高速切削加工技术及应用

【摘 要】阐述了高速切削加工技术的定义、特点，并介绍了与高速切削加工技术相关的技术的发展趋势

【关键词】高速切削加工技术；制造；切削加工

制造技术的宗旨是缩短产品从设计到进人市场的时间，降低生产成本，保证产品质量，扩大产品的市場占有率，提高产品的竞争能力。目前.高速切削技术的工业应用优势已无需怀疑。与传统加工方式对比，高速切削加工技术具有很多优点，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，从而减少电极加工和磨削加工工序；可显著减少精加工步骤，极大地提高精加工表面的加工质量等。正是这些优点，使高速切削加工越来越受到人们的关注，并有效应用于企业的加工生产。本文通过分析高速切削加工的关键技术与应用，展望高速切削加工技术的发展前景。

一 高速切削加工的定义

高速切削加工技术的起源，可以追溯到20 世纪30 年代初，德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1931 年发表了著名的高速切削理论，人们常用“萨洛蒙曲线”表示。其核心内容是：当切削速度达到一定的数值时，切削刃处的切屑温度和切削力开始下降。他同时给人们一个结论：用传统刀具在更高切削速度下加工时，有可能提高生产率。他的理论推动了制造业的发展，自20 世纪80 年代起，高速加工技术在传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术的基础上，逐步发展成为一门综合性系统工程技术。

二 高速切削的主要优点

生产实践表明，与常规切削相比，高速切削主要优点有：

（一）材料切除率高，切削力低

在高速切削中，如果刀具每齿切削厚度基本不变，进给速度可相应提高5 一10 倍，通常达10 一50 11 1如in，甚至达20 m /m jll。这样高速切削加工与常规切削相比，加工可提高3 一5 倍，而零件加工切削力可减少30 % 左右，尤其是径向削力（垂直被加工表面的力）大为减少。

（二）忍热变形小

高速切削加工过程中，极高的进给速度使得95 %切削热被切屑带走，工件基本上保持冷态，零件不会由于温升导致变形，因而，高速切削特别适合于加工容易产生热变形的零件。

（三）加工表面质量高

高速切削机床激振频率很高，已远远超出“机床一刀具一工件” 工艺系统的固有低频范围（50 一30 Hz），这就使零件加工处于“ 无振动” 切削状态时获得较高的表面加工质量，同时在高切削速度下，积屑瘤、鳞刺、表面残余应力和加工硬化均受到抑制。

因此高速切削加工获得的表面加工质量儿乎可与磨削。

三 高速切削关键加工技术

（一）切削技术最重要的关键技术之一

目前主轴转速在1.5万～3万 的加工中心越来越普及，已经有转速高达10万～15万 的加工中心。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，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热量，会引起热变形和高温，所以必须严格控制。为此，对高速主轴提出如下性能要求：

（1）结构紧凑，总质量小，惯性小，可避免振动和噪音，具有良好的启停性能；

（2）足够的刚性和高的回转精度；

（3）良好的热稳定性；

（4）功率大；

（5）先进的润滑和冷却系统；

（6）可靠的主轴监测系统。

（二）快速进给系统

高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高，目前切削时进给速度一般为30～60 ）"，最高达120 要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杆、伺服系统、工作台结构等提出新的要求。而且，由于机床的直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现快速的进给加减速才有意义。

（三）高速的CNC 控制系统

高速切削加工要求CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的功能性特性，以保证在高速切削时，特别在4～5 轴坐标联动加工复杂曲面，仍具有良好的加工性能。高速CNC数控系统的数据处理能力的两个重要指标：

一是单个程序段处理时间，为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此需使用32位CPU、64位CPU，并采用多处理器；

二是插补精度，为确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段预处理功能。

（四）高速切削刀具技术

高速切削刀具材料和刀具结构。刀具材料对高速加工技术的发展，具有决定性意义。目前已发展的刀具材料，主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等。

金刚石刀具主要用于高速加工铝、铜及其合金等有色金属和非金属以及钛和钛合金；

立方氮化硼和陶瓷刀具主要适用于高速加工铸铁及其合金和淬硬钢以及镍基合金等高温合金；

陶瓷刀具和涂层刀具等，适用于高速加工钢及其合金；

超细晶粒硬质合金适于小尺寸整体刀具，高速加工孔、攻丝和齿轮，也可以较高速度加工钛及其合金和高温合金等超级合金。

由于刀具寿命的限制，钢及其合金和超级合金等只能以较高速度进行精加工和半精加工，发展具有更加优异高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性刀具材料，是推动高速切削技术发展和广泛应用的重要前提。

四 高速切削加工技术在国内外的发展

（一）高速切削技术在国外的发展

高速切削加工的研究，在国外起步较早，水平较高。在此技术领域，处于领先地位的有德国、日本、美国。自20 世纪80年代中后期以来，商品化的高速切削机床不断出现，高速机床由单一的高速铣床发展成为高速车铣床，钻铣床及各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的高速机床，日本日立精机的主轴转速最高达3.6 万～4.0 万r/min。

（二）高速切削技术在国内的发展

我国高速切削加工技术研究起步较晚，与国外有很大的差距。在高速机床方面，目前我国与国外的主要差距，在于机床的关键功能部件的研发落后于市场需求。各个部门需要的高速加工中心还是依赖进口，在高速切削刀具方面，我国已经取得一定的成果，特别是陶瓷刀具。初步具备了开发高速切削刀具的能力，但是金刚石、立方氮化硼、涂层刀具和超晶粒硬质合金刀具的性能和品牌，与国外差距很大。

五 结语

高速切削技术因其具有高效、高精度、工序简化等优点而受到高度重视，随着汽车、航空航天、能源等行业的产品性能不断提高，钦合金、高温合金、高强度钢、复合材料、耐磨铸铁、硅铝合金等难加工材料及大型整体结构、复杂薄壁结构等难加工结构的应用也越来越广泛，对高速切削加工提出了新的要求，质量、效率、成本、绿色、可预测性成为加工技术水平最重要的考量。

参考文献：

[1] 肖軍民.数控刀具在超高速铣削时的选用[J].机械制造与研究，2007，（02）：56- 58.

[2] 吕琳.高速切削技术的发展与应用[J].机电产品开发与创新，2008，（S1）：68- 70.

[4] 杨得一.高速切削加工技术及其应用[J].现代制造技术，2007，（8）：53- 55.

[5] 林明山.高速切削加工与刀具技术[J].机电技术，2007，（4）：33- 36.

作者简介：

高速切削加工技术项目作业

指导教师：谢伟东

团队成员：李伟

金泽

王刚

任超

齐齐哈尔工程学院

团队分工明细

一、行动的分工

李伟：整编论文

金泽：排版和布局

王刚：网络查找和书籍查找

任超：后期打印和校正

二、论文分工

李伟：一 高速切削加工的定义

金泽：二 高速切削的主要优点

王刚：三 高速切削关键加工技术

任超：四 高速切削加工技术在国内外的发展

（作者单位：长三角新能源汽车研究院有限公司）

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