淺析高速切削技術發展

夏建榮

摘 要：高速切削技術具有隨切削速度提高切削力降低、切削溫度的增加逐漸變緩、加工表面質量和生產效率提高、制造成本減少、產品開發周期縮短等突出優勢，是先進制造技術的最重要的共性基礎技術之一，已成為面向21世紀的先進制造技術的重要組成部分，已在航空航天、汽車、模具、機床等行業廣泛應用。

關鍵詞：高速切削；機床；刀具

1 高速切削概述

高速切削是指比常規切削速度高出很多的速度下進行的切削加工，有時也稱為超高速切削。高速切削是一個相對的概念，當使用不同的加工方法和工件材料與加工刀具時，高速切削速度會有很大的不同。高速切削強調的是高的速度，即要有高的主軸轉速，高速切削中的高速不是一個技術指標，而應是一個經濟指標。高速切削時由于切削速度的大幅度提高，決定了高速切削具有以下特點：一是生產效率提高；二是切削力降低；三是工件的熱變形減小；四是工件振動減小；五是可加工各種難加工材料；六是生產成本降低。

高速切削加工是面向現代加工社會的一項高新技術，它以效率高、精度高和表面加工質量高為基本特征，在汽車工業、航空航天和儀器儀表等行業中應用非常廣泛，并已獲取了重大的技術經濟效益，是當代先進制造技術的重要組成部分。高速切削是實現高效率制造的核心技術，工序的集約化和設備的通用化使之具有很高的生產效率。有些專家把高速切削技術的出現稱作是機械加工發展中的一個里程碑，是繼數控技術之后新技術的又一次重大變革。在常規切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的提高而升高。對于一種工件材料，存在一個速度范圍，在這個范圍內，由于切削溫度太高，刀具無法承受，切削加工不能進行。但當切削速度繼續提高，超過這個范圍以后，切削溫度反而會降低，切削力也會大幅度下降。按照此假設，對于一種工件材料存在一定的高速區，在這個區域進行加工，會有比較低的切削溫度和比較小的切削力，不僅有可能用現有的刀具進行超高速切削，從而大幅度地減少切削時間，成倍地提高機床的生產率，而且還將給切削過程帶來一系列的優良特性。

2 高速切削加工與常規加工的比較

高速切削加工與常規的數控加工方法主要區別在于進給速度、加工速度和切削深度這三個工藝參數值不同。高速切削加工采用高進給速度和小切削深度，而數控加工則采用低進給速度和大切削深度。高速切削加工對機床主軸、切削刀具、計算機數控系統、伺服進給系統和數控編程方法的要求與常規的加工方式不同。

1、刀具壽命。高速加工工藝能夠保證刀具在不同速度下工作的負載恒定，加上刀具每刃的切削量較小，有利于延長刀具使用壽命。

2、高速加工可以在高速度、大進給的方式下完成淬硬鋼的精加工，提高加工件的表面質量。而且由于高速加工切削量少，提高了加工及其后續表面光滑度，所以省去了過去機加工和電加工的磨削和拋光工序。

3、高速切削加工及其精密度。生產實踐表明，與傳統切削加工相比，用高速加工容易產生剪斷切削，當切削厚度減少時，切削溫度上升，切削更為碎小。而當應力和切削都減少時，刀具負載變小，同時，由于產生的摩擦熱減少，大量的切削熱量被高速離去的切削帶走，故工件和刀具的熱變形很小，工件表面沒有變質及微裂紋，大大改善了工件的加工質量，具有加工循環時間短、所需的刀具數少、切削應力小、產生切削量大、加工精度高等特點。

3 高速切削的關鍵技術

目前國際上高速切削加工技術主要應用于汽車工業和模具行業，尤其是在加工復雜曲面的領域，工件本身或刀具系統剛性要求較高的加工領域，顯示了強大的功能，而它的發展則涉及到高速切削機床技術、高速切削工藝技術、高速切削刀具技術和高速切削加工中的測試技術這四個方面的關鍵技術。

1、高速切削機床技術。性能良好的機床是實現高速切削前提和關鍵，而具有高精度高速主軸和控制精度高高速進給系統，則是高速切削機床技術關鍵。高速主軸是高速切削機床核心部件，很大程度上決定著高速切削機床所能達到切削速度、加工精度和應用范圍。目前，適于高速切削加工中心其主軸最高轉速一般都大于10000r/min，有高達60000r/min～100000r/min，為普通機床10倍左右；主電動機功率15kW～80kW，以滿足高速車削、高速銑削之要求。控制精度高的高速進給系統也是實現高速切削的重要技術之一。在進行高速切削時，為了保證零件的加工精度，隨著機床轉速的提高，進給速度也必須大幅度提高，以便保證刀具每齒進給量不變。

2、高速切削工藝技術。進行高速切削時，工件材料不同，所選用切削刀具、切削工藝和切削參數也有很大不同。工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何參數、切削參數、振動和切削液等因素對都會對加工表面的粗糙度的產生影響，因此在高速切削加工時切削參數的選擇和表面質量控制等工藝技術也是需要重視的。

3、高速切削刀具技術。刀具的使用是實現高速切削重要保證，如何正確選擇刀具材料和設計刀具系統對提高零件的加工質量、延長刀具的使用壽命和降低加工成本都起著重要作用。高速切削要求刀具材料具有高硬度、高強度和耐磨性；高韌度、良好耐熱沖擊性；高熱硬性、良好化學穩定性等性能，目前使用最多的刀具材料有：涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼材料和聚晶金剛石材料等。

4、高速切削加工中的測試技術。由于高速切削加工的速度相當高，當主軸轉速達4000r/min時，若有大片崩裂，碎片就會像出膛的子彈，所以高速切削加工是在密封的機床工作區間里進行的，這樣操作人員很難直接觀察、操作和控制，因此需要對加工情況、刀具的磨損狀態等進行監控，實現在線監測，這樣才能保證產品質量，提高加工效率，延長刀具使用壽命，確保人員和設備的安全。高速切削加工的測試技術包括傳感技術、信號分析和處理等技術。最近幾年，在線測試技術在高速機床中使用的越來越多，如主軸發熱情況、刀具磨損狀態測試和工件加工監測等。智能技術也已經應用于測試信號的分析和處理中，如神經網絡技術應用于刀具磨損狀態的識別。還有一些技術正在進行研究，在不斷的進行測試，這些技術分別是傳感技術、信號分析技術和信號處理技術等等。

4 高速切削存在的問題及發展展望

高速切削是切削加工發展的主要方向之一，它除依賴于數控技術、微電子技術、新材料等基礎技術的發展外，自身亦存在著一系列亟待攻克的技術問題，如刀具磨損嚴重，高速切削用刀具切入切出時破損問題，高速切削用刀具材料價格昂貴，銑、鏜等回轉刀具及主軸需要動平衡，刀具夾持要牢靠安全，主軸系統昂貴且壽命短，而且所有高速加工機床及其控制方法價格昂貴，使得高速切削的一次性投入較大，這些問題制約著高速切削的進一步推廣應用。

高速切削加工是具有突出技術優越和經濟優勢的先進制造技術，應用前景十分廣闊。高速切削過程的振動造成的不穩定切削是嚴重限制高速切削加工技術發展的重要問題之一，高速切削穩定性的分析預測及其動態優化理論與方法的研究對于加速高速切削加工技術的發展及其推廣應用具有十分重要的意義。

參考文獻

[1] 鄭興睿.CAD/CAM在高精密復雜模具設計與制造中的應用[D].昆明理工大學，2013.

[2]孫文誠.高速切削加工模具的關鍵技術研究 [J].機械制造與自動化，2008（5）.

[3]楊得一.高速切削加工技術及其應用[J].現代制造技術.2007（8）：53～55.