高速切削技术.doc

高速切削技术学 号：姓 名：面向高速切削数控加工工艺的研究 （沈阳理工大学机械工程学院 沈阳 110159 )摘要：高速加工在机械加工领域得到广泛的应用，阐述了高速加工的概念、特征、原理及高速切削工艺。论述了高速切削数控编程总的原则、高速粗加工、精加工数控编程特点和方法，刀具材料、几何尺寸的选用，切削用量选用的原则。 关键词：高速切削；加工工艺；数控编程；切削用量中图分类号：TG156NC processing technique of high speed machining study ZHENG Yi (College of Mechanical Engineering , University of Shenyangligong , Shenyang 110159 )Abstract：High-speed machining in the machining area is widely used to explain the concept of high-speed processing, characteristics, principles and high-speed cutting process. High-speed machining CNC programming are discussed general principles, high-speed roughing, finishing characteristics and methods of CNC programming, tool material, geometry selection, the principle of selection cutting.Key words：HSM；Processing technique；NC program；Machining data0 前言高速切削(HSC)加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛的应用。高速加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。随着高速主轴技术的发展，与其配套的新型刀具不断出现，同时对高速加工工艺参数的优化研究也在不断深入，使得高速切削技术的理论研究和应用都得到了长足的发展。高速加工通常指的是合理的切削速度和较高进给速度下进行的切削加工。高速加工是一种先进的金属切削加工技术，由于它大大的提高切削率和加工质量，又称为高性能加工，多用于铣削加工。高速加工在薄壁件和细长杆件、复杂曲面加工、难加工材料以及精密切削等加工领域中都得到了充分的应用。1 高速切削工艺高速及超高速切削是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此，发展高速切削等新型切削工艺，促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的迅速发展，为高速切削提供了有力的保证。现代的高速切削不只是切削速度的提高，而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上，达到切削效率的成倍提高，并带动传统切削工艺的变革和创新，使制造业整体切削加工效率有显著的提高。加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。2 高速切削数控编程高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个好的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查功能、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。高速切削中的NC编程并不局限于切削速度、切削深度和进给量的不同数值。改变以往的加工策略，以创建有效、精确、安全的刀具路径，从而得到表面精度。2.1 高速切削编程策略(1)为保证切削过程载荷的恒定，采用等体积切削。是保持金属切削层厚度的恒定，使切削体积恒定；是刀具切入工件的方式要平滑，加工型腔等封闭几何体，采用螺旋线方向切人中心切入较好；要保证刀具轨迹平滑过渡，不能有直角过渡，最好采用圆弧过度，在拐角处降低切削速度。(2)保证工件的加工质量。为保证工件的加工精度和表面质量，要尽量减少刀具的切入次数；减少空刀轨迹，提高生产效率；过小的进给量会产生切削振动，影响工件表面的加工质量；进给量要均衡。2.2 高速粗加工数控编程(1)保证恒定的切削深度。一般通过等体积切削保证恒定的切削深度，从而保证恒定的切削载荷，保证热传递条件和冷却条件的恒定，即可以保证加工质量的稳定，又可以延长刀具的寿命。(2)刀具轨迹的优化。例如加工多个区域时，会有很多的进刀和退刀，所以优化每个区域的加工顺序是必要的。加工多个型腔时，一定要有合理的顺序，以减少零件的应力和变形。加工薄壁零件时，不论是粗加工，还是精加工。都应该以层优先的顺序进行加工，以减少零件的变形。型腔类零件要从工件材料外部向内走刀；无型腔的外形轮廓粗加工采用螺旋线走刀方式。切入次数要减少。采用单一路径切入模式高速加工，由于加工路径和切削过程是连续的，避免紧急降速，可以获得稳定的切削过程和加工质量。粗加工时，要使用(5到10)。的螺旋进刀方式。半精加工和精加工时，要使用圆弧进刀。2.3 高速精加工数控编程高速精加工的重要思想是保证精加工余量的恒定。可采用如下加工方法编程。(1)笔式、余量清根加工。笔式清根和余量清根加工思路基本相同，但笔式加工使用小刀具仅仅针对拐角部位的清根加工，余量清根加工可以采用大刀具清根加工整个区域。(2)根据残留高度加工。在精加工编程中，根据上次走刀自动计算加工路径中的残留高度计算得到加工轨迹。根据残留高度的加工可以得到加工表面残留高度的一致性，可保持相对恒定的切削力，将切削振动控制在最小范围内。3 高速切削刀具3.1 刀具材料的选用高速切削时, 对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件, 才能获得最佳的切削效果。据此, 针对目前生产中广泛应用的铝合金、铸铁、 钢及合金和耐热合金等的高速切削, 已发展的刀具材料主要有: 金刚石、立方氮化硼、 陶瓷刀具、 涂层刀具和 Ti C( N) 基硬质合金刀具(金属陶瓷) 等。大量采用的是硬质合金涂层刀具，有整体式和机央式两类。对于采用何种刀具材料，要根据切削加工的工件材料确定，例如：立方氮化硼刀具适合用于冷硬铸铁、镍基合金的高速加工、淬硬钢的粗加工和半精加工。3.2 刀具几何参数的选用刀具参数的选用，在高速铣削中一般不使用直角平底立铣刀。高速切削中由于采用较高的转速和较大的进给量，且较小的切削深度，如采用平底铣刀粗加工，刀尖处受力较大，切削温度高，较容易磨损。高速铣削铝合金时，等铣削面积时两种刀具的铣削力对比，如图所示。刀具直径为l0mm的2齿整体硬质合金立铣刀，螺旋角度30度。刀尖半径为15mm和无刀尖圆弧的两种刀具，ap为轴向切削深度，ae为径向切削深度。从图中可以看出，圆角立铣刀的铣削力明显小于平底立铣刀，同时在轴向切削深较小时铣削力迅速下降。所以在工艺允许的条件下，尽量采用刀尖圆弧半径较大的刀具进行高速铣削。4 切削用量的选用高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时，加工用量会有很大差异。调整刀具轴线与工件曲面法线之间的夹角能有效改善切削条件，提高刀具寿命，降低表面粗糙度；由于球头铣刀的实际参与切削部分的直径和加工方式有关，在选择切削深度、主轴转速时必须考虑其有效直径和有效线速度。在应用球头铣刀进行精加工曲面时，为获得较好的表面粗糙度减少或省去手工抛光，径向切削深度最好和每齿进给量相等，这种参数下加工出的表面纹理比较均匀，且表面质量很高。如图：因此，在高速铣削加工时通常采用刀尖圆弧半径较大的立铣刀，且轴向切深一般不宜超过刀尖圆弧半径；径向切削深度的选择和加工材料有关，对于铝合金之类的轻合金为提高加工效率可以采用较大的径向铣削深度，对于钢及其他加工性稍差的材料宣选择较小的径向铣削深度，减缓刀具磨损。5 高速CAM后处理输出常规的CAM后置处理提供二种插补：直线插补和圆弧插补。常用线性插补逼近。高速加工设备出现了NURBS曲线插补，这使CNC系统具备了能自动进行NURBS格式定义的加工域生成的能力。NURBS使用控制点、节点矢量、权三个变量来表达自由曲线：各种插补的比较，如图所示。从图中可以看出使用NURBS进行插补误差小，精度高，从而有效简化NC代码程序，不仅可以控制机床沿NURBS曲线运动，同时时刻计算NURBS曲线的曲率变化，进行不超出机床许可的加速度的自动进给速度控制，可实现高速、高精度的模具加工。6 结束语高速切削是一项正在发展的，先进的综合技术，在航空航天业、模具制造业、汽车制造业等多个领域取得了巨大的社会经济效益。要充分发挥高速切削技术的优势，除必须具备高速加工机床外，还必须综合应用高速切削刀具技术、高速切削工艺技术，高速切削CAM技术。只有优化工艺参数，完善CNC控制系统，才能完全发挥高速切削的潜力。实现高速切削加工，工艺极为重要，只有在切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择上达到较为优化的情况下，才有可能真正提高效率，随着三维CAM软件的发展，如UG、Master CAM等均在CAM模块中添加了适应高速加工的功能。另外，加工参数优化技术也可是数控编程技术领域中极为关键的支撑技术。经验加工、参数的应用是高速加工机床发挥潜在生产能力的有效手段。目前的数控编程过程大多还依赖于经验丰富的制造工程师的参与，通过人机交互来完成加工参数的录入。这已不符合编程技术的发展潮流。因此，随着超高速机床的发展及高速加工专用刀具技术的日益成熟，研究基于经验CNC工艺知识的适合高速加工的技术意义日益重要。参 考 文 献 1 艾兴. 高速切削加工技术.国防工业出版社，2003 AI Xing High-speed machining technology . National Defence Industry Press，20032 张伯霖. 高速切削加工技术及应用.国机械工程出版社，2002Zhang Bolin. High speed machining technology and application. National Mechanical Engineering Press, 2002 3 周慧玲. 高速加工刀具工艺参数的优化，北京邮电大学自动化学院J，2001 ZHOU Hui Ling. High-speed machining tool optimization of process parameters, Beijing University of Posts and Telecommunications Institute of Automation J, 200