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【摘 要】数控高速加工是机械制造业发展的必然趋势，其应用将大幅度提高机械制造领域的加工效率和加工质量，提高行业效益，影响数控高速加工的因素主要有：毛坯制造技术，切削刀具系统，机床性能，切削工艺等，文中分析了各项因素对数控高速加工的影响。
【关键词】数控加工，高速切削
一、概述
围绕提高生产效率这一目的，切削加工已进入了发展高速、高精度切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术的新阶段。采用高速切削技术加工模具已经成为模具制造的重要趋势，高速切削逐渐取代电火花精加工模具，在国外的模具制造企业已经普遍采用，能够明显提高加工效率。与此同时，因模具制造业的毛坯材料多改用预硬钢并要求一步加工到位不用手工抛光或电火花加工，铣削的加工精度与质量便直接影响模具整体加工时间。
二、高速高精度铣削一般加工精度在l0μm以内，可分为三个层次：普通级为5μm-10μm，高精密级为3～5μm至1～1.5μm，超精密级可达0.0lμm。高速高精度切削不仅影响质量与效率，也对工件、刀具、夹具和机床提出更高要求。
（一）高速高精度加工对工件的要求
工件材料冶炼过程中的杂质会在材料中产生硬质点，造成切削过程的振动，使刀刃崩损。热处理过程也会造成各部位硬度不均匀，如果粗加工后淬火再进行精加工，工件尺寸和几何形状的变形会对后期精加工精度有很大影响。所以为了适应高精度高速的生产环境，工件需要具备均匀的材质和优良的热处理质量。
（二）高速高精度加工对刀具系统的要求
高速切削加工时刀具系统有较大离心力和振动，要求刀具有很高的几何精度和装夹重复定位精度，以及高刚度和动平衡的可靠。传统的7：24锥度刀柄系统在进行高速切削时存在刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等缺陷，故7：24锥度刀柄不适合高速切削使用。目前高速切削应用较多的是双面接触空心短锥刀柄HSK或BIG-PLUS双面接触高速刀柄。刀具系统夹紧的新趋势是采用冷缩式夹紧结构（或称热装式），装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合实现夹紧。这种结构刀具的径向跳动在4μm，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高可靠性。
（三）高速高精度加工对切削工艺的要求
切削工艺主要包括：适合高速切削的工艺路线、专门的CAD/CAM编程策略、优化的高速加工参数、充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。
高速切削的刀具轨迹原则上多采用分层环切加工，一般使用斜线轨迹进刀方式，直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，因此不宜采用；斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐增大的，因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。
CAD/CAM编程原则上尽可能保持恒定的刀具载荷，减少刀具受到的冲击载荷，把进给速率变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：提高程序处理速度；在程序段中适当加入圆弧过渡段，减少速度的急剧变化；粗加工要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，尽可能减少铣削负荷的变化；多采用分层顺铣方式；切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证稳定的切削条件。
高速加工切削用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。通常，随着切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨损加剧，除较高的每齿进给量外，加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量fz、较小的轴向切深ap和适当大的径向切深ae。
（四）高速高精度加工对机床的要求
机床结构设计、制造技术、高稳定主轴系统、先进热误差补偿系统、先进的数控进给系统等对高精度切削有着重要影响。机床制造商大多采用全闭环伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠。随着先进的直线电动机技术的发展及应用，CNC机床提高了系统的响应速度，提高了伺服控制精度和机床加工的定位及重复定位精度。
现今，高速机床数控系统的速度和加速度的前馈控、前瞻处理、拐角预处理都能有效地保证模具复杂曲面高速加工的质量和效率。部分机床还可在内部进行NURBS插补曲线处理，用户可直接控制加工精度参数，准确地控制速度和加速度，使加工精度得到保证。
机床切削期间结构受热所产生的热位移，是影响加工精度的重要因素，因此机床温度控制技术及热位移补偿技术在近年来逐渐受到重视，由于热会使所有机件的材质膨胀，故所有会产生热的行为皆是误差产生的原因。如：高速主轴转动、各滑动件、滚动件摩擦、伺服电动机消耗功、环境温度场变化等。
解决机床由于温度分布不均匀所导致的热误差一般有三种方法：（1）控制热量流向机床周围环境。（2）重新设计机床结构，使其对热变形敏感度降低及控制变形程度。（3）对移动件进行热补偿。
其中最经济且效果最好的方法是热误差补偿，如日本大隈公司提出的“热亲和概念”，主要分为两部分：
（1）热位移补偿——主轴。主轴采用简单热变形的结构，平均热对称冷却润滑喷嘴及双重冷却油套，将热变形抑制在最小程度，应用正确的热位移补偿方式，使能在长时间运转中保持热变形在4μm以内。
（2）热位移补偿——结构。机床主轴之外的其他结构使用热量分布均匀的箱式组合构造，通过机内护罩减小冷却液和加工时铁屑热量对机床温度的影响，采用分离的NC控制箱设计将电器零件工作时产生的热量隔离，使机床前后温度保持相同，将热变形抑制在最小程度。
三、结语
数控技术在我国得到了越来越广泛的应用，推广应用数控高速切削技术可以大幅度提高机械加工的效率、质量、降低成本，可以带动相关高新技术产业的发展。应重视和加强与数控高速切削相适应的工件毛坯材料、刀具材料、刀具系统结构、机床技术及相关新工艺的研究和开发，努力提高我国机械制造业的加工效率和质量水平。
参考文献：
[1]艾兴，高速切削加工技术，国防工业出版社，2003.
[2]陆启建，高速切削与五轴联动加工技术，机械工业出版社，2011
[3]何宁，高速切削技术，上海科学技术出版社，2012
作者简介：朱鹏程（1974--），男，本科学历，高级工程师，烟台南山学院教师。研究方向：数控加工技术。
【关键词】数控加工，高速切削
一、概述
围绕提高生产效率这一目的，切削加工已进入了发展高速、高精度切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术的新阶段。采用高速切削技术加工模具已经成为模具制造的重要趋势，高速切削逐渐取代电火花精加工模具，在国外的模具制造企业已经普遍采用，能够明显提高加工效率。与此同时，因模具制造业的毛坯材料多改用预硬钢并要求一步加工到位不用手工抛光或电火花加工，铣削的加工精度与质量便直接影响模具整体加工时间。
二、高速高精度铣削一般加工精度在l0μm以内，可分为三个层次：普通级为5μm-10μm，高精密级为3～5μm至1～1.5μm，超精密级可达0.0lμm。高速高精度切削不仅影响质量与效率，也对工件、刀具、夹具和机床提出更高要求。
（一）高速高精度加工对工件的要求
工件材料冶炼过程中的杂质会在材料中产生硬质点，造成切削过程的振动，使刀刃崩损。热处理过程也会造成各部位硬度不均匀，如果粗加工后淬火再进行精加工，工件尺寸和几何形状的变形会对后期精加工精度有很大影响。所以为了适应高精度高速的生产环境，工件需要具备均匀的材质和优良的热处理质量。
（二）高速高精度加工对刀具系统的要求
高速切削加工时刀具系统有较大离心力和振动，要求刀具有很高的几何精度和装夹重复定位精度，以及高刚度和动平衡的可靠。传统的7：24锥度刀柄系统在进行高速切削时存在刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等缺陷，故7：24锥度刀柄不适合高速切削使用。目前高速切削应用较多的是双面接触空心短锥刀柄HSK或BIG-PLUS双面接触高速刀柄。刀具系统夹紧的新趋势是采用冷缩式夹紧结构（或称热装式），装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合实现夹紧。这种结构刀具的径向跳动在4μm，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高可靠性。
（三）高速高精度加工对切削工艺的要求
切削工艺主要包括：适合高速切削的工艺路线、专门的CAD/CAM编程策略、优化的高速加工参数、充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。
高速切削的刀具轨迹原则上多采用分层环切加工，一般使用斜线轨迹进刀方式，直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，因此不宜采用；斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐增大的，因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。
CAD/CAM编程原则上尽可能保持恒定的刀具载荷，减少刀具受到的冲击载荷，把进给速率变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：提高程序处理速度；在程序段中适当加入圆弧过渡段，减少速度的急剧变化；粗加工要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，尽可能减少铣削负荷的变化；多采用分层顺铣方式；切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证稳定的切削条件。
高速加工切削用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。通常，随着切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨损加剧，除较高的每齿进给量外，加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量fz、较小的轴向切深ap和适当大的径向切深ae。
（四）高速高精度加工对机床的要求
机床结构设计、制造技术、高稳定主轴系统、先进热误差补偿系统、先进的数控进给系统等对高精度切削有着重要影响。机床制造商大多采用全闭环伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠。随着先进的直线电动机技术的发展及应用，CNC机床提高了系统的响应速度，提高了伺服控制精度和机床加工的定位及重复定位精度。
现今，高速机床数控系统的速度和加速度的前馈控、前瞻处理、拐角预处理都能有效地保证模具复杂曲面高速加工的质量和效率。部分机床还可在内部进行NURBS插补曲线处理，用户可直接控制加工精度参数，准确地控制速度和加速度，使加工精度得到保证。
机床切削期间结构受热所产生的热位移，是影响加工精度的重要因素，因此机床温度控制技术及热位移补偿技术在近年来逐渐受到重视，由于热会使所有机件的材质膨胀，故所有会产生热的行为皆是误差产生的原因。如：高速主轴转动、各滑动件、滚动件摩擦、伺服电动机消耗功、环境温度场变化等。
解决机床由于温度分布不均匀所导致的热误差一般有三种方法：（1）控制热量流向机床周围环境。（2）重新设计机床结构，使其对热变形敏感度降低及控制变形程度。（3）对移动件进行热补偿。
其中最经济且效果最好的方法是热误差补偿，如日本大隈公司提出的“热亲和概念”，主要分为两部分：
（1）热位移补偿——主轴。主轴采用简单热变形的结构，平均热对称冷却润滑喷嘴及双重冷却油套，将热变形抑制在最小程度，应用正确的热位移补偿方式，使能在长时间运转中保持热变形在4μm以内。
（2）热位移补偿——结构。机床主轴之外的其他结构使用热量分布均匀的箱式组合构造，通过机内护罩减小冷却液和加工时铁屑热量对机床温度的影响，采用分离的NC控制箱设计将电器零件工作时产生的热量隔离，使机床前后温度保持相同，将热变形抑制在最小程度。
三、结语
数控技术在我国得到了越来越广泛的应用，推广应用数控高速切削技术可以大幅度提高机械加工的效率、质量、降低成本，可以带动相关高新技术产业的发展。应重视和加强与数控高速切削相适应的工件毛坯材料、刀具材料、刀具系统结构、机床技术及相关新工艺的研究和开发，努力提高我国机械制造业的加工效率和质量水平。
参考文献：
[1]艾兴，高速切削加工技术，国防工业出版社，2003.
[2]陆启建，高速切削与五轴联动加工技术，机械工业出版社，2011
[3]何宁，高速切削技术，上海科学技术出版社，2012
作者简介：朱鹏程（1974--），男，本科学历，高级工程师，烟台南山学院教师。研究方向：数控加工技术。