怎样运用半精加工?

高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术。高速切削指切削速度超过传统切削速度5—10倍的切削技术。高速切削能够大大提高劳动生产效率，提高产品质量并且可以节省能源。同时，高速切削必须与高速切削机床、与材料相对应的刀具以及对应的材料搭配使用。高速铣削在粗加工后的半成品工件上，怎样用半精加工方法获得余量比较均匀的半成品毛坯，为精加工采用高速铣削创造条件。这些在高速铣削工艺中都是要考虑的内容。

1931年4月德国物理学家Carl Salomon 博士最早提出了提出高速切削的理论，并于哦那个年申请了专利。他指出：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到90年代初，高速切削技术开始进入实用化，到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。

根据1992年国际生产工程研究会（CIRP）年会主题报告的定义：高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5—10倍的切削技术。对常用材料，一些资料给出了大致数据：铝合金1500~5500m/min；铜合金900~5000m/min；钛合金100~1000m/min；铸铁750~4500m/min；钢600~800m/min；各种材料的高速切削进给速度范围为2~25m/min。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。

高速切削之所以得到工业界越来越广泛的应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：

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5~10倍，单位时间材料切除率可提高3~6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。

由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%。

因为高速旋转时刀具切削的激励频率远低工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小实现了高精度、低粗糙度加工。

由于单位功率得金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。

常规切削加工不能淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。

高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。在航空航天业主要是解决零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、难加工材料和加工效率等问题，特别是整体结构件可加工硬度达50—60HRC的淬硬材料因为取代了部分电火花加工，并减少了钳工修磨工序，缩短了模具加工周期；高速铣削石墨了获得高质量的电火花加工电极。高速切削的高效率使其在电子印刷线路板打孔和汽车大规模生产中得到广泛应用。目前，适合高速切削的工件材料有铝合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢、石墨和石英玻璃等。

高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。高速切削机床是高速切削应用的基本条件。

高速铣床的主轴转速一般在18,000rpm以上，30,000—60,000rpm也已在工业中实际应用，功率在十几至几十千瓦，高速状态下达到最大功率，但扭矩降到最小，同时许用的铣刀直径也将减小。高动态的进给驱动直线工作进给速度一般在20—40m/min，采用直线电机的驱动速度在60—120m/min，加速度1—2g。回转工作台速度可达360rmp，回转加速度达47°/s²，基本满足高速五座联动加工。

机床主轴和床身要有良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能。人造大理石床身具有很高的热稳定性，良好的吸振特性，并能根据需要制作最合理的机床机构。研究表明人造大理石的吸振性是铸铁的6倍左右。

具有快速数据处理能力的CNC控制系统是高速机床的必要保证。上图显示了高速机床CNC控制系统的有关技术。

安全、高效和高质量是高速切削的主要目标。高速加工按目的分为两种情况;以实现单位时间最大材料去除量为目的的高速加工和以实现单位时间最大加工表面积为目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。

由于高速铣削要求切削载荷均匀，没有剧烈的变化，因此除铝合金和非铁合金外，通常粗加工可采用有较高金属切除率的常规铣削。精加工时由于余量较均匀，采用高速铣削能达到很高的走刀速度，切削跟多的表面积。对小的零件，从粗加工到精加工都可采用高速铣削。在粗加工后的半成品工件上，怎样用半精加工方法获得余量比较均匀的半成品毛坯，为精加工采用高速铣削创造条件；另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和设置切削参数，采用先进的走刀方法等，这些都是要考虑的重要的问题。

粗加工的目标是追求单位时间的最大切除量，表面质量和轮廓精度要求不高，重要的是让机床平稳的工作，避免切削方向和载荷急剧变化。为了防止切削时速度矢量方向的突然改变，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角。所有进刀、退刀、步距和非切削运动的过渡也都尽可能圆滑，如在平面铣削中，可采用螺旋或倾斜方式（倾角5°左右）的垂直进退刀运动、圆弧方式的水平进退刀运动；而在曲面轮廓铣中，使用切圆弧的进退刀运动等。

刀具通常采用球头铣刀和平底圆铣刀，采用2.5轴加工方式，加工时充分利用主轴的加工功率。为了平稳地加工硬化了的材料，步距通常不得大于刀具直径的6%~8%，深度不超过刀具直径的10%。分层切削能控制切削载荷均匀，粗加工中常采用此法。

半精加工的目的是把前道工序加工后的参与加工面变得平滑，同时去除拐角处的多余材料，在工件加工面上留下一层比较均匀的余量，为精加工的高速铣削做准备。半精加工应沿着粗加工后的棱状轮廓进行铣削，以便使切入过程稳定，并减少切削力波动对刀具的不利影响。另外，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁地进退刀。

以前的CAM系统（包括目前的一般系统）基本上没有基于残留模型的编程功能。粗加工以后，不是针对残余材料做后续加工，而是以一个假设的、估计的“毛坯”作为加工对象，来进行半精加工的到位轨迹计算。这样得到的加工指令，在实际切削过程中会出现空切现象，造成切削状态不连续，引起刀具震动或撞击，缩短了刀具寿命，并容易造成加工缺陷。现在，一些顶尖的CAD/CAM系统已推出了这项技术。如在UG中，粗加工后可生成工件的残留材料模型（IPW），然后以该残余材料模型为毛坯，生成半精加工操作。这样可去除空刀，减小刀具切入/切出材料时的冲击，延长刀具寿命，并可获得较为均匀的加工余量，为高速铣削精加工创造条件。

精加工的目的是按照零件的设计要求，达到较好的表面质量和轮廓精度。精加工的刀位轨迹紧贴零件表面，要求平稳、圆滑，没有剧烈的方向改变。精加工中除需对工艺参数进行优化外，还建议采用下面的加工顺序：外轮廓加工，凸起规范几何体的加工、自由型面的加工、阶梯层面加工、平面加工个凹陷规范几何体的加工等。

高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺相结合，充分发挥高速切削技术的优势。高速切削工具技术也是一项关键技术，为了适应和推动我国高速切削技术的发展，我们应该充分认识到，工具制造是一个高技术含量的行业，应加强该领域的基础研究、工程研究和应用研究；迅速发展的高速切削技术极大的刺激高性能刀具的需求，我国工具行业应重点在刀具的耐磨性、精度和可靠性方面加强研发力度，提高刀具的竞争能力；刀具的竞争力应集中在高性能带来的整体经济效益，在应用领域推广使用高性能刀具；提供个性化技术服务；根据我国目前的实际情况，建议重点发展涂层技术(如耐磨(硬、软)涂层、复合涂层、纳米结构涂层等)，刀具质量保障技术和刀具数据库。