高速切削复习

第一章高速切削概述1.1 高速切削技术的基本概念高速切削技术俗称高速切削（High Speed Cutting，简称HSC）或高速加工（High Speed Machining，简称HSM），是二十世纪九十年代迅速崛起的一项先进加工技术，通常指以比常规切削加工高出很多的主轴线速度和进给速度下进行的切削加工，又称为超高速切削（Ultra-High Speed Machining）。

高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念。

对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的切削速度并不相同。

如何定义高速切削加工，至今还没有统一的认识，目前沿用的高速切削加工定义主要有以下几种：1)1978年，CIRP切削委员会提出以线速度(500～7000)m／min的切削速度加工为高速切削加工。

2)对铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡要求(平衡品质和残余不平衡量)时的速度来定义高速切削加工。

根据ISO1940标准，主轴转速高于8000r／min为高速切削加工。

3)德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)提出以高于(5～10)倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。

4)从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值(主轴轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积)来定义高速切削加工，DN值达(5～2000)X105 mm²r／min时为高速切削加工。

5)从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工。

这种定义取决于刀具振动的主模式频率，它在ANSI／ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。

因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。

根据不同的切削条件，具有不同的高切削速度范围。

虽然很难就高速切削范围给出一个确切的定义，但从生产实际考虑，高速切削加工中的“高速”不应仅是一个技术指标，还应是一个经济指标，是一个可由此获得较大经济效益的高速度的切削加工。

1.2 高速切削技术的兴起与发展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罗门（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。

萨罗门博士的理论指出：“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，切削加工无法进行。

当切削速度再增大(约为常规速度的5～10倍)，超过这个速度范围之后，切削温度反而会迅速降低，并且切削力也会大幅度下降”。

由此可知，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，成倍地提高机床的加工生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。

1.3 高速切削的速度范围在工程应用中达到什么样的切削速度或速度范围才能算高速切削？由于不同的加工工序和机床、不同的工作材料，对应的切削速度范围也不同，因而很难就高速切削的速度范围给定一个确定得数值。

到底达到什么速度范围才算是高速切削呢？用什么方式划分切削速度的范围比较合理呢？1.3.1 切削速度范围的划分目前划分切削速度的方法和观点有多种，下面介绍其中几种：根据切削速度划分各国对超高速切削的速度范围迄今尚未作出明确统一的规定但是通常把切削速度比常规高出5-10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。

按不同加工工艺划定的高速切削范围。

车削700～7000m/min;铣削300～6000m/min；钻削200～1100m/min；磨削150～360m/s。

这种划分比常规切削速度几乎提高了一个数量级，而且还有继续提高的趋势。

按加工不同的材料划定高速切削范围。

Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）在20世纪80年代对钢、铸铁、镍基合金、钛基合金、铝合金、铜合金和纤维增强塑料等材料分别进行了高速切削试验，得到上述材料适合于高速切削的速度范围，且至今仍为国际公认的高速切削速度范围：对镍基合金切削速度达到80m/min以上、对钛基合金切削速度达到100m/min以上、对钢材切削速度达到380m/min以上、对铸铁切削速度达到700m/min 以上、对铜材切削速度达到1000m/min以上、对铝材切削速度达到1100m/min以上、对纤维增强塑料切削速度达到1150m/min以上时，被定为合适的高速切削速度范围。

对机床制造厂家和机床选购者的角度而言，用“机床主轴最高转速”这个参数来衡量机床的高速性能常常比较方便和直观，因此人们常常用机床主轴的最高转速作为衡量机床高速切削的性能指标。

根据机床主轴转速、主轴功率、主轴锥孔大小和主轴平衡标准划分按主轴的Dn值划分：主轴的Dn值是指主轴轴径尺寸（或主轴轴承内径尺寸）D（mm）与主轴最高转速n（r/min）的乘积。

高速切削机床主轴的Dn值一般为500000～2000000（mm r/min）。

按主轴功率P与转速n之间的比值划分：P=100hp时，n≥10000r/min（即P/n≈0.01）P=75hp时，n≥15000r/min（即P/n≈0.005）P=40hp时，n≥30000r/min（即P/n≈0.0013）P=15hp时，n≥60000r/min（即P/n≈0.001）注：1hp=745.700W（即1马力=745.700瓦）对于加工中心，通常也按照主轴锥孔的大小来划分高速切削速度范围，采用ISO刀具标准的刀具，划分如下：对50号锥孔，n为10000～20000r/min对40号锥孔，n为20000～40000r/min对30号锥孔，n为25000～40000r/min对HSK锥，n为20000～40000r/min对KM锥，n为35000r/min以上按主轴要达到的平衡标准来划分：根据ISO-1940，高速切削机床主轴要达到规定的平衡标准，主轴转速约为8000r/min，即高速切削机床主轴的转速至少要高于8000r/min。

从以上几种高速切削速度范围的划分方法来看，高速切削可以根据不同的需要从不同的侧面来划分。

在划分高速切削机床时，一般主要考虑机床的主轴转速，有时也考虑机床的进给速度。

1.3.2 高速切削机床的进给速度和加、减速度在衡量机床的高速性能时，除了考虑机床的主轴转速外，还要考虑机床的进给速度和加、减速性能。

同时具备高的主轴转速和高的进给速度的高速加工称为高移速加工（High Velocity Machining——简称HVM），这类机床也称为高移速机床。

1.4 高速切削的特点1.4.1 高速切削的一般特征高速切削一般采用高的切削速度，适当的进给量，小的径向和轴向切削深度。

切削时，大量的切削热被切屑带走，因此，工件的表面温度较低。

随着切削速度的提高，切削力大幅度下降，表面质量提高，加工生产率随之增加。

但在高速加工范围内，随切削速度的提高会加剧刀具的磨损。

由于主轴转速很高，切削液难以注入加工区，高速加工时，通常采用油雾冷却或水雾冷却的冷却方法。

1、高速切削的优点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，具体说来有以下优点：随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5～10倍。

因此，单位时间内的材料切除率大大增加，可达到常规切削的3～6倍，甚至更高。

同时，机床快速空行程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。

在切削速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加工。

在高速切削时，95%～98%以上的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易发生热变形的工件。

高速切削时，机床的激振频率特别高，远远离开了“机床——刀具——工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小，因而能加工出非常精密、非常光洁的零件，零件经高速车、铣加工后表面质量常常可达到磨削的质量，残留在工件表面上的应力也很小，故常可省去车、铣后的精加工工序。

高速切削可以加工各种难加工材料。

例如飞机零件常用的镍基合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。

在普通加工中一般采用很低的切削速度。

若采用高速切削，则其切削速度可提高到100～000m/min，是常规切削速度的10倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。

1.5 高速切削的应用高速切削具有很多优点，应用越来越广泛，但也存在一些不足，因此，必须选择适合高速切削的领域应用该技术。

高速切削在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等领域得到广泛的应用。

高速铣削可用于铝合金、铜等易切削金属和淬火钢、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，曲面和结构复杂，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。

1.6 高速切削的关键技术高速切削是制造技术中引人注目的一项新技术，其应用面广，对制造业的影响大。

高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展的结果。

高速切削主要包括以下几方面的基础理论与关键技术：1)高速切削机理；2)高速切削刀具技术；3)高速切削机床技术；4)高速切削工艺技术；5)高速加工的测试技术等。

1.6.1 高速切削机理的研究高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。

通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。

高速切削机理的研究主要有以下几个方面：(1)高速切削过程和切屑成形机理的研究对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究，采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。

(2)高速加工基本规律的研究对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行研究，提出反映其内在联系的数学模型。

实验方案设计和试验数据处理也是研究工作中需要解决的问题。

工艺参数应基于建立的数学模型及多目标优化的结果。

(3)各种材料的高速切削机理研究由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性，所以，要研究各种工程材料在高速切削下的切削机理，包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。