浅析高速切削技术发展

夏建荣

摘 要：高速切削技术具有随切削速度提高切削力降低、切削温度的增加逐渐变缓、加工表面质量和生产效率提高、制造成本减少、产品开发周期缩短等突出优势，是先进制造技术的最重要的共性基础技术之一，已成为面向21世纪的先进制造技术的重要组成部分，已在航空航天、汽车、模具、机床等行业广泛应用。

关键词：高速切削；机床；刀具

1 高速切削概述

高速切削是指比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工，有时也称为超高速切削。高速切削是一个相对的概念，当使用不同的加工方法和工件材料与加工刀具时，高速切削速度会有很大的不同。高速切削强调的是高的速度，即要有高的主轴转速，高速切削中的高速不是一个技术指标，而应是一个经济指标。高速切削时由于切削速度的大幅度提高，决定了高速切削具有以下特点：一是生产效率提高；二是切削力降低；三是工件的热变形减小；四是工件振动减小；五是可加工各种难加工材料；六是生产成本降低。

高速切削加工是面向現代加工社会的一项高新技术，它以效率高、精度高和表面加工质量高为基本特征，在汽车工业、航空航天和仪器仪表等行业中应用非常广泛，并已获取了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。有些专家把高速切削技术的出现称作是机械加工发展中的一个里程碑，是继数控技术之后新技术的又一次重大变革。在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高。对于一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，由于切削温度太高，刀具无法承受，切削加工不能进行。但当切削速度继续提高，超过这个范围以后，切削温度反而会降低，切削力也会大幅度下降。按照此假设，对于一种工件材料存在一定的高速区，在这个区域进行加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。

2 高速切削加工与常规加工的比较

高速切削加工与常规的数控加工方法主要区别在于进给速度、加工速度和切削深度这三个工艺参数值不同。高速切削加工采用高进给速度和小切削深度，而数控加工则采用低进给速度和大切削深度。高速切削加工对机床主轴、切削刀具、计算机数控系统、伺服进给系统和数控编程方法的要求与常规的加工方式不同。

1、刀具寿命。高速加工工艺能够保证刀具在不同速度下工作的负载恒定，加上刀具每刃的切削量较小，有利于延长刀具使用寿命。

2、高速加工可以在高速度、大进给的方式下完成淬硬钢的精加工，提高加工件的表面质量。而且由于高速加工切削量少，提高了加工及其后续表面光滑度，所以省去了过去机加工和电加工的磨削和抛光工序。

3、高速切削加工及其精密度。生产实践表明，与传统切削加工相比，用高速加工容易产生剪断切削，当切削厚度减少时，切削温度上升，切削更为碎小。而当应力和切削都减少时，刀具负载变小，同时，由于产生的摩擦热减少，大量的切削热量被高速离去的切削带走，故工件和刀具的热变形很小，工件表面没有变质及微裂纹，大大改善了工件的加工质量，具有加工循环时间短、所需的刀具数少、切削应力小、产生切削量大、加工精度高等特点。

3 高速切削的关键技术

目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业和模具行业，尤其是在加工复杂曲面的领域，工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能，而它的发展则涉及到高速切削机床技术、高速切削工艺技术、高速切削刀具技术和高速切削加工中的测试技术这四个方面的关键技术。

1、高速切削机床技术。性能良好的机床是实现高速切削前提和关键，而具有高精度高速主轴和控制精度高高速进给系统，则是高速切削机床技术关键。高速主轴是高速切削机床核心部件，很大程度上决定着高速切削机床所能达到切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削加工中心其主轴最高转速一般都大于10000r/min，有高达60000r/min～100000r/min，为普通机床10倍左右；主电动机功率15kW～80kW，以满足高速车削、高速铣削之要求。控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的重要技术之一。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高，进给速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变。

2、高速切削工艺技术。进行高速切削时，工件材料不同，所选用切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同。工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何参数、切削参数、振动和切削液等因素对都会对加工表面的粗糙度的产生影响，因此在高速切削加工时切削参数的选择和表面质量控制等工艺技术也是需要重视的。

3、高速切削刀具技术。刀具的使用是实现高速切削重要保证，如何正确选择刀具材料和设计刀具系统对提高零件的加工质量、延长刀具的使用寿命和降低加工成本都起着重要作用。高速切削要求刀具材料具有高硬度、高强度和耐磨性；高韧度、良好耐热冲击性；高热硬性、良好化学稳定性等性能，目前使用最多的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼材料和聚晶金刚石材料等。

4、高速切削加工中的测试技术。由于高速切削加工的速度相当高，当主轴转速达4000r/min时，若有大片崩裂，碎片就会像出膛的子弹，所以高速切削加工是在密封的机床工作区间里进行的，这样操作人员很难直接观察、操作和控制，因此需要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控，实现在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。高速切削加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。最近几年，在线测试技术在高速机床中使用的越来越多，如主轴发热情况、刀具磨损状态测试和工件加工监测等。智能技术也已经应用于测试信号的分析和处理中，如神经网络技术应用于刀具磨损状态的识别。还有一些技术正在进行研究，在不断的进行测试，这些技术分别是传感技术、信号分析技术和信号处理技术等等。

4 高速切削存在的问题及发展展望

高速切削是切削加工发展的主要方向之一，它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料等基础技术的发展外，自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题，如刀具磨损严重，高速切削用刀具切入切出时破损问题，高速切削用刀具材料价格昂贵，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具夹持要牢靠安全，主轴系统昂贵且寿命短，而且所有高速加工机床及其控制方法价格昂贵，使得高速切削的一次性投入较大，这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。

高速切削加工是具有突出技术优越和经济优势的先进制造技术，应用前景十分广阔。高速切削过程的振动造成的不稳定切削是严重限制高速切削加工技术发展的重要问题之一，高速切削稳定性的分析预测及其动态优化理论与方法的研究对于加速高速切削加工技术的发展及其推广应用具有十分重要的意义。

参考文献

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