高速切削技術(shù)在數(shù)控車床中的應(yīng)用
2020-11-19 來源：上海維宏電子科技股份有限公司 作者： 柏 鶴
摘 要：介紹了高速切削技術(shù)及輕金屬材料、超級(jí)合金材料、鋼材和鑄鐵材料等高速切削技術(shù)的適用對(duì)象，分析了高速切削技術(shù)在數(shù)控車床中應(yīng)用的技術(shù)要求，給出了高速主軸單元的運(yùn)行條件和參數(shù)設(shè)置，并對(duì)刀柄、刀具材料的選擇進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：高速切削 數(shù)控車床 應(yīng)用
1、 研究背景
在機(jī)械制造生產(chǎn)實(shí)踐所使用的加工技術(shù)中， 高速切削技術(shù)是應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)之一。
高速切削技術(shù)具有效率高、 能耗低、 精度高等優(yōu)點(diǎn)。 在機(jī)械加工過程中應(yīng)用高速切削技術(shù)，能夠在保證加工質(zhì)量的前提下進(jìn)一步提高加工效率， 并且減少能耗。
在此背景下， 將高速切削技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械加工的主要平臺(tái)數(shù)控車床，具有十分重要的意義。
2、 高速切削技術(shù)概述
在機(jī)械加工中， 切削指對(duì)工件上的冗余部分進(jìn)行切除，這一操作需要借助刀具、砂輪等部件來完成。 高速切削建立在傳統(tǒng)刀具切削基礎(chǔ)之上， 具備傳統(tǒng)刀具切削的特點(diǎn)。
當(dāng)然，高速切削技術(shù)與傳統(tǒng)切削技術(shù)相比，具有高效率、低成本、高精度等優(yōu)點(diǎn)。 作為一項(xiàng)已經(jīng)比較成熟的機(jī)械加工技術(shù)， 高速切削技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用比較廣泛。 要想實(shí)現(xiàn)對(duì)高速切削技術(shù)的應(yīng)用， 需要做好數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。只有充分做好以上工作，才能使高速切削技術(shù)得到有效應(yīng)用， 從而發(fā)揮其在機(jī)械加工中的優(yōu)勢(shì)。 同時(shí)， 為了提高高速切削技術(shù)應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性， 需要做好數(shù)控車床各個(gè)子系統(tǒng)中相關(guān)控制指標(biāo)的設(shè)定。
3 、適用對(duì)象
高速切削技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象是有一定限制的， 并非所有材料都能進(jìn)行高速切削加工。 在機(jī)械制造加工實(shí)踐過程中，高速切削技術(shù)通常適用于三類材料，分別為輕金屬材料、超級(jí)合金材料、鋼材和鑄鐵材料。
3.1 輕金屬材料
在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中， 鋁合金是最常用的輕金屬材料之一。
鋁合金不但擁有較好的耐腐蝕性能和導(dǎo)電、 導(dǎo)熱性能，而且還具有較強(qiáng)的韌性和延展性。這些特性使鋁合金具備較好的快速成型能力， 能夠被廣泛運(yùn)用于制造業(yè)中。
總體而言，輕金屬材料具有較好的切割性能，能夠適合進(jìn)行高速切削。 在對(duì)輕金屬材料進(jìn)行高速切削的過程中，輕金屬材料可以將絕大多數(shù)熱量帶走，從而減小輕金屬材料的熱變形，并且由于切削速度快，因此具備更高的精度。
3.2 超級(jí)合金材料
在對(duì)超級(jí)合金材料進(jìn)行高速切削的過程中， 需要選擇合適的刀具，包括氧化鋁刀具、聚晶立方氮化硼刀具等。
通過選擇合適的刀具， 能夠進(jìn)一步提升超級(jí)合金高速切削過程中的速度與精度。
3.3 鋼材和鑄鐵材料
在對(duì)鋼材進(jìn)行高速切削的過程中， 通常需要選擇較為鋒利的刀具，同時(shí)對(duì)切削的后角進(jìn)行嚴(yán)格把控。這樣做的主要目的是減小刀具的磨損， 從而使刀具的使用壽命延長(zhǎng)。
此外， 適當(dāng)?shù)暮蠼且灿兄谔岣邔?duì)鋼材進(jìn)行高速切削的精度。
在對(duì)鑄鐵材料進(jìn)行高速切削的過程中， 也需要注意選擇刀具材料。只有選擇合適的刀具材料，才能夠提升切削的速度和質(zhì)量。
4 、高速切削技術(shù)應(yīng)用技術(shù)要求
以下介紹高速切削技術(shù)在數(shù)控車床中應(yīng)用的技術(shù)要求。
4.1 高速主軸單元運(yùn)行條件
與普通車床相比， 高速切削車床的最大區(qū)別之一是高速主軸單元。 高速主軸單元是實(shí)現(xiàn)高速切削的核心部件，要使高速主軸單元正常工作，通常需要滿足以下條件：第一，具備較高的同軸度、傳遞力矩和傳動(dòng)功率；第二，具備良好的冷卻裝置、平衡性和動(dòng)態(tài)性能；第三，具備較高的角加速度。
4.2 高速主軸單元參數(shù)設(shè)置
高速主軸單元相關(guān)參數(shù)的設(shè)置通常需要符合以下要求：
（1） 主軸具有較高的轉(zhuǎn)速，通常高于 10 000 r/min，是普通車床轉(zhuǎn)速的 5～10 倍；
（2） 高 速 主 軸 車 床 的 輸 出 功 率 通 常 設(shè) 置 為 20k W～80 k W，當(dāng)輸出功 率在這一范圍內(nèi)時(shí)，不 但 能 夠 提高切削加工的效率，而且可以對(duì)重荷載材料進(jìn)行加工；
（3） 高速主軸單 元的啟動(dòng)和 制動(dòng)時(shí)間較 短 ， 通 常為 1～2 s，為此，主軸單元的加速度要比普通車床高，通常設(shè)置為 1g～8g，g 為重力加速度。
4.3 部件選擇
部件的選擇不僅決定自身的使用壽命和使用效率，而且決定高速切削的效果，因此部件的選擇要從有效性和合理性出發(fā)。
4.3.1 刀柄
高速切削過程中，最核心的部件之一是刀柄，決定著高速切削的最終效果和時(shí)間。
（1） ER 彈 性 夾 套 。 在 高速 切 削 加工 時(shí) 選 用精度高、成本低的 ER 彈性夾套，在旋轉(zhuǎn)向心力加速方面，可以起到促進(jìn)作用。 在夾力方面，ER 彈性夾套直徑小的特點(diǎn)可以提高力度。在使用時(shí)，需要平衡螺帽來穩(wěn)定和加固。
（2） 熱縮式刀柄 。 較為先進(jìn)的 熱縮式刀 具 與 刀 柄結(jié)合，具有諸多優(yōu)勢(shì)。熱縮式刀柄材質(zhì)可以支持系統(tǒng)加熱，具有極高的穩(wěn)定性。
（3） 強(qiáng)力銑夾刀 柄。 此種刀柄 在使用時(shí) 只 能 適 用直徑較大的刀具，具有較大的局限性。強(qiáng)力銑夾刀柄的優(yōu)點(diǎn)與同心力和同心性有關(guān)，同心力越大，夾力越大，所以在大直徑刀具進(jìn)行切削時(shí)可以保障切削效果。
（4） 液壓刀柄。 液壓在工業(yè)品 行業(yè)中應(yīng) 用 較 為 廣泛，液壓刀柄使液壓技術(shù)與刀柄實(shí)現(xiàn)結(jié)合，其裝卸較為方便快捷，在同心性和直徑方面具有優(yōu)勢(shì)。
（5） 高精度 HP 夾 套 。 此 類 夾 套 在 功 能 上 類 似 于ER 彈性夾套，但是在夾力的原理上有重要區(qū)別。HP 夾套在應(yīng)用時(shí)使刀具通過定位鎖緊， 精度較高， 成本較低，優(yōu)點(diǎn)為同心性好，對(duì)操作的平衡度容易把控，利于裝卸清洗。
4.3.2 刀具材料
高速切削的效果主要由刀具材質(zhì)和質(zhì)量決定，因此刀具材料的選擇在高速切削中具有重要作用。
（1） 涂層材料。 刀 具涂層材料 主要分 為 硬 性和 軟性兩種。 前者在使用中的耐磨度較高，如碳化鈦、氮化鈦等。后者在使用中相互摩擦的作用較小，對(duì)切削力度的限制較為有利于切削，如二硫化鎢等。 同時(shí)，軟涂層的使用會(huì)提高表面處理效果，延長(zhǎng)使用壽命。
（2） 陶瓷材料。 陶瓷具有硬度大、抗摩擦 等 特 點(diǎn) ，被大量運(yùn)用。 陶瓷刀具硬度大， 在高溫環(huán)境下不受影響， 適用于高溫切削加工。 陶瓷材料的抗粘結(jié)性也較好，可以消除在切削加工中出現(xiàn)的粘連等問題。由此可見， 陶瓷材料因自身化學(xué)性能和特點(diǎn)而在高速切削加工中大量應(yīng)用。
（3） 金剛石材料。 硬度最佳的刀具材料為金剛石，其導(dǎo)熱性能也較佳。但是由于成本較高，導(dǎo)致部分加工廠商在選擇時(shí)有所顧慮。
5 、結(jié)束語
高速切削在工業(yè)制造中屬于較為核心和繁雜的加工流程， 參數(shù)的設(shè)置與部件的選擇都會(huì)影響最終的效果和效率。 因此，在數(shù)控車床中應(yīng)用高速切削技術(shù)時(shí)，不僅要對(duì)各個(gè)要點(diǎn)全面熟悉和了解， 而且對(duì)刀具和材料的選擇也要慎重。 通過研究應(yīng)用技術(shù)要求和部件選擇， 可以為高速切削技術(shù)在數(shù)控車床中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。
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