高速切削及其关键技术

高速切削及其关键技术综述

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及特点，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 technology will 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 tool technology, 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 the

high-speed cutting technology.

Key words:high-speed cutting, key technologies, application fields, future prospect

0. 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。近20年来，随着材料、信息、微电子、计算机等技术的迅速发展，大功率高速主轴单元、高性能伺服控制系统和超硬耐磨耐热刀具材料等关键技术的解决和进步，使其在德国、美国、日本等工业发达国家得到迅速发展，已经成为先进制造技术的一个的重要发展方向，并广泛应用于装备制造工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门[1]。

高速切削最终要达到的主要目标之一是要通过高速切削来提高生产率、降低生产成本并以此提高整体竞争实力[2]。

1. 高速切削的概念及特点

1.1 高速切削的概念

高速切削概念的提出源于德国切削物

理学家萨洛蒙（Carl J. Salomon）的著名切

削实验及其物理引伸。他提出：被加工工

件材料都有一个临界切削速度，其切削温

度最高。在常规切削范围内（见图1A区），

切削温度和刀具磨损随着切削速度的增大

而提高，当切削速度到达临界切削速度后，

切削温度开始随切削速度增大而降低（见

图1C区），刀具磨损随切削速度增大而减

小。由于受当时实验条件的限制，这一理

论未能严格区分切削温度和工件温度的界

限。但是，他的思想给人们一个非常重要的启示：如果能越过图1中的B区，而在高速区（图1中的C区）进行切削，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，从而大幅度地减少切削工时，大幅度地提高机床的生产率。经过后来研究者的不断努力，使这一想法得以实现。

1.2 高速切削的特点

高速切削在提高加工质量和加工效率2个方面实现了统一。以刀具线速度或机床主轴转速来描述高速切削。按照目前的生产和技术水平，国外学者提出：机床主轴转速为8000~12000r/min称为准高速切削，15000~50000r/min称为高速切削，大50000r/min称为超高速切削。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。

高速切削具有以下特点:

(1) 加工效率高

高速切削加工允许使用较大的进给率，进给速度范围达到2~25m/min[3]，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，因而零件加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。

(2) 切削力小

同常规切削加工相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，极限剪切应力提高了7 ~ 9倍，减少了刀具与工件表面的接触时间[4]。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，提高零件的加工精度，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

(3) 切削热对被加工工件的影响减少

高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削温度被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削加工具有重要意义。

(4) 加工精度高

高速旋转时刀具切削的激励频率远离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。由于切削力小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得刀具与工件间的摩擦减少，从而切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

(5) 简化了加工工艺流程

常规铣加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决．高速铣可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除人工光整加工．

(6) 减少能耗，节约能源

高速加工以其单位时间内较高的材料去除率，大大缩短了零件的加工时间，从而直接减少能源消耗。有些高速加工免除了冷却液的使用，采用风冷及油雾冷却方式，降低了加工成本，如省去了润滑及冷却液的购置及回收处理费用，节省了工人清洗零件及处理废弃油屑的时间，同时减少了废弃物对环境产生的负面影响，真正响应了高效、低耗、环保的可持续发展战略要求[5]。

2. 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，高精度的高速主轴、高速进给系统、高速控制系统是高速切削机床的关键技术，是实现高速切削加工的基础。2.1 高速主轴单元

高速主轴是高速切削机床的核心部件。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制[6]。因此，对高速主轴单元的要求是动平衡性高刚性好、回转精度高、良好的热稳定性、能传递足够的转矩和功率、能承受高的离心力、带有准确的测温装置和高效的冷却装置等。

高速主轴的类型主要有电主轴和气动主轴。气动主轴目前主要应用于精密加工，功率较小，其最高转速150000r/min，输出功率仅30kW，应用范围较小。高速电主轴在结构上全部采用内装交流伺服电机直接驱动的集成化结构，取消了齿轮传动和带传动，并配备有强力的冷却和润滑设计[7]。