高速切削机床
高速切削技术研究
高速切削技术研究第一部分高速切削技术的定义与特点 (2)第二部分高速切削刀具材料与磨损机理 (4)第三部分高速切削机床的选型与应用 (7)第四部分高速切削参数优化方法 (10)第五部分高速切削过程的热控制技术 (13)第六部分高速切削加工精度与表面质量 (15)第七部分高速切削在典型零件加工中的应用 (17)第八部分高速切削技术的发展趋势与挑战 (20)第一部分高速切削技术的定义与特点高速切削技术是一种先进的制造工艺，它通过使用高转速的刀具和优化的切削参数来提高材料去除率、加工精度和表面质量。
该技术的核心在于实现高效率、高质量和高精度的加工过程。
在高速切削过程中，刀具以极高的速度旋转（通常超过每分钟数千转），同时进给速度也相应提高。
这种高速旋转产生的离心力有助于减小切削力和切削热，从而延长刀具寿命并减少工件的热变形。
此外，由于切削力的降低，高速切削还可以减少振动，进一步提高加工精度。
高速切削技术的优势主要体现在以下几个方面：1.高效率：与传统切削相比，高速切削可以显著提高材料去除率，缩短加工时间。
研究表明，高速切削可以提高生产效率达 30%至50%。
2.高精度：高速切削过程中的低切削力可以减少工件的振动，从而提高加工精度。
此外，由于切削热的影响较小，工件的热变形也得到了控制。
3.高质量表面：高速切削产生的切削热较低，这有助于减少工件的烧伤和裂纹，从而获得更好的表面质量。
4.刀具寿命延长：高速切削可以降低切削力，减少刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。
5.节能减排：高速切削技术可以实现更高的材料去除率，从而减少能源消耗和碳排放。
然而，高速切削技术也存在一些挑战，如刀具成本较高、对机床性能要求较高等。
因此，在实际应用中，需要根据具体加工需求和技术条件，合理选择切削参数和刀具，以确保高速切削技术的有效性和经济性。
总之，高速切削技术作为一种先进的制造工艺，具有高效率、高精度、高质量表面等优势，但在实际应用中需充分考虑其成本和设备要求。
先进制造工艺--高速切削技术
第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。
高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。
例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面多且结构复杂，材料去除量达高达90％～95％，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。
高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。
60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。
高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。
为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。
但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。
高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。
汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。
新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。
所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。
图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。
高速切削简介
高速切削加工切屑形成特征 文献2
2021/7/16
高速切削加工切屑形成特征 文献2
从连续光滑的切削到周期性的锯齿状切屑，是随着切削速度增大而变化 过渡，这是高速切削加工中最基本又富有挑战性的问题。本文中，用临 界切削速度对切屑流起因的显式表达式，用材料性能，未变形切屑厚度 与刀具前角三者来表达，并基于尺寸分析和数值模拟。实验对于各种金 属材料在宽范围的切削厚度与刀具前角下，切屑由连续到锯齿状，给出 临界切削速度合理的预测。更有趣的是，发现，由于由雷诺数对湍流流 动的控制，对锯齿形切屑的流动模式的转变是由雷诺数主导。此外，材 料的性能对锯齿形切屑的影响进行系统的研究，其发展趋势和Recht经典 2021/7模/16 型吻合。
➢ 1931年德国物理学家C. J. Salomom在“高速切削原理 ”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一 定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最 高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降 。
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➢ Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣， 并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。
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高速钻孔
表面和内侧倒棱
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修 b）高速模具加工的过程
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
先进制造技术 第2章 高速切削技术2-1
萨洛蒙在l924一1931年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m／min， 在各种进给速度下，使用了多达20齿的螺旋铣刀。l931年 申请了“超极限速度”专利，随后卖给了“Krupp钢与工 具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。
刀具磨损曲线
三、高速切削切屑形成
高速切削试验表明，工件材料及 性能对切屑形态 有决定性影响。
低硬度和高热物理性能的工件材料（铝合金、低碳钢、未 淬硬钢等）易形成连续带状切屑。 高硬度和低热物理性能的工件材料（钛合金钢、未淬硬钢 等）易形成锯齿状切屑。
切削速度对切屑形态有重要影响。对钛合金，在 （1.5~4800)m/min的切削速度范围内形成锯齿状 切屑，随切削速度的增加，锯齿程度（锯齿的齿 距）在增加，直至成为分离的单元切屑。
不同切削速度下车削45钢件的切削形态。
一方面，切削速度增加，应变速度加大，导致脆 性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削 速度增加，切屑温度增加，导致脆性降低，不易 形成锯齿状切屑；
绝热剪切理论（Adiabatic Shear Theory) 周期脆性断裂理论（Periodic brittle fracture theoty）
萨洛蒙（Salomon）曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃
高速切削加工技术
高速切削的适用性
高速切削的适用性
高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。那 么，它是不是放之四海而皆准呢?显然不行。即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这 一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于 解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的 动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。
(1)CAM系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计 算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。
(2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果， 所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀 具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。
如此看来，主轴转速为10～r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制： (1)主轴转速10～r/min时，刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不 能超过16mm，且必须采用进口刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。 (2)机床装备转速为10～r/min的电主轴时，其扭矩极小，通常只有十几个N·m，最高转速时只有5～6N·m。 这样的高速切削，一般可用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工等。 (3)MIKRON公司针对这些情况开发了一些主轴最高转速为r/min、r/min、r/min和r/min的机床，尽力提高 进给量(～mm/min)，以保证机床既能进行粗加工，又能进行精加工，既省时效率又高。
高速切削实验报告
高速切削技术实验报告1、实验目的高速切削技术具有切削速度高、切深小、进给快、运转平稳、效率高、切削过程散热快、表面精度高、适合切削高硬度材料和以切代磨等独特的优点，受到了工业界极大的关注，并已成为制造技术发展的重要方向。
随着高速切削技术的快速发展，应用越来越多，其日益成为学术研究的热点。
为更好地深入了解高速切削技术、高速切削机床性能特点，前往上海国际展览中心参观国际工业博览会，零距离接触当今先进高速切削机床。
2、实验内容2.1 高速切削机床的主要组成部分高速主轴系统——电主轴：电主轴的创新之处在于将主轴电机和机床主轴连为一体，主轴箱成为电机的定子，而主轴则是电机的转子。
在主轴高速转动时，电子传感器用来控制整个过程的温度。
这种新型的电主轴配备有水冷或油冷循环系统，可适时并且准确地根据传感器所测得的温度进行自动调节。
电主轴是一个完整的系统，主要由主轴、轴承、刀具夹持装置、冷却和润滑装置、传感器及反馈装置、内装式电动机等部分组成，它是高速切削的核心部分，其结构如图l所示。
图1 电主轴的结构和系统组成高速主轴系统——主轴轴承：高速切削机床的电主轴所采用的轴承分为接触式轴承和非接触式轴承。
接触式轴承有滚动轴承、陶瓷球轴承；非接触式轴承分为磁浮轴承、气浮轴承等，这两类轴承的工作原理是不同的。
其中滚动轴承中最常用的是角接触球轴承，但这种轴承的使用寿命较低。
这是因为轴承随着电主轴作高速旋转时，轴承中的钢球会产生很大的离心力，这种较大的离心力迫使钢球压在轴承内圈的滚道上，增大了钢珠与滚道之间的摩擦力，产生了较高的温度，从而降低了轴承的使用寿命。
为了解决这个问题，通常采用两种方式：①改变轴承的工作环境，即对轴承采用适当的润滑和冷却，以及在轴承处采用特殊防护，避免微尘和颗粒等侵入轴承内部；②改变钢球或滚道的特性，即将轴承的钢球改为陶瓷球，这样就减少了钢球在运转过程中的离心力和摩擦力，增加了钢球的强度和硬度，延长了其使用寿命。
高速切削(HSM)技术
高速切削(HSM)技术
一、高速切削的原始定义 1931年，德国切削物理学家萨洛蒙博士提出了一个假设，即同年申请 了德国专利（Machine with high cutting speeds）的所罗门原理：被加 工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温 度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的 5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削 速度增大而减小。 切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每 一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。实践证 明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位 切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻 快，两者的机理也不同。
4、高速切削的CAM系统软件 高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切 削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工 CAM编程系统应具有很高的计算速度，较强的插补功能，全程自动过切检查及 处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加 工轨迹监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等等。数控编程 可分为几何设计（CAD）和工艺安排（CAM），在使用CAM系统进行高速加 工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采 用的编程策略就成为了关键。一名出色的使用CAD/CAM工作站的编程工程师 应该同时也是一名合格的设计与工艺师，他应对零件的几何结构有一个正确的 理解，具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。首先要注 意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这 会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀， 这会直接影响刀具的寿命。 另外，在国内外众多的CAD/CAM软件中并不是都适用于高速切削数控编 程。这其中比较成熟适用于高速加工编程的有：英国DelCAM公司的PowerMill 软件模块，日本Makino公司的FFCUT软件（其FF加工模块已集成到美国UGS公 司的CAM软件中），以色列的Cimatron软件，美国PTC公司的Pro/ENGINEER 软件，国内北航海尔华正软件有限公司的CAXA-ME软件等。
高速切削技术及高速切削机床
高 速 度 、 精 度 、 进 给 为 主 要 特 征 的 高 新 技 术 。 高 高 大
速 切 削 可 以 大 幅 度 提 高 零 件 的 加 工 效 率 、 低 加 工 降
成 本 、 高 零 件 的 加 工 表 面 质 量 和 加 工 精 度 。 高 速 提
切 削加 工 在 航 空 航 天 、 具 工 业 和 汽 车 工 业 中 得 到 模 了广 泛 的 应 用 。高 速 切 削 技 术 是 一 项 综 合 性 高 新 技 术 ， 些 新 技 术 包 括 ： 具 技 术 （ 具 材 料 、 具 夹 持 这 刀 刀 刀
的最 终 工 序 。高 速切 削 时 机 床 的 激 振 频 率 远 远 离 开
轴 上 ， 有 冷 却 套 的 定 子 则 安 装 在 主 轴 单 元 的 壳 体 带
中 ， 成 内装 式 电 机 主 轴 。除 此 之 外 ， 轴 运 转 时 ， 形 主
机 床 的 固 有 频 率 ， 使 得 工 件 加 工 往 往 处 于 “ 振 这 元
削 范 围 。一 般 认 为 ， 速 加 工 各 种 材 料 的 切 削 速 度 高
范 围 为 ： 合 金 已 达 到 ２０ 铝 ０ ０～７ ０ ｍ ｍ ｎ 铸 铁 为 ５０ ／ ｉ；
９ ０ ０ ０ ｒｉ； 为 ６ ０—３ ０ ｍ／ ｎ 超 耐 热 镍 合 ０ ～５ ０ ｍ／ ｎ 钢 ａ ０ ０ ０ ｍｉ ；
切削相 比， 有如下重要 特点 ： 具 （ ） 除 单 位 材 料 的 能 耗 低 ， 削 效 率 高 ， 大 １切 切 大
提 高 了能 源 和 设 备 的 利 用 率 。 据 报 道 ， 位 时 间 材 单 料 切 除率 可 提 高 ３～５倍 。
（ ） 工 表 面 质 量 好 、 度 高 ， 作 为 机 械 加 工 ２加 精 可
高速切削加工技术介绍
美国于 1960 年前后开始进行超高速切削试验。试验将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件；或将工件当作子弹射向固定的刀具。 1977 年美国在一台带有高频电主轴的加工中心上进行了高速切削试验，其主轴转速可以在 180 ～ 18000r / min 范围内无级变速，工作台的最大进给速度为 7 . 6m / min。
1979 年美国防卫技术研究总署（ DARPA ）发起了一项“先进加工研究计划”，研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。
在德国， 1984 年国家研究技术部组织了以 Darmstadt 工业大学的生产工程与机床研究所 PTW ）为首，包括 41 家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机瓜刀具、控制系统以及相关的工艺技术，分别对各种工件材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镶铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了切削热的绝大部分被切屑带走国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了好的经济效益。日本于 20 世纪 60 年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现在超高速切削时，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界 35善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。进人 20 世纪 90 年代以来，以松浦（ Matsuora ）、牧野 ( Makino ）、马扎克（ Mazak ）和新泻铁（ Niigata ）等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床，日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者.
2 高速切削刀具
刀具是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高的关键因素是刀具能否承受越来越高的切削温度在萨洛蒙高速切理研究和高速切削试验的不断深人，证明高速切削的最关键技术之一就是所用的刀具。舒尔兹教授在第一届德国 ― 法国高速切削年会（ 1997 年）上做的报告中指出：目前，在高速加工技术中有两个基本的研究发展目标，一个是高速引起的刀具寿命问题，另一个是具有高精度的高速机床．
高速切削及其关键技术
高速切削和其关键技术综述摘要高速切削已成为先进制造技术的一个重要发展方向。
高速切削的应用将提高加工精度和生产率。
本文介绍了高速切削的概念和特点，分析了高速切削的关键技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，说明了高速切削在航空、汽车工业与模具制造等领域的应用，并展望高速切削加工技术未来的发展方向。
关键词：高速切削，关键技术，应用领域，未来展望Abstract:High-speed cutting technology has become an important development direction of advanced manufacturing technology.The application of high-speed cutting technologywill improve the machining accuracy and productivity.This paper introduces the concept and characteristics of high speed cutting, and analyzes the key technologies of high-speed cutting, including machine tooltechnology, cutting tool technology and process technology. It also illustrates the applications of the high speed cutting in the field of aviation, automobile industry and dies manufacturing, and prospects the future development direction of thehigh-speed cutting technology.Key words:high-speed cutting, key technologies, application fields, future prospect0. 引言自20世纪30年代，高速切削概念首次提出以来，高速切削加工技术经历了多年理论与实践的研究和探索。
高速切削的名词解释
高速切削的名词解释高速切削是现代制造业中一项重要的加工技术，其在工件加工中起着至关重要的作用。
简单来说，高速切削就是在高转速下，通过刀具切削工件表面，快速去除工件上的多余材料，以达到制造精密零部件的目的。
这种切削方式在工艺和设备上相对传统切削方式有着显著的差异，具有许多独特的特点和优势。
本文将从原理、应用领域、特点和挑战等方面对高速切削进行详细解释。
高速切削的原理是基于材料去除的速度和切削轨迹，通过高速旋转的刀具将切削力传递至工件表面，实现切削过程。
相较于传统切削方式，高速切削使用的切削速度更高，可以达到数千转每分钟，甚至数万转每分钟。
高速切削依靠刀具的高转速和稳定性，既提高了生产效率，又确保了切削质量。
它还通过合理的刀具材料和结构设计，降低了切削过程中的热变形和振动等不利因素，进一步提高了工件的加工精度和表面质量。
高速切削的应用领域广泛。
首先，它在航空航天和汽车制造等领域的零部件加工中发挥着重要作用。
对于满足安全性和精密度要求的关键部件，高速切削能够更快速、高效地进行加工。
其次，高速切削在模具和工装制造中也有广泛应用。
模具和工装的加工要求高度精确，而高速切削技术通过提高切削质量和效率，实现了模具和工装的大规模制造。
此外，高速切削还在医疗器械、电子设备和精密仪器等领域有所应用。
高速切削具有许多独特的特点和优势。
首先，由于高速切削技术的使用，加工效率显著提高。
切削速度的增加意味着更短的加工时间，使得生产成本和周期可以大大缩短。
其次，高速切削还可以实现加工精度的提高。
高速切削技术克服了传统切削过程中的振动和热变形等因素，可获得更高的加工精度和表面质量。
此外，高速切削还可以延长切削刀具的使用寿命，减少了更换刀具的频率和成本。
最后，高速切削还能够更好地应对工艺难题。
在某些复杂形状的零部件加工中，高速切削技术能够实现较低的切削力和较高的切削精度，解决了以往的加工难题。
然而，高速切削也面临着一些挑战。
首先，高速切削需要刀具和机床等加工设备具备较高的技术水平。
高速切削的关键技术——高速切削机床
高速切削的关键技术——高速切削机床高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC 控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。
因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削技术的研究体系，如图9 一3 所示。
按其内容、特点和相互关系可分为技术原理、基础技术、单元技术和总体技术4 个层次，如图9 一4 所示。
其中技术原理通过高速切削试验和理论分析揭示高速切削加工机理，对高速加工过程中的变形、力、温度、摩擦和磨损规律及高速加工系统各部分的稳定性、可靠性等进行分析;基础技术和单元技术是实现高速切削技术的关键，包括材料技术，构件、元件及部件的设计和制造技术，控制和监测方法;总体技术是各单元技术按应用特征和技术性能的进一步集成。
实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床，自20 世纪80 年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。
1 .高速切削机床基本结构机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力.因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。
很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土或人造花岗岩，这种材料阻尼特性为铸铁的7~10 倍，密度只有铸铁的1 / 3 。
提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。
2 .高速主轴高速主轴是高速切削最关键零件之一，目前主轴转速在10000~20000r / min 的加工中心越来越普及，转速高达l00000r / min 、200000r / min 、250000r / min 的实用高速主轴也正在研制开发中。
高速切削加工技术
在通用机械制造业中，高速切 削加工技术广泛应用于机床、 泵阀、压缩机和液压传动装置 等产品的制造。
05
高速切削加工技术的发 展趋势与挑战
高效稳定的高速切削技术
高效稳定的高速切削技术是未来发展 的关键，需要不断提高切削速度和加 工效率，同时保持加工过程的稳定性 和可靠性。
高效稳定的切削技术还需要不断优化 切削参数和刀具设计，以适应不同材 料和加工需求的挑战。
高速切削工艺技术
切削参数选择
根据不同的加工材料和切削条件， 选择合适的切削速度、进给速度 和切削深度等参数，以实现高效
切削和高质量加工。
切削液使用
合理选用切削液，如乳化液、极 压切削油等，以提高切削效率和 工件表面质量，同时减少刀具磨
损和热量产生。
加工路径规划
采用合理的加工路径和顺序，以 减少空行程和换刀次数，提高加
高效稳定的切削技术需要解决切削过 程中的振动和热变形问题，提高加工 精度和表面质量。
高性能刀具材料的研发
高性能刀具材料是实现高速切削 的关键因素之一，需要具备高硬 度、高强度、高耐磨性和良好的
抗热震性等特点。
研发新型高性能刀具材料，如超 硬材料、陶瓷材料等，能够提高 切削速度和加工效率，同时减少
刀具磨损和破损。
改善加工质量
01
高速切削加工技术能够减少切削 力，降低切削热，从而减小了工 件的热变形和残余应力，提高了 加工精度和表面质量。
02
由于切削力减小，工件不易产生 振动，减少了振纹和表面粗糙度 ，进一步提高了加工质量。
降低加工成本
高速切削加工技术能够显著提高加工效率，缩短了加工周期，从而降低了单件成 本。
高速切削加工技术
目 录
• 高速切削加工技术概述 • 高速切削加工技术的优势 • 高速切削加工的关键技术 • 高速切削加工的实践应用 • 高速切削加工技术的发展趋势与挑战 • 高速切削加工技术的未来展望
数控机床刀具的高速切削原理
数控机床刀具的高速切削原理数控机床刀具的高速切削技术是现代制造业中一种重要的加工方法，其应用广泛，能够大幅度提高生产效率和加工质量。
高速切削技术的核心就是对刀具的设计和切削原理进行优化，使得切削过程更加高效和精确。
本文将介绍数控机床刀具的高速切削原理，并分析其在现代制造业中的应用。
一、刀具的结构与选择在数控机床的高速切削加工过程中，刀具的结构和选择起到至关重要的作用。
首先，刀具的材料要具备一定的硬度和耐磨性，以保证在高速切削中不会产生较大的磨损和变形。
常见的高速切削刀具材料包括硬质合金、陶瓷和涂层刀具等。
其次，刀具的结构设计要合理，包括刀柄、刀片和刀具的固定方式等。
合理的刀具结构可以提高切削刚度和切削稳定性，降低切削振动和刀具损伤的风险。
二、切削速度的选择高速切削的关键在于选择合适的切削速度。
切削速度是指切削工具与被切削材料之间的相对运动速度。
在选择切削速度时，需要综合考虑被切削材料的性质、刀具材料的耐磨性以及机床主轴的转速等因素。
通常情况下，高切削速度可以提高生产效率，但也会增加刀具磨损和发热的风险。
因此，切削速度的选择需要根据具体情况进行权衡。
三、切削力的控制高速切削过程中，切削力的控制是一个重要的问题。
过大的切削力会加剧刀具磨损和变形的风险，同时也会增加机床的负荷。
为了控制切削力，可以采取以下措施：优化刀具的几何形状，使其具备较大的切削刚度；合理选择切削进给量和切削深度；采用合适的冷却液，降低切削温度等。
通过综合运用这些方法，可以有效地控制切削力，提高切削过程的稳定性和可靠性。
四、切削润滑与冷却在高速切削加工中，切削润滑和冷却也是至关重要的。
适当的切削润滑可以减少切削热量，提高切削表面质量，并延长刀具的使用寿命。
常用的切削润滑方式包括干切和湿切两种，选择合适的润滑方式需要根据具体加工材料的情况进行判断。
此外，切削冷却也可以有效地降低切削温度，减少刀具的热变形和热裂纹的风险。
切削冷却可以通过在切削过程中喷洒冷却液或者使用高速切削专用冷却器等方式来实现。
高速切削加工技术的概念
高速切削加工技术的概念高速切削加工技术是一种在机械加工中使用高速旋转刀具来去除材料的工艺。
它可以提高加工效率、减少加工成本，提高切削质量，并延长刀具寿命。
在高速切削加工技术中，切削速度通常比传统切削速度高出几倍，达到可达到切削极限的速度。
高速切削加工技术的基本原理是通过尽可能高的转速来提高切削速度，以减小切削过程中的切削时间。
高速切削加工技术的发展需要满足以下几个条件：高速切削的刀具材料需要具备良好的硬度、热稳定性和刚性；高速切削需要使用高速转子以提供所需的切削速度；高速切削需要使用高速切削液以冷却和润滑刀具和切削床面。
高速切削加工技术的优点主要体现在以下几个方面：1. 高加工效率：高速切削加工可以提高切削速度，减少切削时间，从而提高加工效率。
与传统切削相比，高速切削可以将加工时间减少50%以上。
2. 高表面质量：高速切削加工可以减小切削过程中的机床振动和切削力，从而获得更高的表面质量。
切削过程中，高速转子产生的离心力可以抑制刀具的振动，提高切削表面的光洁度。
3. 刀具寿命长：高速切削加工可以减小切削温度，减小切削热对刀具的影响，从而延长刀具的使用寿命。
高速切削可以在减小切削温度的同时提高切削速度，从而有效地降低刀具的受热面积，减小刀具的磨损。
4. 减少加工成本：高速切削加工可以提高加工效率，减少切削时间，从而减少加工成本。
高速切削还可以减小切削力和切削温度，减少切削液的消耗，降低切削液的成本。
高速切削加工技术的应用范围广泛，包括航空航天、汽车制造、模具制造、电子制造等领域。
例如，在航空航天制造中，高速切削可以快速精确地加工复杂的零部件；在汽车制造中，高速切削可以提高发动机零部件的加工效率和精度；在模具制造中，高速切削可以提高模具的加工效率和精度；在电子制造中，高速切削可以提高电路板的加工效率和精度。
总之，高速切削加工技术是现代制造业的一个重要发展方向。
通过提高切削速度，高速切削加工可以提高加工效率、减少加工成本，并提高切削表面的质量。
高速切削(HSC)技术
一、高速切削的原始定义1931年，德国切削物理学家萨洛蒙（Carl.J.Salomon）博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利（Machine with high cutting speeds）的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。
切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。
实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。
二、现代高速切削技术的概念所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。
到目前为止，其原理仍未被现代科学研究所证实。
但这一原理的成功应该不只局限于此。
高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。
这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等等。
事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。
只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。
所以要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。
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汽车零件平面的高速铣削加工
1)铸铁缸体、缸盖端面的高速铣削加工：
如Lamb公司： 缸体、缸盖大平面加工采用高速铣削，用氮化硅 （Si3N4基）陶瓷刀片铣削缸体顶面，切削速度达 1524m/min，进给速度达6350mm/min，生产效率提高了 50％。
汽车零件平面的高速铣削加工
又如日产汽车公司: 日产汽车公司高速铣削铸铁材料的柴油发动机的气缸 体端面。为了保证发动机的性能，该加工面要求具有 较低的表面粗糙度。工件材料是添加了Cr和Cu的铸铁， 可加工性很差。 日产汽车公司加工该端面所用的面铣刀材料为Co-WC基 粘结剂的CBN立方氮化硼，切削速度为440~785m/min， 切削速度为过去的2.8~5倍。 该速度值可保证生产周期内的工具寿命符合节拍要求。
1.4.1 高速切削机床
电主轴的基本结构
内装式电主轴
1.4.1 高速切削机床
电主轴的基本结构
内装式电主轴
1.4.1 高速切削机床
内装式电主轴
电主轴的选用应根据加工零件的实际需要来决定， 通过工件材料、刀具材料、工件的生产流程等来确 定加工所需的最大转速和功率，以免造成浪费。 要注意的是：一般电主轴的极限转速越高，它的输 出扭矩越小，不适于重负荷切削，对使用条件也有 较多的限制，所以不要盲目追求高转速电主轴。 在选用时，一般可考虑以下因素：转速不低于 8000r/min,满足长时间高速运转、精度高、刚性好、 运转平稳、具有高效的冷却系统。
1.1 高速切削的概念
高速切削速度==常规切削速度的5-10倍
高速切削并非普通意义上的采用大的切削用 量来提高生产效率的加工方式，而是用高转速、 快进给、小背吃刀量和小进给量来切除余量从 而完成零件加工过程的一种切削技术！
1.1 高速切削的概念
高速切削过程的实现涉及到机床结构、制造技 术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系 统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设 计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切 削机理、高速切削工艺等诸多硬件和软件技术， 因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程。
谢谢！
1.4.1 高速切削机床
内装式电主轴
当前国内外生产电主轴的厂家多达几十家。 在国外的厂家中，以德国GMN公司和瑞士FISCHER最著 名，产品性能和质量较高。 瑞士的STEP-TEC公司生产的铣床和加工中心用的主轴 有多达20多个品种。 意大利的GAMFTOR和FAEMFIOR两家公司的电主轴的品种 规格也比较多。 国内生产电主轴最著名的是洛阳轴承研究所，该所研 究开发的加工中心、高速铣床车床用的电主轴，目前 已经与国产高速切削机床厂家配套，投入使用。
5) 良好的动平衡等。
上述各点均需根据被加工材料特性采取相应措施。
汽车零件孔的高速加工
连杆螺栓孔、油道深孔采用枪钻工艺，其切削速度： 加工黑色金属达70~120m/min，加工有色金属达 130~180m/min，进给速度达200~350mm/min。
汽车零件高速立铣削加工
在汽车零件加工中，使用高速立铣加工的情况随处可 见。 例如:日产汽车公司的汽车转向节臂的加工，工件材料 为钢材。 过去的加工流程为：车削、铣端面、孔加工等，共由 10台专用机床组成生产线。 现已改建成柔性生产线，多种类型的零件均可在一条 生产线上加工。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
在切削加工过程中，机床进给系统的工作行程一般 只有几十至几百毫米。 在这样短的行程中要实现稳定的高速与超高速切削， 除了进给速度要高外，进给系统还必须要有很大的加速 度，这样才能缩短启动一变速一停车的过渡过程，从而 实现平稳切削。 这也是高速与超高速切削对机床的结构设计新要求。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度 一般要求高速切削机床能够提供0.4m/s2到 10m/s2的加速度和减速度。 例如：
如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主 轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到 120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。
汽车零件平面的高速铣削加工
2)铝合金的端面铣削加工：
现在很多轿车发动机的气缸体、气缸盖、变速箱都是铝合金铸 件，均采用面铣刀进行高速切削加工。 例如，日产汽车公司气缸盖生产线所用机床正在逐步改为加工 中心。过去的专用机床可采用250mm以上的大直径面铣刀进行 加工，现已改用较小直径(100mm以下)的面铣刀，加工路线也 正在向多工位复合加工方向发展。 刀具材料采用聚晶金刚石刀片，高速切削加工铝合金时不但能 获得良好的加工质量，而且刀具寿命长。
1.1 高速切削的概念
Q = Fc
但Vc↑
vc
Vc↑
Q↑ Q散↑
θ↑ θ↓
切屑流速↑
1.1 高速切削的概念
A区：常规的切削速度范围 B区：切削加工的“死谷” C区：高切削速度范围
1.1 高速切削的概念
高速切削速度==常规切削速度的5-10倍
例如： 铝合金的切削速度范围1500-5500m/min; 铸铁的切削速度范围750-4500m/min; 普通钢的切削速度范围600-800m/min。
高速切削机床
1.1 高速切削的概念
高切削速度切削 高主轴速度切削 高进给切削 高速和高进给切削 高生产率切削
1.1 高速切削的概念
高速与超高速切削技术就是通过采用 高的切削速度，来缩短生产时间，提高 生产率，降低生产成本，从而提高企业 的整体竞争力的一种先进制造技术 。
1.1 高速切削的概念
高速切削的理论最早是由一个德国的物理学 家（Carl．J．Salomon）提出来的。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
为了克服传统进给系统的缺点，满足高速切削加工 的要求，人们开始研究新型的进给系统，其中直线电动 机就是最有前途的快速进给系统。 直线电动机取消了源动力和工作台部件之间的一切 中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就 是所谓的“直接驱动”或“零传动”。
汽车零件平面的高速铣削加工
2)铝合金的端面铣削加工：
零件：高硅铝合金，汽车发动机气缸盖 尺寸：450mm×200mm，粗糙度要求：Ra1.6mm，平面度 要求：0.05mm，刀具：聚晶金刚石刀片面铣刀，刀具 直径254mm，24齿加1片修光刃； 切削条件：切削速度1356m/min，工作台进给速度 3670mm/min，刀具进给量为2.16mm/r，背吃刀量1.6mm， 水溶性切削液。 刀具寿命：刀具正常磨损时加工零件数量达到48000件。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够 提供大进给量（快 速行程速度）和高 的加速度
1.4.1 高速切削机床
综上所述，普通数控机床的传动与结构已 远远不能适应高速切削的要求，必须进行全 新设计。 因此，有人称高速与超高速机床是21世纪 的新机床，其主要特征就是要实现机床主轴 和进给的直接驱动，是机电一体化的新产品。
1.4.1 高速切削机床
传统的机床主轴系统通常采用的是皮带 和齿轮传动的结构，其最高转速不超过 15000r/min。
1.4.1 高速切削机床
高速切削机床的主轴系统不能采用传统 的结构，目前高速切削机床通常采用的 是——内装式电主轴。
1.4.1 高速切削机床
内装式电主轴
内装式电主轴是高频主轴的简称，也叫直 接传动主轴，它把机床主运动传动链的长度缩 短为零，实现了机床的“零传动”。 内装式电主轴具有结构紧凑、机械效率高、 可获得极高的回转速度和回转精度、噪声低、 振动小等优点。
1.7 小结
高速切削技术因其具有高效、高精度、工序简化等 优点而受到高度重视，是最有前途的先进切削加工技术 之一。 目前刀具材料、刀柄结构、刀具动平衡技术的发展 有力地推动了高速切削技术的应用。 高速切削技术已在航空航天、汽车、模具等行业中 得到广泛应用。 高速切削工件材料有钢、铸铁及其合金，铝、锰及 其合金，镍基、钴基、钛基合金等高温合金等，高速切 削的应用领域还在不断扩展中。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
高速进给的需求已引起机床结构设计上的重大 变化：采用高速直线伺服电机来代替传统的电机 丝杠驱动。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够ຫໍສະໝຸດ 供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
数控机床的进给系统主要采用是“旋转伺服电动机， 滚珠丝杠”，这种进给系统所能达到的最高进给速度为 90～120m/min，最大加速度只有1.5g。
1.4.1 高速切削机床
高速切削机床： 一般有数控机床和精密机床。
1.4.1 高速切削机床
普通机床的结构及其传动系统已不 能适应高速切削的要求，高速切削机床必须进 行全新设计。 相对于普通机床，高速切削对机床提出了 许多新的要求：
1.4.1 高速切削机床
（1）机床结构要有优良的静、动态特性
高速切削机床的结构应保证机床的承载能力、 高刚性、热稳定性和抗振性。
例如：高速切削铣床多采用龙门式立柱型对称结构， 以提高机床的承载能力和刚性，增强机床的耐冲击 性和抗震性，降低机床的固有振动频率，减少机床 因热变形所造成的几何误差。
1.4.1 高速切削机床
（2）主轴系统能够提供高转速、大功率、大扭矩 高速切削不但要求机床主轴转速高，而且要 求传递的扭矩和功率也要大，并且在高速运转中 还要保持良好的动态特性和热态特性。
1)提高排屑性能，具体措施：
①采用内部供液方式，压力为2~7MPa； ②钻尖角比普通钻头大，易于分断厚型切屑； ③对钻头横刃进行修磨，使之成为中心涡卷形状。
汽车零件孔的高速切削加工
高速钻削加工应注意的问题：
2)提高刀具刚性，具体措施：
①增大钻头芯厚； ②增大倒棱锥度。