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高速切削技术 | 数控刀具选用指南164

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高速切削理论是由德国物理学家萨洛蒙(Carl.J.Salomon)于1931年提出的,该理论的核心思想是任何一种材料均对应一个临界切削速度,在常规切削速度范围内,即在达到临界切削速度前,切削温度和刀具的磨损均随切削速度的增大而增大,但在切削速度超过临界切削速度后,若继续提高切削速度,切削温度反而降低,而且刀具的磨损也减小。因而高速切削能够大幅缩短切削加工时间,提高生产效率,而且还能获得较好的加工表面质量和较高的加工精度。


目前对于高速切削速度的范围也没有确切的界定,通常认为高速切削的切削速度应为常规切削速度的5~10倍或更高,进给速度一般为2~25m/min,有的可高达60~80m/min。加工材料和加工方法不同,高速切削速度范围也有所区别,例如铸铁的高速切削速度范围为900~3000m/min,而铝合金和钛合金材料的高速切削速度范围则分别为1000~7000m/min和100~1000m/min;高速车削的切削速度范围一般为700~7000m/min,而高速铣削和高速磨削的切削速度范围则分别为600~6000m/min和5000~10000m/min。


(本篇选自《数控刀具选用指南》第九章第一节(一)高速切削技术




(一)高速切削技术的特点

高速切削技术已经成为集高效、优质、低耗于一体的先进制造技术,与常规切削相比,高速切削主要有以下优点:

(1)生产效率高。由于高速切削具有很高的切削速度和进给速度,因此高速切削时单位时间的材料去除率比常规切削有了大幅提高。高速切削特别适用于航空航天、汽车工业和模具制造等对材料去除率要求较大的行业。例如高速铣削某航空铝合金零件时,若将机床主轴的转速由4000r/min 提高到20000r/min,则单位时间的材料去除率可增加3倍,生产效率将是普通铣削的4~5倍。

(2)切削力小。虽然高速切削的切削速度很高,但由于切削参数较小,因此同常规切削相比,剪切变形区反而变窄,剪切角增大,使切屑的流出速度大大加快,切削变形反而减小,因此高速切削的切削力比常规切削力降低30%~90%,所以高速切削特别适合于加工机床丝杠、飞机上的机翼壁板等细长轴类、薄板及薄壁类等刚度较差的零件,目前采用高速切削加工飞机上的薄壁零件的壁厚最小可达3~5μm。

(3)热变形小。高速切削具有很高的进给速度和切削速度,能够大大缩短工件的切削时间,因此90%以上的切削热还未传给工件就已被高速流出的切屑带走,所以因温升而导致的工件热变形甚微,故高速切削非常适合于加工细长的、易热变形的、精度要求较高的零件。

(4)加工精度高。高速切削时工件基本处于“无振动”的平稳状态,加之切削力和切削热的影响较小,所以更容易获得较高加工精度的零件。例如高速切削淬硬钢材料时能获得的表面粗糙度值Ra<0.6μm,高速铣削灰铸铁工件时,其表面粗糙度值Ra可低至0.63μm,相当于磨削的工艺水平,因此高速切削特别适用于光学仪器及精密制造工业等领域。

(5)可加工难加工材料。由于高速切削具有较小的切削力和切削变形,所以刀具不易磨损,可用于加工某些难加工的材料。例如航空航天工业大量采用铝合金、镁合金、镍合金及钛合金等材料,这些材料普遍具有高强度、高硬度、高耐磨性和耐冲击等特性,传统的加工方法存在切削温度高、切削变形大、加工质量差、刀具磨损严重及加工效率低等问题,而高速切削则能有效地减少刀具的磨损,延长刀具使用寿命,提高生产效率,并获得较高的加工表面质量。

(二)高速切削加工技术的应用

高速切削技术广泛应用于航空航天、汽车制造、模具工业、电子行业、光学仪器及精密机械等领域,也越来越多地用于切削软材料,如橡胶、各种塑料、木头等。

(1)在航空航天工业中的应用。航空航天产品中有许多具有薄壁、腹板等结构的零件,其刚度较差,加工时易变形,所允许的背吃刀量较小,因而高速切削成为加工此类零件的最佳选择。例如采用整体制造法生产某战斗机,由于省略了铆接等中间工艺环节,零件的数量减少了42%,提高了生产率。

(2)在汽车制造业中的应用。20世纪90年代,高速切削技术逐渐开始用于加工发动机缸盖、缸体和变速器等汽车零部件,减少了切削工时,降低了成本,保证了加工质量,提高了生产率。

(3)在模具制造业中的应用。电火花加工是模具制造行业常用的加工方法,但存在加工质量不高,加工效率较低等问题。高速切削不仅能有效缩短模具加工周期,获得较高的模具曲面形状精度和较小的表面粗糙度值,而且还能加工硬度超过60HRC的材料,完全可以代替电火花加工和磨削加工。
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