高速切削技术在数控车床中的应用
2020-11-19 来源：上海维宏电子科技股份有限公司 作者： 柏 鹤
摘 要：介绍了高速切削技术及轻金属材料、超级合金材料、钢材和铸铁材料等高速切削技术的适用对象，分析了高速切削技术在数控车床中应用的技术要求，给出了高速主轴单元的运行条件和参数设置，并对刀柄、刀具材料的选择进行了研究。
关键词：高速切削 数控车床 应用
1、 研究背景
在机械制造生产实践所使用的加工技术中， 高速切削技术是应用比较广泛的技术之一。
高速切削技术具有效率高、 能耗低、 精度高等优点。 在机械加工过程中应用高速切削技术，能够在保证加工质量的前提下进一步提高加工效率， 并且减少能耗。
在此背景下， 将高速切削技术应用于机械加工的主要平台数控车床，具有十分重要的意义。
2、 高速切削技术概述
在机械加工中， 切削指对工件上的冗余部分进行切除，这一操作需要借助刀具、砂轮等部件来完成。 高速切削建立在传统刀具切削基础之上， 具备传统刀具切削的特点。
当然，高速切削技术与传统切削技术相比，具有高效率、低成本、高精度等优点。 作为一项已经比较成熟的机械加工技术， 高速切削技术在生产实践中的应用比较广泛。 要想实现对高速切削技术的应用， 需要做好数控车床结构设计、数控车床控制系统设计、刀具结构设计等工作。只有充分做好以上工作，才能使高速切削技术得到有效应用， 从而发挥其在机械加工中的优势。 同时， 为了提高高速切削技术应用过程中的稳定性， 需要做好数控车床各个子系统中相关控制指标的设定。
3 、适用对象
高速切削技术的应用对象是有一定限制的， 并非所有材料都能进行高速切削加工。 在机械制造加工实践过程中，高速切削技术通常适用于三类材料，分别为轻金属材料、超级合金材料、钢材和铸铁材料。
3.1 轻金属材料
在工业生产活动中， 铝合金是最常用的轻金属材料之一。
铝合金不但拥有较好的耐腐蚀性能和导电、 导热性能，而且还具有较强的韧性和延展性。这些特性使铝合金具备较好的快速成型能力， 能够被广泛运用于制造业中。
总体而言，轻金属材料具有较好的切割性能，能够适合进行高速切削。 在对轻金属材料进行高速切削的过程中，轻金属材料可以将绝大多数热量带走，从而减小轻金属材料的热变形，并且由于切削速度快，因此具备更高的精度。
3.2 超级合金材料
在对超级合金材料进行高速切削的过程中， 需要选择合适的刀具，包括氧化铝刀具、聚晶立方氮化硼刀具等。
通过选择合适的刀具， 能够进一步提升超级合金高速切削过程中的速度与精度。
3.3 钢材和铸铁材料
在对钢材进行高速切削的过程中， 通常需要选择较为锋利的刀具，同时对切削的后角进行严格把控。这样做的主要目的是减小刀具的磨损， 从而使刀具的使用寿命延长。
此外， 适当的后角也有助于提高对钢材进行高速切削的精度。
在对铸铁材料进行高速切削的过程中， 也需要注意选择刀具材料。只有选择合适的刀具材料，才能够提升切削的速度和质量。
4 、高速切削技术应用技术要求
以下介绍高速切削技术在数控车床中应用的技术要求。
4.1 高速主轴单元运行条件
与普通车床相比， 高速切削车床的最大区别之一是高速主轴单元。 高速主轴单元是实现高速切削的核心部件，要使高速主轴单元正常工作，通常需要满足以下条件：第一，具备较高的同轴度、传递力矩和传动功率；第二，具备良好的冷却装置、平衡性和动态性能；第三，具备较高的角加速度。
4.2 高速主轴单元参数设置
高速主轴单元相关参数的设置通常需要符合以下要求：
（1） 主轴具有较高的转速，通常高于 10 000 r/min，是普通车床转速的 5～10 倍；
（2） 高 速 主 轴 车 床 的 输 出 功 率 通 常 设 置 为 20k W～80 k W，当输出功 率在这一范围内时，不 但 能 够 提高切削加工的效率，而且可以对重荷载材料进行加工；
（3） 高速主轴单 元的启动和 制动时间较 短 ， 通 常为 1～2 s，为此，主轴单元的加速度要比普通车床高，通常设置为 1g～8g，g 为重力加速度。
4.3 部件选择
部件的选择不仅决定自身的使用寿命和使用效率，而且决定高速切削的效果，因此部件的选择要从有效性和合理性出发。
4.3.1 刀柄
高速切削过程中，最核心的部件之一是刀柄，决定着高速切削的最终效果和时间。
（1） ER 弹 性 夹 套 。 在 高速 切 削 加工 时 选 用精度高、成本低的 ER 弹性夹套，在旋转向心力加速方面，可以起到促进作用。 在夹力方面，ER 弹性夹套直径小的特点可以提高力度。在使用时，需要平衡螺帽来稳定和加固。
（2） 热缩式刀柄 。 较为先进的 热缩式刀 具 与 刀 柄结合，具有诸多优势。热缩式刀柄材质可以支持系统加热，具有极高的稳定性。
（3） 强力铣夹刀 柄。 此种刀柄 在使用时 只 能 适 用直径较大的刀具，具有较大的局限性。强力铣夹刀柄的优点与同心力和同心性有关，同心力越大，夹力越大，所以在大直径刀具进行切削时可以保障切削效果。
（4） 液压刀柄。 液压在工业品 行业中应 用 较 为 广泛，液压刀柄使液压技术与刀柄实现结合，其装卸较为方便快捷，在同心性和直径方面具有优势。
（5） 高精度 HP 夹 套 。 此 类 夹 套 在 功 能 上 类 似 于ER 弹性夹套，但是在夹力的原理上有重要区别。HP 夹套在应用时使刀具通过定位锁紧， 精度较高， 成本较低，优点为同心性好，对操作的平衡度容易把控，利于装卸清洗。
4.3.2 刀具材料
高速切削的效果主要由刀具材质和质量决定，因此刀具材料的选择在高速切削中具有重要作用。
（1） 涂层材料。 刀 具涂层材料 主要分 为 硬 性和 软性两种。 前者在使用中的耐磨度较高，如碳化钛、氮化钛等。后者在使用中相互摩擦的作用较小，对切削力度的限制较为有利于切削，如二硫化钨等。 同时，软涂层的使用会提高表面处理效果，延长使用寿命。
（2） 陶瓷材料。 陶瓷具有硬度大、抗摩擦 等 特 点 ，被大量运用。 陶瓷刀具硬度大， 在高温环境下不受影响， 适用于高温切削加工。 陶瓷材料的抗粘结性也较好，可以消除在切削加工中出现的粘连等问题。由此可见， 陶瓷材料因自身化学性能和特点而在高速切削加工中大量应用。
（3） 金刚石材料。 硬度最佳的刀具材料为金刚石，其导热性能也较佳。但是由于成本较高，导致部分加工厂商在选择时有所顾虑。
5 、结束语
高速切削在工业制造中属于较为核心和繁杂的加工流程， 参数的设置与部件的选择都会影响最终的效果和效率。 因此，在数控车床中应用高速切削技术时，不仅要对各个要点全面熟悉和了解， 而且对刀具和材料的选择也要慎重。 通过研究应用技术要求和部件选择， 可以为高速切削技术在数控车床中的应用提供技术参考。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
