高速切削加工技術及應用

戴海劍

【摘 要】闡述了高速切削加工技術的定義、特點，并介紹了與高速切削加工技術相關的技術的發展趨勢

【關鍵詞】高速切削加工技術；制造；切削加工

制造技術的宗旨是縮短產品從設計到進人市場的時間，降低生產成本，保證產品質量，擴大產品的市場占有率，提高產品的競爭能力。目前.高速切削技術的工業應用優勢已無需懷疑。與傳統加工方式對比，高速切削加工技術具有很多優點，例如可加快精加工和精加工材料的切削速度；可直接切削高硬度材料，從而減少電極加工和磨削加工工序；可顯著減少精加工步驟，極大地提高精加工表面的加工質量等。正是這些優點，使高速切削加工越來越受到人們的關注，并有效應用于企業的加工生產。本文通過分析高速切削加工的關鍵技術與應用，展望高速切削加工技術的發展前景。

一 高速切削加工的定義

高速切削加工技術的起源，可以追溯到20 世紀30 年代初，德國的切削物理學家薩洛蒙（Carl Salomon）博士于1931 年發表了著名的高速切削理論，人們常用“薩洛蒙曲線”表示。其核心內容是：當切削速度達到一定的數值時，切削刃處的切屑溫度和切削力開始下降。他同時給人們一個結論：用傳統刀具在更高切削速度下加工時，有可能提高生產率。他的理論推動了制造業的發展，自20 世紀80 年代起，高速加工技術在傳統切削加工技術、自動控制技術、信息技術和現代管理技術的基礎上，逐步發展成為一門綜合性系統工程技術。

二 高速切削的主要優點

生產實踐表明，與常規切削相比，高速切削主要優點有：

（一）材料切除率高，切削力低

在高速切削中，如果刀具每齒切削厚度基本不變，進給速度可相應提高5 一10 倍，通常達10 一50 11 1如in，甚至達20 m /m jll。這樣高速切削加工與常規切削相比，加工可提高3 一5 倍，而零件加工切削力可減少30 % 左右，尤其是徑向削力（垂直被加工表面的力）大為減少。

（二）忍熱變形小

高速切削加工過程中，極高的進給速度使得95 %切削熱被切屑帶走，工件基本上保持冷態，零件不會由于溫升導致變形，因而，高速切削特別適合于加工容易產生熱變形的零件。

（三）加工表面質量高

高速切削機床激振頻率很高，已遠遠超出“機床一刀具一工件” 工藝系統的固有低頻范圍（50 一30 Hz），這就使零件加工處于“ 無振動” 切削狀態時獲得較高的表面加工質量，同時在高切削速度下，積屑瘤、鱗刺、表面殘余應力和加工硬化均受到抑制。

因此高速切削加工獲得的表面加工質量兒乎可與磨削。

三 高速切削關鍵加工技術

（一）切削技術最重要的關鍵技術之一

目前主軸轉速在1.5萬～3萬 的加工中心越來越普及，已經有轉速高達10萬～15萬 的加工中心。高速主軸由于轉速極高，主軸零件在離心力作用下產生振動和變形，高速運轉摩擦熱和大功率內裝電機產生的熱量，會引起熱變形和高溫，所以必須嚴格控制。為此，對高速主軸提出如下性能要求：

（1）結構緊湊，總質量小，慣性小，可避免振動和噪音，具有良好的啟停性能；

（2）足夠的剛性和高的回轉精度；

（3）良好的熱穩定性；

（4）功率大；

（5）先進的潤滑和冷卻系統；

（6）可靠的主軸監測系統。

（二）快速進給系統

高速切削時，為了保持刀具每齒進給量基本不變，隨著主軸轉速的提高，進給速度也必須大幅度提高，目前切削時進給速度一般為30～60 ）"，最高達120 要實現并準確控制這樣高的進給速度，對機床導軌、滾珠絲桿、伺服系統、工作臺結構等提出新的要求。而且，由于機床的直線運動行程一般較短，高速加工機床必須實現快速的進給加減速才有意義。

（三）高速的CNC 控制系統

高速切削加工要求CNC 控制系統具有快速數據處理能力和高的功能性特性，以保證在高速切削時，特別在4～5 軸坐標聯動加工復雜曲面，仍具有良好的加工性能。高速CNC數控系統的數據處理能力的兩個重要指標：

一是單個程序段處理時間，為了適應高速，要求單個程序段處理時間要短，為此需使用32位CPU、64位CPU，并采用多處理器；

二是插補精度，為確保高速下的插補精度，要有前饋和大數目超前程序段預處理功能。

（四）高速切削刀具技術

高速切削刀具材料和刀具結構。刀具材料對高速加工技術的發展，具有決定性意義。目前已發展的刀具材料，主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和超細晶粒硬質合金刀具等。

金剛石刀具主要用于高速加工鋁、銅及其合金等有色金屬和非金屬以及鈦和鈦合金；

立方氮化硼和陶瓷刀具主要適用于高速加工鑄鐵及其合金和淬硬鋼以及鎳基合金等高溫合金；

陶瓷刀具和涂層刀具等，適用于高速加工鋼及其合金；

超細晶粒硬質合金適于小尺寸整體刀具，高速加工孔、攻絲和齒輪，也可以較高速度加工鈦及其合金和高溫合金等超級合金。

由于刀具壽命的限制，鋼及其合金和超級合金等只能以較高速度進行精加工和半精加工，發展具有更加優異高溫力學性能、高化學穩定性和熱穩定性及高抗熱震性刀具材料，是推動高速切削技術發展和廣泛應用的重要前提。

四 高速切削加工技術在國內外的發展

（一）高速切削技術在國外的發展

高速切削加工的研究，在國外起步較早，水平較高。在此技術領域，處于領先地位的有德國、日本、美國。自20 世紀80年代中后期以來，商品化的高速切削機床不斷出現，高速機床由單一的高速銑床發展成為高速車銑床，鉆銑床及各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的高速機床，日本日立精機的主軸轉速最高達3.6 萬～4.0 萬r/min。

（二）高速切削技術在國內的發展

我國高速切削加工技術研究起步較晚，與國外有很大的差距。在高速機床方面，目前我國與國外的主要差距，在于機床的關鍵功能部件的研發落后于市場需求。各個部門需要的高速加工中心還是依賴進口，在高速切削刀具方面，我國已經取得一定的成果，特別是陶瓷刀具。初步具備了開發高速切削刀具的能力，但是金剛石、立方氮化硼、涂層刀具和超晶粒硬質合金刀具的性能和品牌，與國外差距很大。

五 結語

高速切削技術因其具有高效、高精度、工序簡化等優點而受到高度重視，隨著汽車、航空航天、能源等行業的產品性能不斷提高，欽合金、高溫合金、高強度鋼、復合材料、耐磨鑄鐵、硅鋁合金等難加工材料及大型整體結構、復雜薄壁結構等難加工結構的應用也越來越廣泛，對高速切削加工提出了新的要求，質量、效率、成本、綠色、可預測性成為加工技術水平最重要的考量。

參考文獻：

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[5] 林明山.高速切削加工與刀具技術[J].機電技術，2007，（4）：33- 36.

作者簡介：

高速切削加工技術項目作業

指導教師：謝偉東

團隊成員：李偉

金澤

王剛

任超

齊齊哈爾工程學院

團隊分工明細

一、行動的分工

李偉：整編論文

金澤：排版和布局

王剛：網絡查找和書籍查找

任超：后期打印和校正

二、論文分工

李偉：一 高速切削加工的定義

金澤：二 高速切削的主要優點

王剛：三 高速切削關鍵加工技術

任超：四 高速切削加工技術在國內外的發展

（作者單位：長三角新能源汽車研究院有限公司）