高速铣削加工技术研究

吴龙威 白广华

摘 要：高速铣削加工技术，是采用超硬材料刀具以超高的加工速度，来实现材料高速加工，对超硬材料实施快速加工。笔者对高速铣削加工技术进行了全面分析和深入研究 ，并进行整理总结。

关键词：高速加工；铣削

1 铣削加工存在问题

在零件加工行业进入自动化时代以来，我们就开始着力提高零件生产速度，其实质是加工速度的提高和生产过程中的辅助动作速度的提高。但是对加工的辅助动作是一定的。近几十年的生产自动化进程，工序间辅助动作的时间已经被完全压缩了。例如，经过自动化进程的发展，最近生产的加工中心换刀速度已经接近1秒了。空程速度达到30到50米每分。如果再提高空程速度，我们在技术上很难解决，在经济上已经不值得。 在铣削加工的速度提高的方法上，我们只能去研究如何提高工作工时上。提高铣削速度，才能大跨度的提高铣削加工速度。

图为1960年到1990年间铣削工时演变。在1970年到1980年，由于自动化进程的加速，加工中心的普及，铣削加工辅助工序的速度得以极大提高；1980年后，高速铣削技术得到了长足发展，铣削加工工时得以很快提高。在之后，这个趋势一直在持续。

2 高速铣削加工的原理

最早提出高速铣削理论的是德国物理学家萨洛蒙。人们把铣削加工速度与温度的曲线命名为“萨洛蒙曲线”。铣削温度与铣削速度正相关。但是，在峰值过后，銑削速度与铣削温度成负相关。峰值与材料有关。而对于所有材料，峰值均是存在的，峰值所在的区域就是刀具无法承受的高温区，经过多次反复试验，高速钢刀具， 硬质合金刀具，涂层刀具， 陶瓷刀具均无法在这个温度下正常进行切削加工。

在当时，限于技术条件的落后，理论体系不是很完善，无法区分工作温度和铣削温度。但是，这个思想是一个很正确的方向：超过这个区域，则有可能在现有的基础上更大的提高铣削效率。根据这个理论，在1960年科学家开始了高速加工的试验。限于当时的条件，试验是用加农炮将待加工零件射向刀具的。 其结果表明，在超过高温区后，切屑的形成和低速区完全不同。铣削速度从低速区到高速区过程中，材料碎屑从带状变为到碎屑。铣削力从最开始的增涨到后来的逐渐降低。这表明，高速铣削加工的作用机理已经与低速时期不同了。

最早在加工中心进行高速铣削试验是在1977年。试验表明，与传统的铣削相比，高速铣削的铣削速度增加了一到二倍，铣削力减小了百分之七十。随后开始了高速铣削技术的系统研究，科学界开始了为轻质合金加工材料进行高速加工的先进加工研究项目，对高速铣削技术进行相关理论研究。研究表明，在超过高温区后，铣削力与铣削速度程负相关。制作刀具所使用的材料的导热性决定了刀具的使用寿命。铝合金在铣削速度是1560～4500 m/min时效果最好。在之后，多所大学的生产工程与机床研究所和四十多家公司开始了联合研究。对高速铣削所需的机床、刀具和控制系统进行系统的研究并对相关的工艺技术进行分析。对各种常用材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）在高速铣削技术的加工应用数据进行试验，并在工厂实际生产中推广应用，经济效果明显。而后，高速铣削技术进入了实质生产应用阶段。研究人员发现，铣削加工时，产生的热量大部分随着切屑离开工件。使得被加工零件温度不至于升的太高。高速铣削机床的开发和生产正式进入批量化阶段。

3 高速铣削加工的优越

在高速铣削加工的实施条件中最主要的是高性能的电主轴。主轴应具有很高的转速及相应的功率和扭矩。为了给主轴的高转速提供有力的支持，我们需要整体刚度和稳定性高的机床。现代机床一般都是整体铸铁落地式结构，龙门式框架的主轴立柱。配合高转速主轴，我们需要一个快速进给系统。现在进给系统一般都是由无接触直接驱动的直线电机驱动，可以有效避免传动累计误差，其精确度和稳定性良好。为了适应高速铣削的特性，我们要有高性能刀具。在高速铣削时，铣削扭矩无需过大。但是高速带来大的离心力，所以我们通常选用短圆刀柄。刀具通常选用热稳定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、复合涂层刀具等。

高速铣削的关键是改变了原有的加工策略。首先高速铣削加工技术采用了小铣削深度，高速铣削技术比普通铣削铣削深度小很多。零件表面的粗糙度取决于相临刀具轨迹的大小，采用晓得铣削深度可以得到更好的表面质量。在普通铣削加工时，由于小进给量带回使加工时间延长。但在高速铣削加工使小铣削深度成为了可能。用小铣削量加工高硬度零件可以减少高硬度零件制作加工电极。其次，高速铣削加工技术应有高主轴转速，在高转速时转速较高，铣削会带走大部分热量，从而使加工刀具得到冷却，寿命得以提高，也见笑了对冷却系统的要求。再次，高速铣削加工应该保持恒定的刀具载荷，进给速率的自动调整铣削角度。我们一般都会采用计算机编程系统，以自动分层加工的方法来实现加工的合理性与载荷的恒定。检测毛坯状况，避免空走刀。把进给速率变化降到最低。采用灵活有效的进刀方式，轮廓切向进刀，曲面切向进刀。最后，高速铣削加工技术要有高级数控机床铣削刀具系统。我们选择刀具时应该具有较高的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，较高的耐热性，较好的导热性、良好的工艺性，较好的经济性。

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