数控高速加工之关键技术剖析

1 引言

　　随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，为适应市场的需求，数控系统的发展已经经历了六代。自1952年第一台三坐标数控铣床在美国问世后，数控系统经历了从传统的专用计算机硬件逻辑控制、计算机直接控制、微型计算机控制到开放式数控。目前研究已经超越了开放式数控的内涵，数控系统正向着高速化、智能化、网络化的方向发展。高速加工（High Speed Machining，HSM）是20世纪数控技术之后的又一次革命性的技术发展。

2 高速加工的发展现状

　　近十年来，在经济全球化的推动下，发达国家的制造业向中国转移的速度空前加快，我国的制造业得到了高速发展。随着外资的大规模进入，对我国本土制造业的现代化产生了重要的推动作用。在强劲需求的带动下，我国汽车工业、航空航天工业、造船工业和通用机械工业等纷纷加大了引进国外技术和装备的规模和速度。我国传统的机床工具技术和装备，已经不能满足现代制造业“优质、高效、节能、低耗和环保”的新需求了。我国制造业高速发展的强劲态势和切削加工技术的相对落后，切削加工技术成为了我国机械制造业高速发展的瓶颈。因此，必须分析当前的现状，提出相应的对策，才能适应新的形势。

　　高速加工（HSM）是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。它于1931年由德国物理学家萨罗蒙率先提出，20世纪60年代以后，美国科技界和工业界在高速加工的机理研究和应用方面做了许多研究。20世纪80年代高速加工进入实用化阶段后，在美、德、日等西方发达国家得到了普及和应用，并迅速开创了高速加工时代。近几年高速加工也在国内制造业中得到了响应，已受到越来越多国内企业的青睐和重视。高速切削加工技术是高速加工系统中的一个子系统，是指刀刃相对于零件表面的切削运动（移动）速度超过普通切削5～10倍，主要体现在刀具快进、工作及快退3个环节上。其优势为：在高速加工过程中，能使被加工塑性金属材料在切除中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。它的基本特征是切削速度高（为常规切削速度的5～10倍），进给速度快（40～180m/min），加减速度大（1～2g）。高速加工（HSC）技术将成为提高生产效率、加工质量、加工精度和缩短生产周期及降低加工成本的重要手段，为产品占领市场份额奠定坚实的基础。

　　高速加工的基本出发点是高速低负荷状态下的切削可较低速高负荷状态下切削更快地切除材料。低负荷切削意味着可减小切削力，从而减少切削过程中的振动和变形。使用合适的刀具，在高速状态下可切削高硬质的难加工材料。同时，高速切削可使大部分的切削热通过切屑带走，从而减少零件的热变形。高速加工与常规切削相比具有明显的优点：加工时间可减小约60％；进给速度提高5～10倍；材料去除率提高3～5倍；刀具耐用度提高70％；切削力减小约30％；加工面表面粗糙度可达Ra=8～101μm；由于切削过程的切削热90％被切屑带走，工件温升低，热变形、热膨胀小。

　　上述这些优点仅在加工策略合适的情况下才能实现。如果加工策略不适当，轻则会缩短刀具的寿命，重则可能导致更加可怕的结果。高速加工并不是简单地使用现有刀具路径，通过提高主轴转速和进给率实现。因此，尽管对高速加工的研究已有多年，也在汽车、航天航空、船舶等行业进行了实际应用，但还有许多问题有待于解决，如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题；机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）；冷却润滑液的选择；CAD/CAM的程序后置处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问题；安全性问题。