分為三個(gè)層次：普通級(jí)為5μm-10μm，高精密級(jí)為3～5μm至1～1.5μm，超精密級(jí)可達(dá)0.0lμm。高速高精度切削不僅影響質(zhì)量與效率，也對(duì)工件、刀具、夾具和機(jī)床提出更高要求。

（一）高速高精度加工對(duì)工件的要求

工件材料冶煉過程中的雜質(zhì)會(huì)在材料中產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)，造成切削過程的振動(dòng)，使刀刃崩損。熱處理過程也會(huì)造成各部位硬度不均勻，如果粗加工后淬火再進(jìn)行精加工，工件尺寸和幾何形狀的變形會(huì)對(duì)后期精加工精度有很大影響。所以為了適應(yīng)高精度高速的生產(chǎn)環(huán)境，工件需要具備均勻的材質(zhì)和優(yōu)良的熱處理質(zhì)量。

（二）高速高精度加工對(duì)刀具系統(tǒng)的要求

高速切削加工時(shí)刀具系統(tǒng)有較大離心力和振動(dòng)，要求刀具有很高的幾何精度和裝夾重復(fù)定位精度，以及高剛度和動(dòng)平衡的可靠。傳統(tǒng)的7：24錐度刀柄系統(tǒng)在進(jìn)行高速切削時(shí)存在剛性不足、重復(fù)定位精度不高、軸向尺寸不穩(wěn)定等缺陷，故7：24錐度刀柄不適合高速切削使用。目前高速切削應(yīng)用較多的是雙面接觸空心短錐刀柄HSK或BIG-PLUS雙面接觸高速刀柄。刀具系統(tǒng)夾緊的新趨勢(shì)是采用冷縮式夾緊結(jié)構(gòu)（或稱熱裝式），裝夾時(shí)利用感應(yīng)或熱風(fēng)加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具，裝入新刀具，然后采用風(fēng)冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合實(shí)現(xiàn)夾緊。這種結(jié)構(gòu)刀具的徑向跳動(dòng)在4μm，剛性高，動(dòng)平衡性好，夾緊力大，高轉(zhuǎn)速下仍能保持高可靠性。

（三）高速高精度加工對(duì)切削工藝的要求

切削工藝主要包括：適合高速切削的工藝路線、專門的CAD/CAM編程策略、優(yōu)化的高速加工參數(shù)、充分冷卻潤(rùn)滑并具有環(huán)保特性的冷卻方式等。

高速切削的刀具軌跡原則上多采用分層環(huán)切加工，一般使用斜線軌跡進(jìn)刀方式，直接垂直向下進(jìn)刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，因此不宜采用；斜線軌跡進(jìn)刀方式的銑削力是逐漸增大的，因此對(duì)刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。

CAD/CAM編程原則上盡可能保持恒定的刀具載荷，減少刀具受到的沖擊載荷，把進(jìn)給速率變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：提高程序處理速度；在程序段中適當(dāng)加入圓弧過渡段，減少速度的急劇變化；粗加工要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，盡可能減少銑削負(fù)荷的變化；多采用分層順銑方式；切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行切向進(jìn)刀，以保證穩(wěn)定的切削條件。

高速加工切削用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。通常，隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進(jìn)給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。高速銑削參數(shù)一般的選擇原則是高的切削速度、中等的每齒進(jìn)給量fz、較小的軸向切深ap和適當(dāng)大的徑向切深ae。

（四）高速高精度加工對(duì)機(jī)床的要求

機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、高穩(wěn)定主軸系統(tǒng)、先進(jìn)熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)、先進(jìn)的數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)等對(duì)高精度切削有著重要影響。機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠。隨著先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，CNC機(jī)床提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機(jī)床加工的定位及重復(fù)定位精度。

現(xiàn)今，高速機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的速度和加速度的前饋控、前瞻處理、拐角預(yù)處理都能有效地保證模具復(fù)雜曲面高速加工的質(zhì)量和效率。部分機(jī)床還可在內(nèi)部進(jìn)行NURBS插補(bǔ)曲線處理，用戶可直接控制加工精度參數(shù)，準(zhǔn)確地控制速度和加速度，使加工精度得到保證。

機(jī)床切削期間結(jié)構(gòu)受熱所產(chǎn)生的熱位移，是影響加工精度的重要因素，因此機(jī)床溫度控制技術(shù)及熱位移補(bǔ)償技術(shù)在近年來逐漸受到重視，由于熱會(huì)使所有機(jī)件的材質(zhì)膨脹，故所有會(huì)產(chǎn)生熱的行為皆是誤差產(chǎn)生的原因。如：高速主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、各滑動(dòng)件、滾動(dòng)件摩擦、伺服電動(dòng)機(jī)消耗功、環(huán)境溫度場(chǎng)變化等。

解決機(jī)床由于溫度分布不均勻所導(dǎo)致的熱誤差一般有三種方法：（1）控制熱量流向機(jī)床周圍環(huán)境。（2）重新設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)，使其對(duì)熱變形敏感度降低及控制變形程度。（3）對(duì)移動(dòng)件進(jìn)行熱補(bǔ)償。

其中最經(jīng)濟(jì)且效果最好的方法是熱誤差補(bǔ)償，如日本大隈公司提出的“熱親和概念”，主要分為兩部分：

（1）熱位移補(bǔ)償——主軸。主軸采用簡(jiǎn)單熱變形的結(jié)構(gòu)，平均熱對(duì)稱冷卻潤(rùn)滑噴嘴及雙重冷卻油套，將熱變形抑制在最小程度，應(yīng)用正確的熱位移補(bǔ)償方式，使能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)中保持熱變形在4μm以內(nèi)。

（2）熱位移補(bǔ)償——結(jié)構(gòu)。機(jī)床主軸之外的其他結(jié)構(gòu)使用熱量分布均勻的箱式組合構(gòu)造，通過機(jī)內(nèi)護(hù)罩減小冷卻液和加工時(shí)鐵屑熱量對(duì)機(jī)床溫度的影響，采用分離的NC控制箱設(shè)計(jì)將電器零件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量隔離，使機(jī)床前后溫度保持相同，將熱變形抑制在最小程度。

三、結(jié)語(yǔ)

數(shù)控技術(shù)在我國(guó)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，推廣應(yīng)用數(shù)控高速切削技術(shù)可以大幅度提高機(jī)械加工的效率、質(zhì)量、降低成本，可以帶動(dòng)相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。應(yīng)重視和加強(qiáng)與數(shù)控高速切削相適應(yīng)的工件毛坯材料、刀具材料、刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)床技術(shù)及相關(guān)新工藝的研究和開發(fā)，努力提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的加工效率和質(zhì)量水平。

參考文獻(xiàn)：

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[3]何寧，高速切削技術(shù)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012

作者簡(jiǎn)介：朱鵬程（1974--），男，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，煙臺(tái)南山學(xué)院教師。研究方向：數(shù)控加工技術(shù)。