高速切削技術在數控車床中的應用
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及輕金屬材料、超級合金材料、鋼材和鑄鐵材料等高速切削技術的適用對象，分析了高速切削技術在數控車床中應用的技術要求，給出了高速主軸單元的運行條件和參數設置，并對刀柄、刀具材料的選擇進行了研究。
關鍵詞：高速切削 數控車床 應用
1、 研究背景
在機械制造生產實踐所使用的加工技術中， 高速切削技術是應用比較廣泛的技術之一。
高速切削技術具有效率高、 能耗低、 精度高等優點。 在機械加工過程中應用高速切削技術，能夠在保證加工質量的前提下進一步提高加工效率， 并且減少能耗。
在此背景下， 將高速切削技術應用于機械加工的主要平臺數控車床，具有十分重要的意義。
2、 高速切削技術概述
在機械加工中， 切削指對工件上的冗余部分進行切除，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刀具切削基礎之上， 具備傳統刀具切削的特點。
當然，高速切削技術與傳統切削技術相比，具有高效率、低成本、高精度等優點。 作為一項已經比較成熟的機械加工技術， 高速切削技術在生產實踐中的應用比較廣泛。 要想實現對高速切削技術的應用， 需要做好數控車床結構設計、數控車床控制系統設計、刀具結構設計等工作。只有充分做好以上工作，才能使高速切削技術得到有效應用， 從而發揮其在機械加工中的優勢。 同時， 為了提高高速切削技術應用過程中的穩定性， 需要做好數控車床各個子系統中相關控制指標的設定。
3 、適用對象
高速切削技術的應用對象是有一定限制的， 并非所有材料都能進行高速切削加工。 在機械制造加工實踐過程中，高速切削技術通常適用于三類材料，分別為輕金屬材料、超級合金材料、鋼材和鑄鐵材料。
3.1 輕金屬材料
在工業生產活動中， 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電、 導熱性能，而且還具有較強的韌性和延展性。這些特性使鋁合金具備較好的快速成型能力， 能夠被廣泛運用于制造業中。
總體而言，輕金屬材料具有較好的切割性能，能夠適合進行高速切削。 在對輕金屬材料進行高速切削的過程中，輕金屬材料可以將絕大多數熱量帶走，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 超級合金材料
在對超級合金材料進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， 能夠進一步提升超級合金高速切削過程中的速度與精度。
3.3 鋼材和鑄鐵材料
在對鋼材進行高速切削的過程中， 通常需要選擇較為鋒利的刀具，同時對切削的后角進行嚴格把控。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。
此外， 適當的后角也有助于提高對鋼材進行高速切削的精度。
在對鑄鐵材料進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量。
4 、高速切削技術應用技術要求
以下介紹高速切削技術在數控車床中應用的技術要求。
4.1 高速主軸單元運行條件
與普通車床相比， 高速切削車床的最大區別之一是高速主軸單元。 高速主軸單元是實現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、傳遞力矩和傳動功率；第二，具備良好的冷卻裝置、平衡性和動態性能；第三，具備較高的角加速度。
4.2 高速主軸單元參數設置
高速主軸單元相關參數的設置通常需要符合以下要求：
（1） 主軸具有較高的轉速，通常高于 10 000 r/min，是普通車床轉速的 5～10 倍；
（2） 高 速 主 軸 車 床 的 輸 出 功 率 通 常 設 置 為 20k W～80 k W，當輸出功 率在這一范圍內時，不 但 能 夠 提高切削加工的效率，而且可以對重荷載材料進行加工；
（3） 高速主軸單 元的啟動和 制動時間較 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。
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間。
（1） ER 彈 性 夾 套 。 在 高速 切 削 加工 時 選 用精度高、成本低的 ER 彈性夾套，在旋轉向心力加速方面，可以起到促進作用。 在夾力方面，ER 彈性夾套直徑小的特點可以提高力度。在使用時，需要平衡螺帽來穩定和加固。
（2） 熱縮式刀柄 。 較為先進的 熱縮式刀 具 與 刀 柄結合，具有諸多優勢。熱縮式刀柄材質可以支持系統加熱，具有極高的穩定性。
（3） 強力銑夾刀 柄。 此種刀柄 在使用時 只 能 適 用直徑較大的刀具，具有較大的局限性。強力銑夾刀柄的優點與同心力和同心性有關，同心力越大，夾力越大，所以在大直徑刀具進行切削時可以保障切削效果。
（4） 液壓刀柄。 液壓在工業品 行業中應 用 較 為 廣泛，液壓刀柄使液壓技術與刀柄實現結合，其裝卸較為方便快捷，在同心性和直徑方面具有優勢。
（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別。HP 夾套在應用時使刀具通過定位鎖緊， 精度較高， 成本較低，優點為同心性好，對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和質量決定，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，對切削力度的限制較為有利于切削，如二硫化鎢等。 同時，軟涂層的使用會提高表面處理效果，延長使用壽命。
（2） 陶瓷材料。 陶瓷具有硬度大、抗摩擦 等 特 點 ，被大量運用。 陶瓷刀具硬度大， 在高溫環境下不受影響， 適用于高溫切削加工。 陶瓷材料的抗粘結性也較好，可以消除在切削加工中出現的粘連等問題。由此可見， 陶瓷材料因自身化學性能和特點而在高速切削加工中大量應用。
（3） 金剛石材料。 硬度最佳的刀具材料為金剛石，其導熱性能也較佳。但是由于成本較高，導致部分加工廠商在選擇時有所顧慮。
5 、結束語
高速切削在工業制造中屬于較為核心和繁雜的加工流程， 參數的設置與部件的選擇都會影響最終的效果和效率。 因此，在數控車床中應用高速切削技術時，不僅要對各個要點全面熟悉和了解， 而且對刀具和材料的選擇也要慎重。 通過研究應用技術要求和部件選擇， 可以為高速切削技術在數控車床中的應用提供技術參考。
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