高速加工的概念

高速加工的概念

世纪30年代，德国科学家Salomon在对不同材料进行切削实验时发现，随着切削速度的增加，切削温度及刀具磨损会剧烈增加，但是当切削速度达到并超过某临界值时，切削温度及切削力不但不会增加反而会减小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加。所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。从下图可看出，以刀具磨损的切削力为限制条件，前一个低于该值的区域A是一般传统加工。后一个低于该值的区域HSM为高速加工。由此也可看出，不同材料有不同的临界值，对于铝、镁合金，切削速度大于1000m/min 可称为高速加工，而对于加工钢或铸铁，切削速度大于305m/min就可称为高速加工了。

高速加工除了和切削速度有密切联系外，还和刀具材料、机床刚性等因素相关。所以高速加工不仅决定于主轴速度与刀具直径，还与所切削的材料，刀具寿命及加工工艺等综合因素有关。

2．2高速加工的优点

高速切削(HSC)加工作为一种先进切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛应用。高速加工采用远高于常规加工切削速度进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高加工精度。随着高速主轴技术发展，与其配套新型刀具不断出现，同时对高速加工工艺参数优化研究也不断深入，使得高速切削技术理论研究应用都得到了长足发展。高速切削(HSC)加工作为一种先进切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛应用。高速加工采用远高于常规加工切削速度进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高加工精度。随着高速主轴技术发展，与其配套新型刀具不断出现，同时对高速加工工艺参数优化研究也不断深入，使得高速切削技术理论研

究应用都得到了长足发展。

山特维克切削刀具

高速加工主要优点有：1、切削力降低30%左右，非凡适合刚性差零件，2、由于加工时对刀具工件进行了冷却润滑，减少了切削热对工件影响，非凡适合加工易热变形工件；3、激振频率远远高于机床工艺系统固有频率，加工平稳，振动小，加工表面质量好；4、能极大地提高生产效率。但，高速切削采用高压大流量冷却方式会增加环境污染、提高生产成本、减少刀具耐用度、加大机床腐蚀等一系列问题。

为了解决上述问题，目前采用方法一种改变切削液使用参数用量，研制新型无污染绿色切削液；另一种切削过程停止使用切削液，采用干切削，它能从根本上彻底解决切削液带来问题。

干切削技术上世纪九十年代为适应全球日益高涨环保要求可持续发展战略而发展起来一项绿色切削加工技术，目前欧美、日本等工业发达国家非常重视干切削研究，干切削技

术已经成功应用到了生产领域，并且取得了良好经济效益。

高速切削因具有降低切削力，工件热变形小等特点，为实现干切削提供了有利条件，高速干切削目标不仅要限制或停止使用切削液，而且要保证高加工效率加工质量。但高速干切削，因缺乏切削液冷却润滑排屑作用，会导致切削区刀具与工件摩擦加剧，切削力增大，切削温度上升，切削振动增强以及排屑不畅等情况，会影响机床加工性能刀具使用寿命，降低加工质量。因此，需要从刀具、机床辅助工艺等方面来进行研究并优化，使高速干切削技术能得到更广泛应用。

2．3高速加工的实现

（1）电主轴：高速电主轴是高速加工中心的核心部件，在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用2～12mm较小直径的立铣刀，要求很高的切削速度，因此，电主轴必须具有很高的转速

目前，加工中心的主轴转速大多在18000～42000r/min，而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.1～2mm)，则需要更高的转速，这样的高转速，当采用0.3mm直径的铣刀加工钢模时，就可达到150m/min的切削速度。

对此的影响：加工模具时，总是采用很高的转速，而高转速产生的发热，以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。为保证高速电主轴工作的稳定性，在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器，以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控。由此为高速加工中心的数控系统提供修正数据，以修改主轴转速和进给速度，对加工参数进行优化。当主轴产生轴向位移，则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。

（2）直线电机：目前，模具加工用的高速加工中心或铣床上多数还是采用伺服电机和滚珠丝杠来驱动直线坐标轴，但部分加工中心已采用直线电机。由于这种直线驱动免去了将回转运动转换为直线运动的传动元件，从而可显著提高轴的动态性能、移动速度和加工精度。采用直线电机驱动的机床可显著提高生产率。直线电机可以显著提高高速机床的动态性能。由于模具大多数是三维曲面，刀具在加工曲面时，刀具轴要不断进行制动和加速。只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下，在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓。如果曲面轮廓的曲率半径愈小，进给速度愈高，那么要求的轴加速度愈高。因此，机床的轴加速度在很大程度上影响到模具的加工精度和刀具的耐用度。

（3）转矩电机： 在高速加工中心上，回转工作台的摆动以及叉形主轴头的摆动和回转等运动，已广泛采用转矩电机来实现。转矩电机是一种同步电机，其转子直接固定在所要驱动的部件上，所以没有机械传动元件，它像直线电机一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高6倍，在摆动叉形主轴头时加速度可达到3g。由于转矩电机可达到极高的静态和动态负载刚性，从而提高了回转轴和摆动轴的定位精度和重复精度。目前，已有部分厂家的高速加工中心，已采用直线电机和转矩电机来分别驱动直线轴(X/Y/Z)和回转摆动轴(C和A)。如Edel的CyPort五轴龙门铣床，应该提及的是，直接驱动的直线轴与直接驱动的回转轴相组合，使机床所有的运动轴具有较高的动态性能和调节特性，从而为高速度、高精度和高表面质量加工模具自由曲面提供了最佳条件。

（4）控制系统： CNC控制系统是高速加工中心的重要组成部分，它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和表面质量。因此，对于加工模具自由曲面的高速机床，数控系统的性能具有特别重要的意义。加工高精度自由曲面时，由微段直线和圆弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序，这些数据流需要由机床控制系统来储存和处理，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。应用于模具高速加工的现代CNC数控系统，除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理时间外，还应具有Nurbs和样条插补功能，并能以纳米的分辨率进行工作，以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。目前，高档的数控系统也都能与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接，数据从CAD/CAM系统经以太网以很高的速度传送到控制系统上。CAD/CAM集成到控制系统上，在很大程度上能使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果，并对缩短调整时间和编程时间做出十分重要的贡献。如西门子的840D。