高速切削技术的发展及应用

切削是一种创新的加工工艺和加工理念。分析了高速切削技术的特点，研究了高速切削的关键
技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，介绍了高速切削技术在航空航天和汽车制造等领域的
发展及应用。
关键词：高速切削；超高速切削；机床；刀具；工艺
中图分类号：ＴＧ５０６
文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－０１３４（２００５）１２－００２６－０４
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ， ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｐｔ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ： ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｉｔ ａｓｌｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ， ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ， ｅｔｃ．
１．２ 高速切削技术的特点
高速切削速度较之常规切削速度几乎高出一个 数量级，其切削机理异于常规切削。由于切削机理 的改变，使得高速切削技术具有如下特点：
（１） 切削力小 由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流 出阻力减少，切削变形减小，从而使切削力比常规 切削降低 ３０％以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件 受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄 壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。 （２） 工件热变形小 在高速切削时，９０％以上的切削热来不及传给 工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少， 工件温升不会超过３℃，基本保持冷态，不会由于温 升导致热变形，特别适合于加工细长易热变的工件。 （３） 材料切除率高 随切削速度的提高，进给速度也相应提高５～１０ 倍，单位时间内的材料切除率可达常规切削的３～６ 倍，适用于材料切除率要求大的场合，在航空航天、 汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工 整体构件最理想的制造技术。在 ２００１ 年德国汉诺威 举办的欧洲机床展览会（Ｅ Ｍ Ｏ ）上展出的荷兰 Ｕｎｉｓｉｇｎ公司制造的Ｕｎｉｐｒｏ－５型五轴立式加工中心（Ｘ 行程 １０００ ｍｍ、Ｙ 行程 ８００ｍｍ），电主轴功率 １００ｋＷ， 最高转速 ２５，０００ｒ／ｍｉｎ，最大扭矩９０Ｎ·ｍ，其铣削铝 合金的材料切除率已达８，０００～１０，０００ｃｍ３／ｍｉｎ。
２． Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１１， Ｃｈｉｎａ）
随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢 量控制技术等）的快速发展，高速数控机床主传动 的机械结构得到极大简化，取消了齿轮传动和带传 动，实现了机床的“零传动”，采用机床主轴与主轴 电机一体化的传动结构形式，即所谓的电主轴。
轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。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。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、 结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点，在电 主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时， 润滑极为重要，目前，电主轴主要采用两种润滑方 式：油脂润滑和油－气润滑。油雾润滑尽管价廉，但 因其污染环境、损害操作工人健康，不符合绿色制 造和可持续发展原则，国外电主轴公司已不再使用。 流体静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小、寿命 长、旋转精度高和阻尼特性好等优点。气体静压轴 承电主轴转速可高达１００，０００～２００，０００ ｒ／ｍｉｎ，缺 点是刚度差，承载能力低；液体静压轴承刚度高，承 载能力强。磁悬浮轴承又称磁力轴承，也为非接触 式轴承，没有磨损，无需任何润滑。目前，生产磁 悬浮轴承电主轴的厂家有德国 Ｇ Ｍ Ｎ 公司、瑞士 ＩＢＡＧ 公司及中国洛阳轴承研究所等。
（１） 高速主轴 高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大
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程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度、 加工精度和应用范围。目前，适于高速切削的加工 中心其主轴最高转速一般都大于１０，０００ ｒ／ｍｉｎ，有的 高达６０，０００～１００，０００ ｒ／ｍｉｎ，为普通机床的１０倍左 右；主电动机功率 １５～８０ｋＷ，以满足高速车削、高 速铣削之要求。
术——机床技术、刀具技术和工艺技术及其应用。
１ 高速切削技术概述
１．１ 高速切削的概念
高速切削（Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ）是一个相对概 念，迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指 比常规切削速度和进给速度高出 ５～１０倍的切削加 工，有时也称为超高速切削（Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ）。也有将主轴转速达到１００００ｒ／ｍｉｎ～６００００ ｒ／ｍｉｎ，快速进给速度４０ｍ／ｍｉｎ 以上，平均进给速度 １０ｍ／ｍｉｎ 以上，加速度大于 １ｇ的切削加工定义为高 速切削。对于不同的工件材料和加工工艺，高速切 削速度（切削加工的线速度，单位 ｍ／ｍｉｎ）范围也 不同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到 ３８０ｍ／ｍｉｎ 以上、铸铁 ７００ｍ／ｍｉｎ 以上、铜材 １０００ｍ／ ｍｉｎ 以上、铝材 １１００ｍ／ｍｉｎ以上、塑料 １１５０ｍ／ｍｉｎ以
高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙 （Ｃａｒｌ Ｓａｌｏｍｏｎ）１９３１ 年提出的，现在人们常用“萨 洛蒙曲线”来表示。他认为，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，一定的
工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度 最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但 不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个 速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具 材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之 为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速 区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切 削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削工 时，大幅度提高机床生产率。
Development and application of high speed cutting technology
ＸＩ Ｊｕｎ－ｊｉｅ１，２， ＸＵ Ｙｉｎｇ３
（１． Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００１５， Ｃｈｉｎａ；
收稿日期：２００５－０６－２３ 基金项目：河南省软科学研究项目（０４１３０４３０００） 作者简介：席俊杰（１９６６ －），男，河南巩义人，郑州航空工业管理学院副教授，中国矿业大学（北京）博士研究生，主
要从事制造技术研究。
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上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工 工艺划分，高速切削速度范围为：车削７００～７０００ｍ／ ｍｉｎ，铣削 ３００～６０００ｍ／ｍｉｎ，钻削 ２００～１１００ｍ／ｍｉｎ， 磨削 ５０００～１００００ｍ／ｍｉｎ。
２ 高速切削的关键技术
高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不 只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、 工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。
２．１ 高速切削机床技术
性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提 和关键，而具有高精度的高速主轴和控制精度高的高 速进给系统，则是高速切削机床技术的关键所在。
Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ； ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ； ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ； ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ； ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性 和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削 加工是应用最广泛的加工方法。近年来，高速切削 技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造 技术的一个重要发展方向。在数控机床出现以前，用 于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时 间超过工件加工总工时的 ７０％；以数控机床为基础 的柔性制造技术的发展和应用，大大降低了工件加 工的辅助时间，切削所占时间比例越来越大。因此， 实现高速切削以降低切削工时，成为提高机床生产 率的重要技术手段之一。目前，高速切削技术在航 空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获得广泛 应用，并产生了巨大的经济效益。我国是机床消费 大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高 速切削作为一种新的切削加工理念，对其深入研究 具有重要意义。本文着重研究了高速切削的关键技
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高速切削技术的发展及应用
席俊杰１，２， 徐 颖３
（１． 郑州航空工业管理学院， 郑州 ４５００１５； ２． 中国矿业大学（北京）， 北京 １０００８３；
３． 北京机械工业自动化研究所， 北京 １０００１１）
摘 要：高速切削技术已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削较之常规
（４） 工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度 加工
在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超 出了“机床－刀具－工件”工艺系统的固有频率范 围（５０～３００Ｈｚ），使得加工过程平稳，振动小，可 实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的 表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的 精加工工序。例如，瑞士 Ｄ Ｉ Ｘ Ｉ 机械公司生产的 ＤＨＰ５０ 高精度卧式加工中心，工作台 ５００ × ５００ｍｍ， 双托盘，行程为 ７００ × ７００ × ７００ｍｍ，主轴转速为 １２，０００ｒ／ｍｉｎ， 功率为 ２５ｋｗ，刀库容量 ６５ 把，换刀
时间 ４ｓ（Ｔ－Ｔ），６ｓ（Ｃ－Ｃ），定位精度 ４µｍ，重复定位精 度 ２µｍ（按 ＩＳＯ２３０ － ２ 标准），测量分辨率０．５µｍ。高
速切削尤其适合于光学等领域的加工。 （５） 可加源自文库难加工材料 难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、
复合材料和耐磨铸铁等的切削加工不仅切削效率低， 而且刀具寿命短。高速切削时，由于切削力小，切屑 变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材 料。例如，航空制造业中大量采用的镍基合金、钛合 金材料强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削 温度高，刀具磨损严重，在常规切削中一般采用很低 的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高 到 １００～１０００ｍ／ｍｉｎ，不但能大幅度提高机床生产率， 而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。
（６） 高速干切削可以实现加工过程的绿色制造 高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何 切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术 创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污 染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的 使用对外部系统造成的负面影响。目前，能实现高速 干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。
（２） 高速进给系统 控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削 的关键技术之一。 传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表 现出不适应性，必须对其技术改进和技术创新，才 能适应高速切削之要求。主要技术措施有：（１） 丝杠 采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（２） 为降低高 速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心 丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传 动系统之精度。（３） 改进螺母结构设计，适当减小滚 珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大 一小间隔排列，可有效降低高速运行时的噪声。（４） 改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温 升。（５） 采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺 母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺