浅论高速加工对传统加工工艺

摘  要：本文在介绍高速加工基本概念的基础上，分析了高速加工对传统加工工艺的影响与改进；并在切削用量的选择和加工工序的安排两个方面，就高速加工方式与传统加工方式进行了全面的分析和阐述。

关键词：高速加工；切削用量；加工工序  

作者简介：王  军（1978-），男，常州信息职业技术学院机电工程系助教，主要研究方向：数控技术应用。 

高速加工（High-speed Machining）是随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日益成熟的一项新型加工技术。它的出现，极大地提高了加工效率、缩短了新产品的开发和研制周期。在飞机的骨架与机翼、高速列车的车厢骨架等需要切除大量金属的应用场合，高速加工可以大幅度缩短加工时间，一般只需传统加工时间的1/4左右；另外在汽车工业中，过去新车型的开发研制周期一般约为10年，而在汽车模具的制造过程中采用高速加工可以将新车型的研发周期缩短为2~3年，如FORD及TOYOTA新车型的开发周期仅为一年半。

1  高速加工的概念

上世纪30年代，德国科学家Salomon在对不同材料进行切削实验时发现，随着切削速度的增加，切削温度及刀具磨损会剧烈增加，但是当切削速度达到并超过某临界值时，切削温度及切削力不但不会增加反而会减小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加。由此，Salomon提出了高速加工的概念和著名的Salomon曲线（如图1所示），所谓高速加工就是指切削速度高于临界速度的切削加工。从下图可看出，以刀具磨损的切削力为限制条件，前一个低于该值的区域A是一般传统加工。后一个低于该值的区域HSM为高速加工。由此也可看出，不同材料有不同的临界值，对于铝、镁合金，切削速度大于1000m/min可称为高速加工，而对于加工钢或铸铁，切削速度大于305m/min就可称为高速加工了。

高速加工除了和切削速度有密切联系外，还和刀具材料、机床刚性等因素相关。所以高速加工不仅决定于主轴速度与刀具直径，还与所切削的材料，刀具寿命及加工工艺等综合因素有关。

2  高速加工技术对切削用量选择的影响

切削用量是指切削速度、进给速度和切削深度三者的总称。选择合理的切削用量，要综合考虑生产率、加工质量、加工方式、加工成本等各方面的因素。合理的切削用量是保证生产效率的重要因素。相比于传统加工方式下采用大直径刀具、大切深、大切宽的切削用量，而在高速加工方式下，都采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高效率。下面分别阐述切削用量三要素在不同加工方式下选择时注意的问题。

2.1  切削速度

在传统切削方式下，切削速度总是根据选择好的切削深度和进给速度，在保证刀具合理耐用度的条件下，选择一个较为合理的值，这是因为切削速度对刀具耐用度有着十分明显的影响，一般情况下提高切削速度就会使刀具耐用度大大降低。而根据Salomon高速加工理论可知，当切削速度提高到一定值时，影响刀具耐用度的切削热和切削力都有不同程度的降低，从而在一定程度上改善切削条件。确定适合的切削速度对高速加工非常重要，但是由于在使用不同机床、不同刀具材料在切削不同加工材料时的切削速度都有不同选择，所以目前只有一些可供参考的高速加工工艺参数，表1给出的是常用材料在不同加工方式下的切削速度的参考取值。

表1  常用材料在不同加工方式下切削速度的参考取值

被加工材料	传统加工方式(m/min)	HSM加工方式(m/min)
纤维增强塑料	～800	1200～9000
轻金属	～800	1200～5000
铜合金	～400	1200～4500
铸铁	～300	1000～3000
普通工具钢	～250	700～2000
钛合金	～80	200～1000
镍基合金	～20	100～300

2.2  进给速度

传统加工时，进给速度受切削速度和工艺系统刚性的限制，一般取值较小；但是在高速加工方式下，因为切削速度的提高，切削力与切削热反而降低，这使得在加工较小残残留材料时，可以选用较大的进给速度；同时，较大的进给速度还可以有效的防止因高切削速度而引起的工件表面和刀具烧伤、积屑瘤和加工硬化等问题。比如在使用直径为10mm的TiAlN涂层材料的球头立铣刀加工硬度为40HRC的预硬钢，当主轴转速达到12000r/min时，进给速度可以高达2500mm/min。在一些刀具直径更小，主轴转速更高的场合，进给速度还可以取更高的数值。然而进给速度也不是越大越好，因为过高的进给速度会使工件的表面加工质量下降。

2.3  切削深度

合理的切削深度是提高效率的重要因素。对于提高效率，粗、精加工的要求各不相同，粗加工追求的是单位时间内切除材料的体积，而精加工表现为刀具在单位时间内切削的面积。在传统加工方式下，粗加工通常会选择一个较大的切削深度来保证效率，而对于高速加工来说，在高的切削速度下，剪切变形区窄，剪切角增大，变形系数减小，且切削流出的速度快，改善了刀与切屑接触区的摩擦，从而降低了切削力，但在大的进给速度作用下，受到机床输出功率及工艺系统刚性等因素的限制，只能选择较小切削深度，同时通过高的切削速度、进给速度和移动速度来保证加工效率。由此可以看出，高速加工非常适用于精加工的场合，既可以保证加工效率，也可以保证加工质量。高速加工淬硬钢时，表面粗糙度Ra可达到0.2μm。

3  高速加工技术对加工工序的改进

3.1  不同加工方式下模具的加工工序

在传统切削方式下，受表面加工质量的限制，电加工是模具制造中必不可少的一个重要工序，而随着高速加工表面质量高达Ra0.2μm，模具的制造工序势必得到一定的简化。下面是在不同加工方式下模具的典型加工工序。

3.2  高速加工对热处理工序的影响

通过上述不同加工方式下模具加工工序的比较，可以看出，高速加工技术的应用，首先改变了热处理工序的安排，在模具制造中，因为模具材料本身具有较高的硬度，所以在传统加工方式下，为了改善切削条件，在进行粗加工之前，要对毛坯进行退火的热处理；而在高速加工时，采用新型的涂层材料刀具，在高速度、大进给的加工方式下，可以直接对淬硬钢（硬度可高达HRC62）进行粗、精加工，并得到较高的表面加工质量，所以模具毛坯可以不需要退火处理，同时可以将安排在切削加工之后，电加工之前的淬火处理提前安排在切削加工之前进行，这样可以有效地减少传统加工时因精加工后再淬火所引起的模具变形。

3.3  高速加工简化了加工工序

应用高速加工技术，还可以减少加工工序，在粗加工之后可以直接进行精加工，因为高速加工采用了极小的切削深度和极大的进给，所以可获得很高的表面质量，表面质量的提高省去了修光、电火花等加工工序；这样不但可以节省电极材料、电极加工成本，还可以避免电加工过程中的表面硬化；同时高速加工由于切削力的减小，可以使用更小的刀具，实现模具更小圆角半径及更细节部分的加工，以减少部分加工工序或手工修整工序。

4  结束语

随着高速加工刀具、刀柄等工艺装备的不断改进，高速加工机床和数控技术的日趋成熟，高速加工技术在制造业中的作用与地位将日益重要。

参考文献

[1]  Dr.-Ing.H.舒尔茨.高速加工发展概况[J].机械制造与自动化,2002,1

[2]  杨洪旗.模具高速加工技术[J].机电信息,2000,5.

[3]  曾宝平,王成勇等.淬硬钢的高速切削加工[J].机电工程技术,2002,6.

[4 ]苏建修主编.机械制造基础[M].北京:机械工业出版社,2001.