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1、高速切削加工（许贝 沈阳理工大学机械学院 沈阳 110159）摘要：高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天、汽车、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。本文介绍了高速切削加工技术的发展前景与发展状况以及模具高速铣削加工技术与传统铣削加工技术的比较，而且还点明了高速切削加工的数控系统原理。关键词：高速切削加工技术 磨具高速铣削加工 传统铣削加工 数控系统High Speed Machining【Author】 ：Xubei Shenyang university o
2、f technology institute of machinery Shenyang 110159【Abstract】 ：High speed machining is a new technology for the twenty-first Century.It is with high efficiency, high precision and high surface quality as a basic feature, in the aerospace, automotive, mold manufacturing, optoelectronic engineering an
3、d instrumentation industries get more and more extensive application, and have made significant technical and economic benefits, is the contemporary advanced manufacturing technology an important component of. This paper introduces the development of high speed machining technology prospect and deve
4、lopment condition as well as the mold high speed milling processing technology and traditional milling technology comparison, but also point out the high speed machining CNC system principle.【Key words】 ：High speed machining technology Tool in high speed milling Conventional milling processing CNC s
5、ystem 1. 高速切削加工的特点及应用 随着科学技术的发展，机械制造技术朝着高速、低消耗、优质和高精度的方向迈进。高速加工与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起，构成了当今机械制造中的四大先进制造技术。高速切削是当今世界制造业中一项快速发展的高新技术。高速加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天、汽车、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。（1）能获得较高的加工精度。（2）能获得较高的加工表面完整性。（3）加工能耗低、节省制造资源。（4）能有效抑制切削震动影响，
6、降低加工表面粗糙度。（5）能加工各种难加工的材料。对硬质材料表面加工代替电火花加工（6）降低生产成本。2 高速铣削加工技术的发展现状及发展前景 高速铣削作为高效切削加工的新方法，在模具制造中得到了广泛应用。在常规生产连杆锻模时，用电火花加工型腔需1215h，电极制作2h。改用高速铣削后，采用高速立铣刀对硬度H R C 6 0 的淬硬工具钢进行加工。整个锻模加工只需3h20min，工效提高45 倍，加工表面粗糙度达Ra0.50.6m ，质量完全符合要求。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，目前主要应用于汽车工业和模具行业，尤其是在加工复杂曲面、工件本身或刀具刚性要求较高的加工领域等，是
7、多种先进加工技术的集成，其高效、高质量为人们所推崇。它不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及C A D / C A M 技术等。模具高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是今后加工技术必然的发展方向。高速铣削加工是提高生产率的众多途径之一。为了提高数控加工的效率，目前国外许多飞机厂和发动机厂已采用高速切削加工来制造航空零部件，如长的铝合金零件、薄层腹板件、模具、钛合金零件等。我们所指高速加工是高速主轴、高速进给和先进的控制软件。目前，国外在高速切削加工方面除了进行工艺研
8、究外，还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC控制系统及软件等。1主轴系统 对于高速加工而言电主轴已成为机床的核心部件，由于在高速加工领域中多采用小直径的铣刀(直径仅0.12mm)，而要满足150n/min以上的切削速度就要求提高主轴的转速。目前，主轴转速在20000-40000 rmin的加工中心已经越来越普及，如瑞士Mikro公司的X
9、SM400U。该设备的主轴转速已达到54000rmin，为了适应高转速所产生的温升、振动和位移，主轴轴承采用陶瓷轴承、磁力轴承和空气轴承替代了传统轴承；同时对主轴高转速带来的温升、位移和振动进行测量、修正和补偿，以确保主轴系统的高速度和高精度。目前德国的Kugler公司已生产出采用空气轴承的主轴最高转速达160000rmin的5轴高精度铣床，德国Fruanhofer正在研制300000rmin的高速主轴。2.进给系统 对于高速加工而言，高的切削速度固然是主导因素，然而要实现真正的高效加工，提高进给速度和降低辅助时间尤为重要。 由于直线电机技术的迅猛发展，其速度高、加速度大、定位精度和跟踪精度高
10、及行程不受限制的优势已充分体现在高速加工中心上，如德国德马吉公司的DMC75Vinear型高速加工中心，其快速进给速度已达到90mmin，加速度达到2g，相应的定位精度和重复定位精度也有大幅度提高，目前直线电机的发展已经提高到120mmin，甚至200mmin，加速度达到6g，当然如此高的加速度情况下提高机床的刚度就显得尤为重要。 对于多轴联动的高速加工中心、回转工作台和叉形主轴的摆动和回转是通过转矩电机实现的，它就和直线电机一样采用了直接驱动的方式来实现高转速和高加速度，其能达到的角加速度是传统蜗轮蜗杆传动的6倍，加速度可达到3g。 直线电机和转矩电机在高速加工中心上的组合应用为高速度、高精
11、度和高的表面质量加工模具提供了最佳条件。3辅助系统 作为高速加工重要部件之一的自动换刀装置(ATC)的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术指标。 快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，在尽可能短的时间内完成刀具自动交换的技术方法，如采用机械凸轮机构的自动换刀装置，其速度要大大高于液压和气动换刀装置。日本SODIC公司生产的MC450立式加工中心所采用的换刀机构，刀一刀时间仅0.6s。同时为了提高自动换刀时间还采用了如多主轴换刀、双主轴换刀和多机械手换刀等方式，如奥地利ANGERG公司生产的多主轴加工中心，实现了切削一切削时间仅0.4s；德国CHIRON公司采用多机械手的换刀机构实现
12、了切削一切削换刀时间仅1.5s。自动换刀机构的发展有力地推动了高速加工的实现。4.CNC控制系统要实现高速加工必须配以高性能的CNC控制系统，因为它是决定机床加工速度、精度和加工件表面质量等性能的重要因素。首先在加工高精度空间曲面时，复杂的刀具轨迹需要庞大的加工程序，因此，程序段处理时间的长短是决定CNC控制系统工作效率的重要指标。目前如海德汉的iTNC530数控系统，对程序段的处理时间可达0.5ms。除缩短程序处理时间外，控制系统还具有能以纳米的分辨率进行工作的Nurbs和样条插补功能，以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。另外，其还必须能与不同厂家的CADCAM系统进行连接，尤
13、其对5轴联动加工，巨大的数据程序可以通过CADCAM系统经网络以很高的速度传送到控制系统上，最大限度的缩短调整时间和编程时间。3 模具高速铣削加工技术与传统铣削加工技术的比较普通铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数，而高速铣削加工则采用高的进给速度和小的切削参数，高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特点： （1）高效 高速铣削的主轴转速一般为15000r/min40000r/min，最高可达100000r/min。在切削钢时，其切削速度约为400m/min，比传统的铣削加工高510倍；在加工模具型腔时与传统的加工方法(传统铣削、电火花成形加工等)相比其效率提高45倍。 （2）高精度 高速铣
14、削加工精度一般为10m，有的精度还要高。 （3）高的表面质量 （4）可加工高硬材料 可铣削5054HRC的钢材，铣削的最高硬度可达60HRC。高速铣削加工的缺点为：过多的刀具磨损，需要特别昂贵的机床，并且这些机床必须有良好的主轴、控制器单元和夹具，具有动平衡的刀柄，最重要的是要有先进的刀具材料和涂层材料。4.高速加工机床数控系统原理数控系统组成1、操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有部件。2、控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的
15、信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN）等3、CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心4、伺伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机测量装置：位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）5、PLC、机床I/O电路和装置PLC(
