基于高速加工的效率与设备选型

高速切削High Speed Cutting和高速加工High Speed Machining分别简称HSC和HSM，是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术使汽车、模具、飞机、轻工和信息等行业的生产率和制造量显著提高，加工工艺及装备更新换代，因此如同数控技术一样，高速切削和高速加工已成为20世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前，适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势。
　　高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙Carl Salomon博士于1929年进行了超高速模拟实验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，当切削速度再增大，超过这个速度范围以后，切削温度反而降低。同时，切削力也会大幅度下降。按照他的假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。
　　一．高速加工的效率
　　1.高速加工提高了产品加工的速度
　　对于精加工，从材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上，普通数控机床精加工时一般进给速度在3米-6米/每分钟，而高速机床一般在15米-60米/每分钟，大家知道一般产品加工大部时间花在精加工，对粗加工而言高速加工采取了非常小的切深，但时间范围内的切削量还是比普通数控机床加工快几倍。
　　2.高速加工可获得高质量的加工表面
　　因高速加工采取了极小的进给量与切深，故可获得很高的表面质量，有时甚至可以省去钳工修光的工序，因表面质量的提高又省去了修光及点火花等工序所需的时间，再则在高速加工速度范围内，切削温度降低，同时切削力也会大幅度下降，使加工的产品不会因切削力 与切削温度影响加工精度。
　　3.简化了加工工序
传统铣削加工只能在淬火之前进行，因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加工完成，省去了电极材料、电极加工编程及加工，以及电加工过程所需所有费用，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量减少，便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，节省了部分加工或手工修整工艺。减少人工修光时间及工艺的简化对缩短生产周期的贡献甚至可超过高速加工速度提高而产生的价值，崎立GRAND68A曾经使用6个毫米的刀加工出深度50mm直径0.2mm的小园柱，普通数控机床是无法做到的。
4.使模具修复过程变得更加方便
模具在使用过程中往往需要多次修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，如果采用高速加工可以更快地完成该工作，而且可使用原NC程序，无需重新编制，且能做到精确无误。
　　二．高速加工设备选型
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　　高速加工对机床的要求
　　主轴速度应能达到15000～40000r/min；进给速度应达15～60m/min；快速移动速度达30-90m/min；加速度为1g；高刚性的机械结构；高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴； 精确的热补偿系统；高速处理能力的控制系统线性插补5-20Microns或NURBS插补功能； 具有预处理能力的控制系统。刀夹、刀具的加速度小于3g；刀具的径向跳动小于0.015mm；
　　1.高速主轴
　　目前，高速机床普遍采用电主轴，由于没有中间传动环节，俗称“内藏式电主轴”，电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列主轴温升与振动等机床运行参数的功能。决定电主轴性能的优良重要部份在轴承，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。目前国内主要应用陶瓷滚动轴承，STA公司采用德国GMN公司的轴承生产的电主轴是一款性能优良的产品，其旋转精度和刚度都相当高。目前常使用CYTEC，意大利FAEMAT，瑞士IBAG等厂家的电主轴。
　　国内用户在购买机床时一般应注重主轴的参数，主轴一般有转速、功率、扭矩三个基本重要参数，不能一味追求高转速、高功率就是好，应根据机床的大小，进给速度，NC控制系统整体进行搭配，如果你的机床主轴6万转/每分钟，进给速度才6米/每分钟，怎能谈得上高速机床。主轴的高速旋转切削产生大量的热，在没有快速的移动下，切削热大量传导给工件，致使产品热变型，无法对铝等易热变型的材料加工，这就好比我们的一支手指头在一根点燃的蜡烛上移动，当我们的手指头移动的速度够快的话，始终感觉不到手指头会痛。
　　一般转速快，功率一样的情况下，扭矩会小，扭矩小了对加工的时间内切削去除量有很大的影响，那么要有同样的时间内去除量，功率必须大，大功率的电主轴相当贵，对于初次购买高速机床不是很好的选择。
　　我们购买高速机床时应选主轴转速大约16000-30000转/每分钟为宜，功率10KW-20KW，扭力5N·M-20 N·M。
　　高速主轴还有重要的一点是刀具接口，应选用HSK型接口，中型机床一般HSK-40E、HSK-50E，大机床一般采用HSKA63BT和其它刀具接口目前市场上很难达到2万转以上的参数特性。