1、 毕 业 论 文 题 目 高速切削加工 专 业 数控加工与维护工程 班 级 学 生 指导教师 西安 工业 大学函授部 二 0 0 九 年 1 摘 要 改革开放 20 年来，我国机电工业引进了大量的先进产品设计制造技术和生产工艺装备，机电工业的产值、利润占整个工业的 25%左右。目前我国与 WTO 成员的贸易额已占我国 但从 整体来看，我国机电工业与发达国家相比仍存在较大差距，总体技术水平的差距达 15-20 年。加入 WTO 后，政府对企业的管理和企业自身的生产经营行为，都要遵循 WTO 的有关原则，企业所面临的外部环境将发生重大变化，加入 WTO 对整个机电行业的影响是很深的。 由于我国机电
2、工业的产业结构尚不合理，各地的重复建设，导致地区结构趋同化倾向十分明显，技术水平低、生产工艺落后、浪费严重、企业达不到经济合理的生产规模，进而导致经济效益低下。加入 WTO 的冲击会直接波及到那些效益差、长期亏损的企业，而那些依靠关税和非关税措施保护 的行业，也同样会受到冲击。同时，由于市场竞争的加强，某些行业的利润率会下降，长线产品的生产将会得到相应的抑制。那些管理落后、效益低下的企业必然要进行资产重组。从这个意义上看，加入 WTO，也为我国机电工业的产业发展的动力。 随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，数控加工技术对国计民生的一些重要行业（ IT、汽车、轻工）的发展起着越来越重要的作用
3、，因为效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。而对于数控加工 ,无论是手工编程还 是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些工艺问题 (如对刀点、加工路线等 )也需做一些处理。并在加工过程掌握控制精度的方法 ,才能加工出合格的产品 。 本文从高速加工的历史及现状入手，详细地介绍了高速加工的特点及高速加工的主要 的 应用领域。并详尽地指出高速加工编程不同于普通 CNC 加工的一般编程，并分析了现阶段 内外高速加工数控编程的现状，对我国发展高速加工的方向具有
4、一定的参考作用。 本文还较为详尽地介绍了高速加工数控程序的国际通用的一般程序接口，可以让人 对高速加工数控程序的国际通用的一般程序接口有一个较为全面的认识。本文还从实际加工方面，给读者介绍了一般的高速加工数控编程策略和方法。 通过阅读此文，读者可以了解到什么是高速加工，高速加工的特点，高速加工的一般软硬件要求。以及高速加工在未来制造业中的战略意义。 关键字：高速加工 数控 编程 刀具 2 目 录 第一章 高速切削现状 1.1 高速切削加工历史 1 1.2 高速切削加工的特点 2 1.3 切削 用量 的划分 3 1.4 高速切削的优势 .4 1.5 高速加工主要应用领域 4 1.6 数控编程与加
5、工技术 6 1.7 高速切削技术国外发展现状 6 1.8 高速切削术国内发展现状技 7 第二章 高速切削加工数控编程策略 2.1 CAM 系统应具有很高的计算编程速度 16 2.2 丰富的高速切削刀具轨迹策略 16 第三章 高速切削加工数控编程方法 3.1 数控编程方法 20 3.2 数控加工数控程序 功能 20 3.3 子程序生成及应用 21 结论 致谢 参考文献 3 第一章 高速切削现状 1.1 高速切削加工历史 高速切削加工是面向 21 世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技
6、术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。高速切削加工的优点主要在于：提高生产效率、提高加工 精度及降低切削阻力。 有关高速切削加工的含义，目前尚无统一的认识，通常有如下几种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的 5-10 倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在 10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达 15-50m/min，最高可达 90m/min；对于不同的切削材料和所釆用的刀具材料
7、，高速切削的含义也不尽相同；切削过程中，刀刃的通过频率(Tooth Passing Frequency) 接近于 “ 机 床 刀 具 工 件 ” 系 统 的 主 导 自 然 频 率(Dominant Natural Frequency)时，可认为是高速切削。可见高速切削加工是一个综合的概念。 1.2 高速切削加工的特点 (1)高速切削的加工效率高。高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高 510 倍，单位时间材料切除率可提高 3 6 倍，加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。 (2)高速切削的切削力小。和常规切削相比，高速
8、切削加工时切削力至少可降低 30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。 (3)高速切削的切削热对工件的影响小。高速切削加工过程极为迅速， 95%以上的切削热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属 (如镁 )，高速切削有一定意义。 (4)高速切削的加工精度高。因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力太小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，另外也使得刀具工件间的摩擦变小，切削破坏层变薄，残余应力小，实现了
9、高精度、低粗糙度加工。 1.3 切削 用 量 的划分 切削用量是指切削速度 v c 、进给量 f （或进给速度 v f ）、背吃刀量 a p 三者的总称，也称为切削用量三要素。它是调整刀具与工件间相对运动速度和相对位置所需的工艺参数。它们的定义如下： 1.3.1 切削速度 v c 切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。计算公式如下 v c=( d w n )/1000 (1-1) 式中 v c 切削速度 (m/s) ； dw 工件待 加工 表面 直径（ mm ）； n 工件转速（ r/s ）。 在计算时应以最大的切削速度为准，如车削时以待 加工 表面 直径的数值进行计算，因为此处速 度最
10、高，刀具磨损最快。 4 1.3.2 进给量 f 工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。 进给速度 v f 是指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度。 v f=fn （ 1-2 ） 式中 v f 进给速度（ mm/s ）； n 主轴转速（ r/s ）； f 进给量（ mm ）。 1.3.3 背吃刀量 a p 通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。根据此定义，如在纵向车外圆时，其背吃刀量可按下式计算： a p = （ d w d m ） /2 （ 1-3 ） 式中 d w 工件待 加工 表面 直径（ mm ）； dm 工件已 加工 表面 直径（ mm ）。
11、 1.4 高速切削的优势 1.4.1 高速切削加工提高了加工速度 高速切削加工以高于常规切削 10 倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过 “ 机床 刀具 工件 ” 系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。 1.4.2、高速切削加工生产效率高 用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓 “ 一次过 ” 技术 (One Pass Machining)。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。 1.4.3、高速切削加工可获得高质量的加工表面 由于采取了极小的步距和切深，高
12、速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。 1.4.4、简化加工工序 常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。 现在则可以通过高速切削加工来完成，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产周期。 1.4.5、高速切削加工使汽车模具修复过程变得更加方便 汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该 工作，取得以铣代磨的加工效果，而且可使用原 NC 程序，无需重新编
13、程，且能做到精确无误。 1.4.6 高速切削加工可加工形状复杂的硬质汽车模具 由高速切削机理可知：高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松，高速切削加工在切削高强度和高硬度材料方面具有较大优势，可以 加工具有复杂型面、硬度比较高的汽车模具。 1.5 高速加工主要应用领域 高速切削加工技术在薄壁结构加工的工艺优势，需要在切削刀具、切削用量、工艺方案、数控编程等方面采取正确的策略。从已经取得的航空薄壁结构中的应用成果可以充分证明高速切削5 加工技术的优越性，不仅加工效率大大提高，零件的加工质量也得到提高。 由于现代飞机高性能的要求，其结构具有轻量化、薄壁化和整体化的 特点，并且为满足飞机装
14、配以骨架零件为定位基准的要求，零件须实现精确加工，作到具有较高的精度和表面质量。传统的低速加工方法已经难以满足现代航空制造的需要。根据国外的发展趋势，同时结合航空制造技术发展的实际需求，应用高速切削加工技术成为现代航空制造业的必然选择。为此，成飞近年来进行了较为深入的应用研究，已经较为成功的在薄壁结构零件加工中广泛应用了高速切削加工技术。 1.6 数控编程与加工技术 数控机 床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数 (主轴转数、进给量、背吃刀量等 )以及辅助功能 (换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等 )，按
15、照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上 (如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器 )，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。 这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。数控机床与普通机床加工零件的区别在于控机床是按照程序自 动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂要求精度高的零件 由于数控机床要按照程序来加工零件，编程人员编制好程序以后，输入到数控装置中来指挥机床工作 。 程序的输入是通过控制介质来的 。 1.7 高
16、速切削技术国外发展现状 从德国 Carl. J. Salomon 博士提出高速切削概念，并于同年申请了专利以来，高速切削技术的发展经历了高速切削的 理论探索阶段、高速切削应用探索阶段、高速切削的初步应用阶段、高速切削的较成熟阶段等四个阶段，现已在生产中得到推广应用。特别是 20 世纪 80 年代以来各工业发达国家相继投入大量人力、财力，研究开发高速切削技术及相关技术，发展迅速。 国外近几年来高速加工机床发展迅速，美国、法国、德国、日本、瑞士、英国、加拿大、意大利等国家相继开发了各自的高速切削机床。高速主轴是高速切削技术最重要的关键技术，通常采用主轴、电动机一体化的电主轴部件，实现无中间环节的直
17、接传动，主轴支承一般使用陶瓷轴承、静压轴承、动压轴承、空气轴 承以及油 0 气润滑、喷射润滑等技术，也有使用磁力轴承的。进给系统则开始采用直线电动机或小导程大尺寸高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠，以提供更高的进给速度和更好的加、减速特性，最大加速度可达 2 10g。 CNC 控制系统则使用多片 32 位或 64 位 CPU，以满足高速切削加工对系统快速数据处理能力的要求，并采用前馈和大量超前程序段处理功能，以保证高速加工时的插补精度。采用强力高压、高效的冷却系统以解决极热切屑问题。采用温控循环水 (或其它介质 )来冷却主轴电动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横
18、梁、床身等大构件。采取更完备的安全保障措施保证机床操作者及机床周围现场人员的安全，避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤；识别和避免可能引起重大事故的工况；保证产品产量与质量。 研究工件的材料特性对加工方法的影响，一些难加工材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等，在高速条件下变得易于切削。另外，不同材料最佳切削速度也不同，工件材料还是选择刀具及加工参数的重要依据，一般在高速加工中，宜采用高转速、中小切深、快进给、多行程，但是在高速加工的工艺参数选择方面，目前国际上没有面向生产实用的数据库可以参考。 6 高速切削机理的研究主要包括高速切削过程中的切屑成形机理、切削力、切削热变化规律及刀具磨损机理对
19、加工效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律。目前对铝合金的高速切削机理研究，已取得了较为成熟的结论，并已用于指导铝合金的高速切削生产实践。但对黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理研究尚在探索阶段，其高速切削工艺规范还很不完善，是目前高速切削生产中的难点，也是切削加工领域研究的焦点。另外，高速切削已进入铰孔、攻丝等的应用中，其机理也都在不断研究之中。就目前而言，对高速切削时的切削力、切削温度、刀具磨损与刀具寿命、加工表面质量与加工精度的变化规律还需要做更加深入的研究和探讨。 1.8 高速切削术国内发展现状技 高速切削在国内的研究及应用起步较晚，但进入 20 世纪 90 年代以来已普遍引起关注
20、。目前全国大约有 300 多万台机床，大部分还是通用机床，数控机床包括经济型在内大致占 10%左右，在航空、航天、汽车、模具、机床和工程机械等行业进口数控机床和加工中心占了较大比例。现在国内 10000 15000r/min的立式加工中心和 18000r/min的卧式加工中 心已开发成功并生产问世，生产的高速数字化仿形铣床最高转速达到了 40000r/min， 3500 4000r/min 的数控车床和车削中心已成批生产， 8000r/min 的数控车床也已问世。高速机床的高档数控系统和开放式数控系统正在深入研究中，但目前主要还是依赖进口。目前国内正逐步开始推广应用高速切削技术，主要是应用在航
21、空航天、模具和汽车工业，加工铝合金和铸铁较多，但采用的刀具以进口为主。 国内刀具材料目前仍以高速钢、硬质合金刀具为主，先进刀具材料 (如涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷刀具、 CBN 和 PCD 刀具等 )虽有 一定基础，但应用范围不够广泛。总的来说，切削速度普遍偏低，切削水平和加工效率较低。高速切削基础理论研究起步较晚， 80 年代以来，国内对陶瓷刀具高速硬切削时的切屑形成、切削温度、切削力、刀具磨损与破损、刀具寿命和加工表面质量等规律进行了系统研究，并已在生产中得到较多应用。自 90 年代以来，对高速切削铝合金、钢、铸铁、高温合金、钛合金等的切削力、切削温度、刀具磨损与破损和刀具寿命进行了一定
22、研究和探讨，但还没有进行全面系统的研究。对切削加工过程的监控技术研究较多，但投入生产使用的较少。 附表：各种加工方法的高速切削速 度范围 加工方式 切削速度 (m/min) 车削 700 7000 铣削 300 6000 钻削 200 1100 拉削 30 75 铰削 20 500 磨削 5000 10000 1.8.1 高速切削的应用 由于高速切削机床和刀具技术及相关技术的迅速进步，高速切削技术已应用于航空、航天、汽车、模具、机床等行业中，车、铣、镗、钻、拉、铰、攻丝、磨削铝合金、钢、铸铁、钛合金、镍基合金、铅、铜及铜合金、纤维增强的合成树脂等几乎所有传统切削能加工的材料，以及传统切削很难加
23、工的材料。刀具材料主要 使用碳素工具钢、超高速钢、硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、天然金刚石、人工金刚石、聚晶金刚石等。 目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业、工件本身或刀具系统刚性不足的加工领域及加工复杂曲面的领域。不同加工方式、不同工件材料有不同的高速切削范围。不同加工方式高速切削线速度的范围见附表，附图所示为几种常见工件材料高速铣削时的速度范围。 高速切削还在进一步发展中，预计铣削加工铝的切削速度可达到 10000m/min，加工铸铁可7 达到 5000m/min，加工普通钢也将达到 2500m/min；钻削加工铝切削转速可达到 30000r/min，加工铸铁达到 20
24、000r/min，加工普通钢达到 10000r/min。 1.8.2 高速切削存在的问题及发展展望 高速切削是切削加工发展的主要方向之一，它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件等基础技术的发展外，自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题，如刀具磨损严重，高速切削刀具切入切出时破损问题，高速切削用刀具材料价格昂贵，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具夹持要牢靠安全，主轴系统昂贵且寿命短，而且所用高速加工机床及其控制系统价 格昂贵，使得高速切削的一次性投入较大，这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。高速切削发展趋势和未来研究方向归纳起来主要有： (1)新一代高速大功率机床的开发与研制；
25、(2)高速切削动态特性及稳定性的研究； (3)高速切削机理的深入研究； (4)新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究； (5)进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围； (6)开发适用于高速切削加工状态的监控技术； (7)建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术； (8)基于高速切削工艺，开发推广干式 (准干式 )切削绿色制造技术； (9)基于高速切削，开发推广高能加工技术。 8 第二章 高速切削加工数控编程策略 2.1CAM系统应具有很高的计算编程速度 （ 1）直接通过 CAD/CAM 进行图形设计 随着
26、技术的发展， CAD/CAM 技术在模具的生产中，将普遍采用经过市场调查及其周密的研究，进行生产决策，下达生产计划及实施措施，紧接着模具开发设计者使用模 CAD 工作站，完成模具设计中的造型、计算、分析以及绘制工程图，而且可在设计阶段对产品 性能进行评价，可使设计者从繁重的绘图中解放出来，能有更多的时间作创造性的工作。 （ 2）利用现有客户提供的 CAD 数据模型，转换成所需图形 模具企业有的客户提供绘制好的图形。客户方和模具企业制造方若使用不同的软件，就会出现图纸数据交流的困难。这需要解决数据接口问题。因为大多数 CAD 程序有其各自不同的数据库形式而不能和其它程序共用几何数据。因此客户方的
27、 CAD 的几何体必须翻译成模具企业制造方的接受程序能读取的东西。通常的办法是使用通用几何体转换标准如 “IGES”或 “STEP”，以及一些专用的转化器进行数据转换。 (3)CAD/CAM 用于生产过程管理 应用 CAD/CAM 系统的网络通常由小型计算机和个人计算机终端所组成，管理系统软件（ FMS）可对整个生产过程进行跟踪管理。如掌握加工进度、零件流转状况、外购件的采购状况、收货状况和加工品质等。系统还包括材料清单、计划和控制、库存物品管理、标准件、材料履历、总生产时间表、所需材料计划、订货和销售历史、到货数量、操作人员履历、对车间的控制状况、计划时间、品质评估、标准加工路线、所需生产能
28、力计划、劳动力成本、外购计划及到货状况、请购单、外购件历史和可交付数量等。应用这种软件可以帮 助选择适当的外购物品时机和节省劳动力。 使所有加工状况信息完全进入库存管理，从而生成完善的材料清单。然后按照加工工艺路线进行有条不紊的加工。该系统还可逐日提供操作人员加工工时和机床运转时间的数据及停工待料的时间。这样不仅可减少机床空耗的时间，还可以计算出实际生产成本，从而达到降低生产成本的目的。 2.2 丰富的高速切削刀具轨迹策略 以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术，最近十几年发展迅猛，在航空航天、模具制造及精密微细加工等领域得到了广泛应用。因此，高速加工技术的研究已成为国内
29、外制造领 域重要的研究项目之一。 确定刀具路径应满足的基本要求 高速切削不仅提高了对机床、夹具、刀具和刀柄的要求，同时也要求改进刀具路径策略，因为若路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的 突变，从而给零件、机床和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快，这种损害比在普通切9 削中要严重的多，因此， 必须研究适合高速切削的路径，将切削过程中切削负荷的突变降至最低。可以说，高速切削机床只有有了合理的高速刀具轨迹才能真正获得最大效益。 为了消除切削过程中切削负荷的突变，刀具路径应 满足以下基本要求： 切削是等体积切削，即切削过程中切削力恒定。 尽量减少空行程
30、。 尽量减少进给速度的损失。 通用的刀具路径 2.2.1 粗加工刀具路径 粗加工时常用的刀具路径有： Z 向等高线层切法，即将零件分成若干层，一层一层逐层往下切，在每层中将零件的所有区域加工完再进人下一层，在每一层均采用螺旋或圆弧进刀，同时 采用无尖角刀具轨迹。这样有利于排屑，也避免了切削力发生突变。对薄壁件来说，更应采用这种刀具轨迹，因为这种刀具轨迹在切削过程中还能使薄壁 保持较好的刚性。 插铣刀具路径。对于深度很 深的腔体的粗加工可采用插铣的方法来进行，因为腔体很深时，需要很长的刀具，这时刀具的刚性很差，按常规的切削路线切削刀具易变形，而且也易产生振动，影响加工质量和效率，采用插铣的轨迹正
31、好可解决这一问题。 摆线刀具路径。另一种更新的粗加工刀具轨迹是摆线刀具轨迹，“摆线”是指当一个圆沿着一条曲线作纯滚动时，圆上某一固定点的轨迹。采用 这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线(一般是零件的轮廓线及其平移线 )保持一个恒定的半径，从而可使进给速度在加工过程中可保持不变，而且这时的径向吃 刀量一般取刀具直径的 5%左右，因此刀具 的冷却条件良好，刀具的寿命较长。这对高速加工是非常有利的。 2.2.2 精加工刀具路径 精加工时常用的刀具路径有： 先在陡峭面用 Z 向等高线层切法加工，然后在非陡峭面采用表面轮廓轨迹法加工； 先用表面轮廓轨迹法加工所有面，再在垂直方向上加工陡峭面。薄壁件的精加工采用 Z 向等高线层切法。当然在加工过程中同样每一层都要尽量作到螺旋或园弧进刀，采用无尖角刀具轨迹。其他的刀具路径 ,如加工的是单一型腔的薄壁件，应尽量采用的走刀路线，它比单纯的等高线逐层切法对保持薄壁的刚性更好，从而保证加工余量均匀，零件变形小 。对薄底零件应采用的走刀轨迹。即从离支撑最远的点开始切削，分层切削直到深度到位；每次深度铣到以后再向支撑处移动一个径向切深，重复上一步的过程，直至切削完成。相当于将薄壁件的等高线逐层切法转动 90。这样才能在切削时较好地保持零件刚性，避免振动。
