高速切削技术综述

高速切削技术综述
机制092 刘维娟 201090403
摘要：介绍高速切削技术的兴起和发展现状，高速切削的速度范围，高速切削的主要关键技术，高速切削的展望。

关键词：高速切削技术; 发展现状；主要关键技术；发展趋势
Summary of High Speed Cutting Technology Abstract：In this paper, the rise , development current situation ,extent of speed ,main critical technology , development trend of high speed cutting technology are introduced.
Keywords：High speed cutting technology ; Development current situation; Main critical technology ; Development trend
高速切削的兴起和发展现状
高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工，因此有时也成为超高速切削（Ultra-High Speed Machining）。

高速切削是20世纪20年代末德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）提出来的，在1931年4月发表了著名的超高速切削理论。

他指出：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下降。

德国在1984年组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）为首的等机构，全面而系统的研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关的工艺技术，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂内广泛应用，获得了良好的经济效益。

1979年美国防卫高技术研究总署（DARPA）发起了“先进加工研究计划”（Advanced Machining Research Program）研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切削金属材料提供科学依据，并取得丰硕成果。

20世纪60 年代日本着手超高速切削机理研究，吸取了各国研究成果，现已跃居世界领先地位。

我国的高速切削技术进入20世纪90年代以来已普遍引起关注。

现在高速切削技术日趋成熟。

目前全国大约有300多万台机床，大部分还是通用机床，数控机床包括经济型在内大致占10%左右，在航空、航天、汽车、模具、机床和工程高速切削的速度范围
一根据切削速度
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者超高速切削。

（1）按不同的加工工艺划定超高速切削范围。

车削700～7000m/min，铣削300～6000m/min，钻削200～1100m/min，拉削30～75m/min铰削20～500m/min，磨削5000～10000m/min。

（2）按加工不同的材料划定超高速切削范围。

（1ft=0.3048m）
对端铣和钻削而言，灰铸铁1200ft/min,球墨铸铁800ft/min,碳钢1200ft/min,
合金钢800ft/min,不锈钢500ft/min,淬硬钢400ft/min,钛合金200ft/min.
对平面铣和曲面铣而言，灰铸铁1000ft/min,球墨铸铁3000ft/min,碳钢2000ft/min,合金钢1200ft/min,不锈钢900ft/min,淬硬钢150~600ft/min,钛合金300ft/min.
二根据机床主轴转速、功率等标准划分。

（1）按照主轴的Dn值换分（主轴轴颈和主轴能达到的最高转速的乘积）。

高速切削的Dn值一般为500 000~2 000 000
（2）按照主轴的功率P与转速n之间的关系来划分。

（1hp=745.700）
100hp时，为10 000r/min以上（即P/n为0.01）;75hp为15 000r/min以上（即P/n为0.005）;40hp为30 000r/min以上（即P/n为0.0013）;15hp为60 000r/min 以上（即P/n为0.001）。

（3）对加工中心来说按主轴锥孔大小来划分。

采用ISO刀具标准，50号锥—10 000~20 000r/min，40号锥—20 000~ 40 000r/min，30号锥—25 000~40 000r/min，HSK锥—20 000~40 000r/min,
KM锥—35 000r/min以上。

（4）根据ISO—1940,主轴要达到规定的平衡标准，主轴速度约为8000r/min，也就是说，主轴的转速至少要8000r/min。

高速切削的关键技术
一高速切削的研究机理的研究
（1）高速切削过程和切屑成形机理的研究。

对高速切削过程中切屑成形机理、切屑过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究。

（2）告诉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的研究。

（3）各种材料的高速切削机理研究。

由于不同的材料在高速切削中表现不同的特性，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、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。

通过研究和分析，建立告诉切削数据库，以便指导生产。

（4）高速切削虚拟技术的研究。

在实验研究的基础上，利用虚拟和仿真技术，虚拟告诉切削加工中刀具和工件的相对运动的作用过程来预测被加工工件的质量、进给量等对加工的影响。

二高速切削刀具
高速切削技术的关键是高速切削刀具，高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。

高速切削的切削速度很快,加工线速度主要受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。

因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出表现在高速切削刀具具备更高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及更高的可靠性。

高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。

目前常用的高速切削的刀具材料包括钛基硬质合金、涂层刀、陶瓷、聚晶立方氮化硼、具及金刚石等。

（1）硬质合金刀具硬质合金刀具有极高的抗压强度，其材料性能全面提高钛基硬质合金刀具的硬度，硬度、强度、韧性和抗崩刃性都能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也明显增强。

（2）涂层刀具刀具的涂层技术是提高刀具性能的关键技术，在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。

采用涂层技术不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅度的提高切削加工效率，因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具，在刀具中的比例已超过50% .涂层刀具的工艺主要应用在钻头、铰刀、丝锥、滚刀、插刀和硬质合金刀片等。

（3）超硬刀具超硬刀具材料陶瓷的使用将明显增加陶瓷刀具有氧化铝基Al2O3 和氮化硅基Si3N4 两大类，有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3 ~5 倍，可以加工65HRC 的高硬度材料。

（4）聚晶立方氮化硼刀具聚晶立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成，化学稳定性优于金刚石，硬度高达8000 ~9000HV,耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性较大，适宜于加工硬度较高的材料，将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。

（5）金刚石刀具用于生产切削的金刚石绝大多数是人造金刚石。

人造金刚石分为三种：聚晶金刚石、化学气相沉积金刚石和高温人工合成的单晶金刚石。

聚晶金刚石和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。

三高速切削机床技术
高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。

高速机床技术主要包括高速单元技术、机床整机技术、单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等，机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全措施、加工环境等。

（1）高速主轴单元高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四部分，是高速加工机床的核心部分，一般做成电主轴的结构形式，其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统等。

（2）高速进给系统高速进给系统包括伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量技术与反馈控制技术等。

目前常用高速进给系统有3种驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电机和虚拟轴机构。

（3）CNC控制系统CNC控制系统的关键技术包括快速处理刀具轨迹、预先前馈控制、快速反应的伺服等。

（4）床身、立柱和工作台要降低运动部件的惯量，同时要保持基础支撑部件高的静精度、动刚度和热刚度。

（5）切屑处理和冷却系统在加工时会产生大量的切屑，要及时的清除切屑。

切削液的使用并不是对高速切削的任何场合。

（6）安全装置机床运动部件的高速运动、大量高速流出的切屑以及高压喷洒的切削液都要求高速机床要有足够大的封闭空间，要保证操作人员在不直接接触切削区的情况下操作安全。

四高速切削的工艺技术
高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。

（1）切削方法和切削参数的选择优化在高速切削中，切削方法和切削参数的选择优化包括优化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程等。

（2）对各种不同材料的切削方法根据不同加工材料来研究高速切削工艺方法也是高速切削工艺技术研究的重要内容。

（3）刀具材料和刀具几何参数的选择在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的选择综合进行。

四高速加工的测试技术
高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理技术等。

现在使用的有主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。

高速切削技术的展望
高速切削发展趋势和未来研究方向归纳起来主要有：
（1）新一代高速大功率机床的开发与研制；
（2）高速切削动态特性及稳定性的研究；
（3）高速切削机理的深入研究；
（4）新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究；
（5）进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围；
（6）开发适用于高速切削加工状态的监控技术；
（7）建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术；
（8）基于高速切削工艺，开发推广干式(准干式)切削绿色制造技术；
（9）基于高速切削，开发推广高能加工技术。

参考文献
1.倪小青.高速切削的关键技术与研究展望[J]机械，2007。

2.机械工程手册编辑委员会．机械工程手册（第2版）[M]．北京：机械工业出版社，1997。

3.王先逵．制造技术的未来[J]．中国机械工程，1994。

4.张根保．先进制造技术[M]．重庆：重庆大学出版社，1996。

5.高速切削技术及应用.南京工程学院，2012.8。