多年的經(jīng)驗表明曾經(jīng)是最新技術(shù)的電機加齒輪箱傳動的主軸結(jié)構(gòu)已不能被用于工模具制造、多任務(wù)量生產(chǎn)或原型制造。經(jīng)常變化的工件形狀和材料、要求嚴(yán)格的精度和表面質(zhì)量，以及更短的生產(chǎn)時間與批量生產(chǎn)相比產(chǎn)生了不同的要求。另一方面，高速切削工藝的生產(chǎn)能力給人以深刻印象，以致以利潤為目標(biāo)的公司不禁考慮起采用該工藝。這在模具制造業(yè)、復(fù)雜和/或精密生產(chǎn)中越來越成為現(xiàn)實。

小直徑刀具、高速主軸和高動態(tài)性能機床的利用不斷擴大高速切削工藝在微小結(jié)構(gòu)和復(fù)雜幾何形狀方面的應(yīng)用。對工業(yè)化高速切削應(yīng)用的仔細(xì)審查，會發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有的令人興奮的潛力。比如用米克朗XSM400和HSM300的機床加工這方面的零件。

顯然，為了有效地發(fā)揮高速切削工藝的優(yōu)點，通常需要全新的工藝方案。

高速切削在降低生產(chǎn)、非生產(chǎn)和裝夾時間方面可見到明顯的優(yōu)勢。提高零件精度帶來的的好處在后續(xù)工序中體現(xiàn)的比較明顯，如提高了零件裝配時的互換性(配合精度)及在EDM加工時改善的工藝特性。如果文中所列舉的工序部分或完全被替代，則可減少部分工序和/或使生產(chǎn)時間縮短。然而，必須強調(diào)的是這些優(yōu)點只有使用滿足高速切削要求的機床才能體會到。出色的動力特性、智能和高效的控制系統(tǒng)以及最新的主軸技術(shù)是重要的標(biāo)準(zhǔn)。機床必須被認(rèn)為是整個工藝中不可分割的一部分，在這點上，機床結(jié)構(gòu)通常需要進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)新情況，有時甚至需要重新設(shè)計。此外，還要掌握所需的專門技術(shù)訣竅以保證新工藝的快速成功實施。徹底理解高速切削工藝的基礎(chǔ)知識和選擇適合特定應(yīng)用的銑削刀具及刀柄被認(rèn)為是關(guān)鍵點。掌握適合高速切削的CAD/CAM系統(tǒng)知識也尤為重要。

高速切削工藝

切屑的形成

您會發(fā)現(xiàn)尋找一種普遍有效的、現(xiàn)成的高速切削定義是個徒勞舉動。它涉及的問題太過復(fù)雜，以致于很難用一個公式或幾句話清楚表達(dá)�？珊唵蔚乇磉_(dá)為 ：能更好地發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的切削效率。與普通銑削相比，該技術(shù)極大地提高了切削速度，從而改變了切屑的形成過程。正是改變了過程特性，才帶來了上面所討論的好處。

圖1和圖2詳細(xì)地顯示了切屑的形成過程及其結(jié)果。由于上述切屑的形成受到許多因素的影響，對于加工延展性好的材料有著特別的限制，包括有色金屬，如銅或鋁，以及大多數(shù)鋼材。

圖1顯示了前刀面區(qū)域待加工的材料是如何持續(xù)地塑性變形。剪切切屑的同時工件表面進(jìn)行了重組。刀具與切屑的摩擦以及切屑的剪切和剝離產(chǎn)生的熱量傳遞給了刀具或工件，或通過切屑散發(fā)。如果正確設(shè)置工藝過程，能將產(chǎn)生熱量的70％到80％傳遞給切屑。

圖2：銑削工藝-高速切削工藝中的切屑形成

圖2顯示了提高切削速度的工藝過程。這里，通過提高切削速度，待切削的工件材料變形所產(chǎn)生的不斷增加的阻力被設(shè)為基礎(chǔ)條件。該現(xiàn)象導(dǎo)致摩擦和壓力的增加并導(dǎo)致切屑溫度和刀具與工件之間接觸面溫度的提高。在該點，接觸面區(qū)域的溫度可升至工件材料的熔點。切屑和接觸面之間的接觸區(qū)域產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致溫度效應(yīng)并降低工件材料變形的阻力。因此，形成了良好的持續(xù)切削流，切屑壓力降低。形成的流動切屑帶有較大的剪切角和較小的切屑橫截面。該原理導(dǎo)致了更大的切屑曲率，這是在設(shè)置高速切削工藝時需要考慮的現(xiàn)象。通過加大剪切角來減小切屑橫截面，加快了工件變形并使切削力降低。

新的切屑形成過程的作用

由于前刀面的摩擦和剪切工件變形在前刀面區(qū)域產(chǎn)生了大量的熱。熱量絕大部分流向了切屑，一小部分流向了刀具，刀具承受了高速切削產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。只有少量的熱（主要由于后刀面摩擦而產(chǎn)生）流向了工件。

在進(jìn)行真正高速切削加工時，切屑顯示出特有的顏色和曲率。該特性應(yīng)為設(shè)置和評價工藝過程所考慮。為了避免刀具的過熱，必須從刀具周圍就近區(qū)域高效和快速地去除熱的切屑。

然而，廣義上整個機床區(qū)域－不論熱的切屑直接接觸到的，或是間接通過工件接觸到的，以及重要的機床部件區(qū)域－都被認(rèn)為是工作區(qū)域。因此，盡快地處理產(chǎn)生熱源的切屑非常重要。前刀面和后刀面上的各種磨損可通過有效的外部潤滑來降低。此外，切屑和工件端面之間的摩擦也可通過外部潤滑而降低，從而加速切屑的流動。

傳統(tǒng)工藝： 生成注塑模造型并傳送到NC程序中 工藝存在的問題： NC程序>400MB 加工時間>40小時 刀具磨損（f=0.075mm雕刻刀具，20,000轉(zhuǎn)/分） 解決方案： 通過CAD/CAM將3維輪廓、文字背景及平面分開加工 NC程序≈30MB 加工時間<20小時		傳統(tǒng)工藝： 用模具加工專用的高速鋼刀具進(jìn)行2維銑削加工 工藝存在的問題： 幾何形狀一致性差，專用刀具成本高，低轉(zhuǎn)速使加工時間較長，刀具工作壽命短。 解決方案： 使用f＝0.3mm標(biāo)準(zhǔn)球頭銑刀，主軸速度40,000轉(zhuǎn)/分進(jìn)行3維銑削
傳統(tǒng)工藝： 100％電火花加工，將幾何形狀分成幾個電極部分 用高速切削取代電加工的困難： 小的圓角和銳邊（a<180°），標(biāo)準(zhǔn)刀具的切削深度有限 解決方案： 通過高速切削來解決加工困難f<0.4mm球頭銑刀，主軸轉(zhuǎn)速24,000轉(zhuǎn)/分		傳統(tǒng)工藝： 100％電火花加工，將幾何形狀分成幾個電極部分 用高速切削取代電加工的困難： 小的圓角和銳邊（a<180°），標(biāo)準(zhǔn)刀具的切削深度有限 解決方案： 用高速切削進(jìn)行粗加工和半精加工，為EDM精加工留有0.25mm的余量 f＝0.8mm球頭銑刀，主軸速度27,000轉(zhuǎn)/分

與傳統(tǒng)切削過程相比，高速切削的切削力明顯要小一些。

新的切屑形成過程帶來的優(yōu)點

通過高速切削產(chǎn)生的切屑形成過程的特殊性質(zhì)帶來了諸多好處，也使高速切削工藝的使用更加吸引人。

從用戶的角度，一方面降低的切削力導(dǎo)致：

較高的零件精度

更好的表面質(zhì)量

另一方面，通過采用特殊的刃具形狀，將加工應(yīng)用領(lǐng)域拓展到：

較硬材料的加工

微小結(jié)構(gòu)加工

需要利用細(xì)長刀具的加工

需要較大刀具外伸長度的加工

高速切削中切削速度較大，給用戶帶來的直接好處包括：

旋轉(zhuǎn)刀具更大的穩(wěn)定性

提高了進(jìn)給速度，從而增加了金屬去除率

另外，由于工件熱量降低，可產(chǎn)生 ：

更高的零件精度

高速切削機床

為了正確對待高速切削工藝的要求，機床必須滿足動力學(xué)、主軸速度以及剛度和吸振性的嚴(yán)格要求。如果在刀具直徑確定的情況下提高切削線速度，則無疑需要較高的主軸速度。在加工微小和細(xì)致的幾何形狀時，會要求更高的速度，因為需采用直徑更小的刀具。所以至少要采用速度超過40,000轉(zhuǎn)/分和扭矩超過6牛·米的主軸。

前，可在工業(yè)上使用的速度達(dá)60,000轉(zhuǎn)/分的主軸已是最新技術(shù)趨勢。

為使每個切削刃獲得適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給率，高的進(jìn)給速度和加速度也是必要的，通常需要全新的機床概念。由混凝土聚合物制成的床身框架和由球墨鑄鐵制成的滑枕等移動部件是最新的技術(shù)趨勢。固定部件極為堅固并經(jīng)過大量的精加工，以保證盡可能大的剛度和吸振性。對于所有移動部件，則需要保證剛度最大的同時使重量盡可能最輕。只有這樣的重量分配才可實現(xiàn)高的動態(tài)特性，從而滿足高速切削工藝的要求。

經(jīng)過適當(dāng)預(yù)緊的大螺距滾珠絲杠在兩側(cè)由軸承支撐，加上大功率電機形成了高切削速度和高加速度的基礎(chǔ)。然而必須認(rèn)識到系統(tǒng)的整體能力是由可承受的最大沖擊力所確定的（因加速度而產(chǎn)生）。尤其在頻繁改變進(jìn)給方向的情況下。如加工小的幾何形狀時，決定最大加工速度的是允許的最大沖擊力，而不僅僅取決于驅(qū)動系統(tǒng)的能力。

高分辨率的光學(xué)直線測量系統(tǒng)以及精密線性導(dǎo)軌完善了現(xiàn)代高速切削機床所需的裝備。

控制技術(shù)也必須是最新的，并且要有盡可能快的處理速度以及強大的程序處理和前瞻能力。對加工位置的良好調(diào)整、機床機械和電子部件回路之間的反饋速度也很重要。但是，只有各個方面協(xié)調(diào)配合的系統(tǒng)才能最佳地滿足某一加工要求：如表面質(zhì)量、加工速度和精度等。最新一代的控制系統(tǒng)向用戶提供了以簡單方式執(zhí)行特定的加工目標(biāo)優(yōu)先的可能性，可根據(jù)當(dāng)前的加工要求設(shè)置工藝過程。該功能可設(shè)定速度、表面質(zhì)量或精度優(yōu)先來進(jìn)行加工。

主軸/刀柄接口

快換錐柄（SK系列）已經(jīng)被空心短錐柄（HSK系列）所取代。而HSK-E和HSK-F系列因其完全對稱的結(jié)構(gòu)形狀而尤其適合高速切削。開發(fā)這種新型刀柄要考慮的重要因素有：

通過主軸端面進(jìn)行軸向定位

主軸和空心錐柄的脹塞配合

刀柄/刀具接口

根據(jù)不同主軸速度、加工步驟(粗加工、半精加工、精加工)和刀具類型尺寸的測試，證明以下系統(tǒng)適用于高速切削 ：

彈簧夾套刀柄

液壓刀柄

冷縮型刀柄

強力夾緊刀柄

對于精加工，最好使用冷縮型刀柄，保證銑刀最高的徑向精度和最大工作
壽命。整套系統(tǒng)必須旋轉(zhuǎn)對稱，并具有極好的動平衡。必須滿足主軸或機床制造商規(guī)定的按照ISO1940主軸標(biāo)稱速度平衡質(zhì)量等級的要求。