高速加工技术概述

1.概述

高速铣削加工技术是20世纪80年代开始发展起来的新技术，目前市场上出现的高速铣削加工机床主轴的最高转速在40000～60000r/min，在x、y、z坐标轴方向的最大工作进给速度提高到24～30m/min。高速加工的基本出发点是高速低负荷状态下的切削，比低速高负荷状态下切削更快地切除材料。

低负荷切削意味着可减轻切削力，从而减少切削过程中的振动和变形。与普通机加工相比，高速加工采用全新的加工工艺，从刀具、切削参数到走刀轨径的选择及程序的编制都不同于传统的加工。它在提高工件的加工质量和效率、降低加工成本方面的优势是显而易见的，如可以获得很高的表面质量，容易实现零件的精细结构的加工而避免了大量电极制造和耗时的放电加工。同时简化了生产的工序，使绝大多数的工作都集中在高速加工中心上完成。以模具加工为例，高速加工的模具的生产周期缩短至少60%，成本下降约30%。并且高速加工的模具较电火花加工的模具表面质量更佳，使用寿命更长。同时，高速加工切削力大幅下降，配用合适的刀具可以实现一些传统方法难以实现的加工，如难切削材料（淬硬钢、石墨、钛合金）的加工、一些微小结构（小孔、细槽）的铣削加工、薄壁类零件的加工等。

2.高速加工的工艺设置

使用高速加工技术，不仅要有适合高速加工的设备——高速加工中心，还要选择适合高速加工的刀具，并选用合适的加工工艺，才能发挥最大的效益。

（1）刀具的选择

1）刀柄的选择：高速加工要选用HSK系列的刀柄，该刀柄采用锥面和端面双重定位，刚性好、精度高，可满足日益发展的高速和高精度加工需求。同时选用热缩式刀夹可以获得更高的同心度和平衡性能。

2）刀具几何参数的选择：高速切削加工切削力及扭矩较小，可以先用较大的后角较尖锐的切削，例如在切削45钢时后角a=12°～16°，以便降低工件材料在后刀面的接触摩擦效应，有利于提高刀具寿命。

3）刀具材料的选择：切削钢件使用的硬质合金刀具必须具有很高的热硬度，因此TiC含量较高的P类合金优于WC含量较高的Ｋ类硬质合金。与硬质合金相比，陶瓷刀具的寿命要高得多，但它性脆，导热能力差，只适用于小的背吃刀量和进给量。使用涂层硬质合金刀具，如物理气相沉积（PVD）方法涂覆的ＴiN涂层刀具，可以大幅度提高刀具的抗磨损能力，从而提高刀具的寿命，根据切削速度的不同，可以达到50%～200%之间。

（2）选择合适的切削用量

使用高速加工技术，选择合适的切削用量和进给量，不仅能有效提高加工效率，同时有利于延长刀具的使用寿命，从而达到最佳的效益。

1）进给量的选择：在进给量增大时，刀具寿命先是上升，而在达到临界值后迅速下降。这是因为，初始阶段，由于刀具在工件的切削次数减少，之后进给量增大引起的切削力增加，工件切削路径变长和前刀面接触温度上升，造成刀具前刀面月牙洼磨损，使刀具寿命下降。

2）背吃刀量的选择：铣刀的轴向背吃刀量对刀具寿命影响较小，在加工过程中，铣削宽度尽量选得大些。相反，径向背吃刀量对刀具寿命的影响很大，后者随前者增大而下降。一般推荐径向背吃刀量为铣刀直径的5%～10%。

3）切削液对刀具寿命影响有限，这是因为铣削主轴高速旋转，切削液若要达到切削区，首先要克服极大的离心力，即使它克服了离心力进入了切削区，也可能由于切削区的高温而立即蒸发，切削效果很小甚至没有；同时切削液会使刀具刃部的温度激烈变化，容易导致裂纹的产生。因此高速机床转速达到20000r/min以上时，一般建议用户采用油/汽冷却润滑的切削方式。这种方法可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切屑，从而将大量的切削热带走。同时经雾化的润滑油可以在刀具刃部和工具表面形成一层极薄的微观保护膜，可有效地延长刀具寿命并提高零件的表面质量。

3.高速加工程序的编制(www.xing528.com)

高速加工在绝大部分情况下应使用自动编程，并且应选择支持高速加工的软件系统。采用适合高速加工的编程策略即选择合适的工艺方法也至关重要。有一点必须记住，高速加工并不是简单地使用现有刀具路径，通过提高主轴转速和进给率实现。

采用高速铣削加工编程的原则主要与数控加工系统、加工材料、所用刀具等方面有关。使用CAM系统进行数控编程时，除刀具选择、切削用量以及选择合适的加工参数可以根据具体情况设置外，加工方法的选择就成为高速加工数控编程的关键。如何选择合适的加工方法来较为合理、有效地进行高速加工的数控编程，需要考虑的问题主要与以下几个方面相关：

1）由于高速加工中心具有前视或预览功能，在刀具需要进行急速转弯时加工中心会提前进行预减速，在完成转弯后再提高运动速度。机床的这一功能主要是为了避免惯性冲击过大，从而导致惯性过切或损坏机床主轴而设置的。有些高速加工中心尽管没有这一功能也能较好地承受惯性冲击，但该情况对于机床的主轴也是不利的，会影响主轴等零件的寿命。在使用CAM进行数控编程时，要尽一切可能保证刀具运动轨迹的光滑与平稳，尽量避免切削方向的突然变化。

2）由于高速加工中刀具的运动速度很高，而高速加工中采用的刀具通常又很小，这就要求在加工过程中保持固定的刀具载荷，应避免材料切除率的突然变化，避免刀具过载。因为刀具载荷的均匀与否会直接影响刀具寿命、机床主轴寿命等，在刀具载荷过大的情况下还会导致断刀。

3）采用更加安全和有效的加工方法，并进行安全检查与分析，确保刀具及刀柄不与零件产生碰撞。

4）尽量减少空程移动，使切削时间减少到最短。高速加工设备本身十分昂贵，而刀具消耗及其他费用也相对较高，保证机床使用的是最好的程序，最短的时间完成加工才能有良好的经济性。

5）合理安排加工顺序至关重要。安排加工顺序时应尽可能地将加工步骤减少到最少，尽可能地使用连续策略，例如，环绕路径通常比平行路径好；在零件的一些临界区域应尽量保证不同步骤的精加工路径不重叠，如果出现路径重叠，势必会出现刀痕：尽量不换刀，使用单个刀具精加工临界区域，换刀常常导致精加工后加工表面出现刀痕。

4.充分发挥CAM软件的高速加工特性

许多CAM系统都有很多高级的加工能力，充分利用和挖掘这些加工能力，可以极大地改善加工的效果。采用更适合高速加工的加工方法，充分利用CAM软件内在的优秀功能。先进CAM系统提供了许多更适合高速加工的加工方法。如在轮廓加工中，用户可以使用螺旋式三轴连动的加工方法。使用该加工方法进行轮廓加工时，刀具一边沿轮廓切削，一边在纵向进刀，这保证了刀具载荷的稳定，刀轨轨迹也自然平滑。用户还可以采用摆线式加工，摆线式加工是利用刀具沿一滚动圆的运动来逐次对零件表面进行高速与小切量的切削，采用该种方法可以有效地进行零件上窄槽和轮廓的高速小切量切削，对刀具具有很好的保护作用。在进行零件的精加工和加工中心支持NURBS代码的情况下，应采用NURBS编程，这样产生的刀轨轨迹的数据量不仅少，而且刀具运动也更光滑、平稳、高效。

粗切削时使用具有层间二次粗加工优化的功能。在等高线粗切中，由于零件上存在斜面，会在斜面上留有台阶，导致残留余量不够均匀，这样对后续的加工不利。如刀具载荷不均匀，尽管系统具有载荷的分析与优化，但必将影响加工的效率和质量。因此在进行粗切时，用户应选择具有优秀的层间二次粗加工功能，在粗切时就得到了余量均匀的结果，为后续加工提供更有利的条件，也提高了加工的效率。

在最后阶段对零件进行清根时，利用具有斜率分析的清根算法，对陡峭拐角和平坦拐角区别对待，即对陡峭拐角的清根使用等高线一层一层清根，对平坦区域采用沿轮廓清根，可以更好地保护刀具，获得更好的表面质量。

在等高方式精加工时，应使用螺旋式改变进刀位置的方式，以避免在固定好位置留有进刀痕迹，保证加工结果的整体优良。

好的高速加工程序在机床上执行得非常快，但它的产生却需花费很长的时间和大量的精力。如在模具制造这样的单件加工领域，因等待加工程序而导致机床停机的现象可能经常发生。如果简单地将这种压力强加给CAM操作者，让他们更快地产生刀具路径，常常会迫使他们走捷径。其结果是所编制的程序并不经济、有效，尽管机床在继续运转，但加工速度却大打折扣。要得到最好的高速加工结果，必须提供足够强大的CAM能力，以能得到高质量的加工程序，保证机床能全负荷地进行工作。