数控高速切削加工技术在机械制造中的应用

凌魁

摘 要：数控高速切削加工技术能够大幅度提升机械加工质量与加工效率，已成为当前机械制造业发展的必然趋势，尤其是在汽车制造工业、航空航天工业、模具工业等领域已得到广泛应用，且成效相当显著。文章主要围绕数控高速切削加工技术在机械制造中的技术应用展开分析论述。

关键词：数控高速切削加工技术；机械制造；编程策略；刀具；模具

现如今，数控高速切削加工技术已经逐渐取代组合机床，它的效率更高，技术功能性更强，已成为高科技技术背景下柔性生产线的主力加工设备之一，进一步推动了机械制造生产的柔性化过程。同时，也极大缩短了各类机械产品的开发周期。

1 数控高速切削加工技术的优势分析

数控高速切削加工技术具有优质、高效、低耗、先进等特点，是现代化机械自动化制造技术。所能提供的进给速度、切削速度都是传统切削工艺所无法比拟的。同时它的切削机理也有了质的改变，整体切削加工质量呈持续稳步上升发展趋势。数控高速切削加工的技术优势主要体现在以下四点。

1.1 切削速度上升

数控高速切削加工技术具有较高的切削速度，比传统常规切削速度高出3～8倍。且机床的空程速度也有提升，减少了设备非切削的空行程时间，对汽车模具等机械设备的加工效率有大幅度提升。

1.2 高速精密加工

由于数控高速切削加工技術具有相当可观的切削速度，所以它的切削力会相应平均下降30%左右，特别是径向切削力下降幅度更大，有利于提高该技术针对薄壁类或刚性较差零件的技术加工。总体而言，数控高速切削加工技术系统整体精度较高，包括系统定位夹持精度与刀具重复定位精度都有良好的精度保持性，所以说该系统中的刀具系统精度要求也相对较高，能够保持高速切削加工过程中系统整体的动态与静态稳定性，进而满足高速、高精度加工技术要求。

1.3 热变形零件加工

在高速切削技术实施过程中，一般95%～98%甚至以上的切削热都无法及时传递给工件，而被切屑带走，所以工件会在大部分时间内保持冷态状态。因此该技术对那些容易产生热变形的零件更加有效。当然，也要考虑热变形误差问题，能够影响高速高精密数控切削加工技术，特别是对机床等机械设备切削加工过程的影响，所以应该选择误差补偿技术来消除机床的热变形误差问题，该技术具有较高的补偿精度，鲁棒性较强且经济效益优异。

1.4 难加工材料的加工

钛合金、镍基合金等加工难度偏大，因其整体强度、硬度较大，且耐冲击，加工过程中也容易出现硬化现象，会产生较高的切削温度，长此以往刀具很容易严重磨损。如果采用高速切削加工技术既可以克服上述问题，也可以提高机械制造生产率，优化模具等产品的表面质量。

2 数控高速切削加工技术在机械制造中的应用

数控高速切削加工技术先进、复杂且系统性较强，对机床、刀柄、刀具、控制系统、CAD/CAM软件等多项指标的要求更高，以下谈谈在各种机械制造过程中的关键技术应用。

2.1 在铣削加工机床中的技术应用

当前，数控高速切削加工技术主要配合微电子技术、CNC技术、新材料结构基础技术展开，铣削加工中应用相当广泛，对机床系统的部件要求也相当高，包括以下三方面。

第一：对机床系统的刚性要求较高，在铣削机床加工制造过程中，需要提供配合高速供给驱动器来实现数控高速切削加工技术的发挥最大化。要求驱动器的快进速度要在40m/min，3D轮廓加工速度也要在10m/min左右，同时还要为铣削系统提供0.4m/s的加速度和0.3m/s的减速度。

第二：对刀柄和主轴的刚性要求较高，一般要求系统转速要达到10000～50000r/min，主要基于主轴来压缩空气，冷却系统，以控制刀柄与主轴二者之间的轴向间隙在0.00762mm以内。

第三：对加工工艺的可靠性要求较高，优质的工艺模型对切削条件及刀具寿命之间关系的融合非常关键。能有效提升机床的利用效率，确保在无人操作状态下数控高速切削加工技术也具有较高的安全可靠性。

2.2 在刀柄与刀具加工中的技术应用

数控高速切削加工技术在刀柄与刀具中的技术应用主要讲求几何精度与装夹重复定位精度。在数控高速切削加工过程中系统会受到强烈振动与离心力的双重影响，促使它提高了对刀柄与刀具加工的刚度及高速动平衡要求，确保所切削加工的刀柄刀具具有较高的质量与安全可靠性。在高速加工过程中，刀具的选择与普通切削区别较大，因为要考虑到“高速”这一基本特性。目前较为常见的HSK高速刀柄，是一种具有热胀冷缩紧固式特性的高速刀柄，非常适合于机械制造过程中的数控高速切削加工环节。

刀具在高速加工过程中须承受外界载荷：高温、高压、摩擦、冲击与振动等，一定要考虑刀具的工艺性能与经济性能，这些是实现高速加工的主要因素。在选择数控高速切削刀具材料过程的同时，还要考虑高速切削的方式。

2.3 高速数控切削加工技术的数控编程策略

高速数控切削加工技术具有控制特殊性与复杂性，不能简单理解为对普通加工进给与转速的提高，尤其是在数控编程过程中，要求刀具路径更加精确安全，确保预期的机械制造加工精度与表面质量，以下提出数控高速切削加工技术中的具体编程策略。

首先在数控高速切削加工过程中要确保工件、刀具与夹具之间不会出现任何干涉与碰撞，确保刀具与机床不过载，因为刀具与机床之间发生过载会大幅度提升机械制造加工成本，也会降低加工精度，因此在数控编程中应该将该方面作为重点来考虑。

其次要在编程过程中保证恒定切削载荷，是数控高速切削加工技术过程的主要特征，必须保持金属切削层厚度适中恒定，其分层加工相比于仿形加工更利于确保材料去除量的有效恒定；再一方面要选择平滑的刀具切入工件方式；最后要确保刀具轨迹能够平滑过渡，不要出现任何直角过渡现象。

第三要确保加工工件的加工精度，是因为在数控高速切削加工过程中要时刻保证工件的表面质量与加工精度，是为了尽可能降低刀具的切入次数，并采用最为合理的螺旋走刀轨迹方式。另外，要保证切削进给量合理，如果进给量过小也会造成切削不稳定，产生切削振动现象。所以，进给量一定要保持平衡状态，以确保加工表面质量的稳定提升。

3 案例分析

数控高速切削加工技术在汽车机械制造行业中应用广泛，下面主要介绍了汽车覆盖件模具中发动机前罩的数控高速切削加工技术应用流程和汽车覆盖件模具加工的基本参数。

汽车覆盖件模具加工一般所涉及尺寸偏大，且由于它是3D型面所以相对结构复杂，要求加工精度较高，切削量也较大，因此可以采用数控高速切削加工技术。以汽车发动机前罩翻边模具为例，它的工件材料为CH-1，工件硬度为HB330，外形尺寸为2000mm×1400mm×400mm。要采用涂层硬质合金刀具材料对其进行高速切削加工汽车发动机前罩翻边模具高速加工的加工时间在24h左右，其表面加工粗糙程度可以控制在1μm左右，所以不需要再进行手工研磨过程，只需要进行油石抛光即可。再配合钳工修配（3h），总共需要27h。相比于传统切削加工操作时间降低了83%左右，加工效率提升明显。

4 结束语

数控高速切削加工技术已成为机械制造领域的主力核心技术之一，特别适合于工艺要求极高的航天航空与汽车模具制造行业。在未来，对该技术的研究也将继续深入，以确保该实践应用领域不断向前发展。

参考文献

[1]苏艳红.高速切削加工技术及其在模具制造中的应用[D].四川大学，2005：81-82.