高速切削加工技術

徐 磊 李 強 王 沖

（陜西長嶺電子科技有限責任公司，寶雞 721006）

用提高切削速度的辦法來提高生產效率，是機械加工行業一直努力的方向，同時也是高速加工技術得以誕生并不斷發展的原因。當前，機械制造業為實現高生產率，現代加工制造技術應用得越來越廣泛和深入。

1 高速加工基礎理論

高速加工的理論基于德國物理學家Carl.J.Salomon提出的Salomon曲線，如圖1所示，橫軸代表切削速度，縱軸代表切削溫度。圖形分三個區域，分別為常規切削區、不可用切削區、高速切削區。

圖1 Salomon曲線

由圖1可以看出，切削溫度在A區、B區前半部分隨切削速度增大而切削溫度增高，在B區后半區、C區切削溫度隨切削速度進一步增大而降低。當切削溫度達到m時，切削溫度過高不利于切削的繼續進行，所以在V1、V2之間形成了不可用切削區域；當切削速度大于V2時，切削溫度下降小于m，進入高速切削區域，在高速切削區域內可以得到更高的切削效率。當切削溫度超過m時，進入不可用切削區域，由于過高的切削溫度對刀具材料的紅硬性（高溫下仍保持足夠硬度的特性）要求顯著提高，從而使傳統的高速鋼刀具、普通硬質合金鋼刀具在應對更高的切削溫度時，顯得力不從心。而且，過高的切削溫度會對被加工材料產生不良影響，如損傷非耐高溫材料、改變材料組織狀態、影響零件尺寸精度，所以這一區域不可用于切削。

2 高速加工技術特點

高速加工的主要技術特點在于高轉速、較大的進給速度、較小的切削深度，簡單來說是高速輕切削。采用輕切削主要是為了降低切削力、降低切削震動，在高轉速的情況下得到小而一致的刀具彎曲應力（對多刃刀具尤為重要），最大程度避免切削震動的產生。高速加工設備與傳統加工設備相比負載能力相對較低，為保證高轉速要求，一般采用電主軸，也就是在機床主軸內嵌入電機，將主軸和電機融為一體，從而把電機到主軸傳動鏈的長度縮減為零，從而減小傳動震動。

由于主軸內嵌電機，主軸質量分布集中，所以其有較好的高速動平衡穩定性，而且多采用復合陶瓷軸承或磁浮軸承，由此可以看出機床主軸對震動的敏感性。較大的切削震動會通過刀具傳遞到主軸，對高轉速下的機床主軸穩定性產生較大的影響，嚴重時不但會損傷主軸而且會造成人員傷害事故。另外，許多高速切削刀具使用高硬度材料，其材料本身較脆，過大的切削震動也會損傷刀具。

3 高速加工技術的優點

與傳統切削加工相比，高速加工效率更高。加工速度為傳統切削加工的3～6倍，加工時間顯著降低，提高了勞動生產率。

相比傳統切削加工，高速加工的切削力小、零件變形小。在高速加工中，由于切削深度小，所以受切削力較低。同時，切削時零件產生的切削應力較低，所以變形量較小，十分適合薄壁零件加工。

高速加工與傳統切削加工相比零件溫升低。在高速加工中，由于切削速度高，90%以上切削熱量來不及傳遞給零件，就已經被與零件基體分離的切屑帶走，所以零件溫升較低。

高速加工與傳統切削加工相比，零件表面質量高（粗糙度低）。由于加工速度高，加工平穩，加工表面質量好，其粗糙度一般比傳統切削加工降低1～2個等級。

4 高速加工刀具

目前，國內外用于高速切削的刀具材料主要有：TiC（N）基硬質合金（也稱金屬陶瓷）、陶瓷刀具、聚晶金剛石（PCD）和立方氮化硼（CBN）等。幾種刀具材料具有如下的對比關系（對比中未列入金剛石刀具的對比，主要原因是一般難加工材料主要為高硬度鋼件、鑄鐵件或溫合金材料，而金剛石由于鐵碳親和性不適合加工這類材料）。

從加工工件的硬度進行對比：立方氮化硼刀具（加工硬度在HRC50以上）＞陶瓷刀具（加工硬度在HRC40～55）＞金屬陶瓷刀具（加工硬度在HRC45以下）。

從不同刀具加工硬質材料的切削速度進行對比：立方氮化硼刀具＞陶瓷刀具＞金屬陶瓷刀具。

從刀具材料韌性進行對比：金屬陶瓷刀具＞立方氮化硼刀具＞陶瓷刀具。

從加工材料范圍看，金屬陶瓷主要應用于各種鋼件、鑄鐵件的半精加工和精加工；陶瓷刀具可加工普通鋼、鑄鐵、淬硬鋼、高錳鋼、鎳基高溫合金、粉末冶金燒結件、玻璃鋼等難加工材料，也可加工各種工程塑料；立方氮化硼適用于高速和超高速切削加工硬質材料（如鑄鐵、淬火鋼的高速切削）、硬態切削（淬火工件HRC55以上）、難加工材料（淬硬鋼、高合金耐磨鑄鐵、高溫合金、高速鋼、表面噴焊材料、燒結金屬材料）；聚晶金剛石主要用于加工各種有色金屬如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金和耐磨性極強的纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材等非金屬材料。值得注意的是，氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具不適合加工鋁材，因為刀具中的鋁會與加工材料中的鋁產生親和反應；金剛石刀具不適合切削鋼、鐵件，金剛石是由碳元素組成，加工鋼鐵件產生高溫時會發生鐵碳親和反應，金剛石中的碳元素（C）會析出，不但會在刀頭發生“結瘤”現象，而且會溶于鐵（Fe）中生成鐵碳化合物（Fe3C），造成金剛石刀具的化學磨損。

5 結語

高速切削加工技術是一項正在發展中的先進實用技術，目前得到了廣泛的應用，取得了巨大的經濟效益。但是，隨著技術的不斷發展，新材料、新設備不斷涌現，還有大量工作需要開展。特別是研究新的刀具材料特性、與之相應的高速切削機理和配套切削參數，將是今后高速切削技術的一個發展方向。