高速切削技术

第一节　高速切削技术

高速切削已经成为先进制造技术的重要组成部分和显著的标志之一，成为制造业中装备制造工业、汽车工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门的关键技术。在工业发达国家，高速切削已是一项实用的新技术，积极开发应用高速切削新工艺成为企业提高加工效率和产品质量、降低制造成本、缩短交货周期，从而提高竞争实力的重要举措。

高速切削加工具有高速、高精度的特点。在加工过程中不仅可以大幅度提高零件的加工效率，缩短加工时间，降低加工成本，而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。因此，尽管高速切削技术从研究到实用只有近20年的时间，但它已广泛地应用于包括模具、工具制造以及航空航天的复杂曲面、薄壁零件的加工等领域，对机械制造业产生了巨大的影响，被认为是21世纪最有发展潜力的几大技术之一。

一、高速切削概念

高速切削理论是20世纪30年代由德国切削专家萨洛蒙(CarlSalomon)博士提出的，他指出在常规切削速度范围内(图7-1中A区)，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反而会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内(图7-1中B区)，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如果能越过这个“死谷”，在高速区(图7-1中C区)工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。

经过20世纪50年代的切削机理与可行性研究，20世纪70年代的工艺技术研究，20世纪80年代全面系统的高速切削技术研究，到20世纪90年代初，高速切削技术开始进入实用阶段，到20世纪90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。

图7-1　高速切削的概念

高速切削是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。它所采用的切削参数要比传统工艺高出几倍、十几倍。目前，各个国家对于高速切削的速度范围没有一个统一的规定。因为对于不同的加工方式、不同的工件材料，高速切削的速度是不同的。因此对此很难有一致的说法。通常高速切削的切削速度比常规切削速度高出5～10倍以上。其中以德国Darmstatt大学H.Schulz教授提出的铣削速度范围比较具有代表性:铝合金1000～7000m/min，黄铜、青铜900～5000m/min，铸铁800～3000m/min，钢500～2000m/min，钛合金100～1000m/min，镍基合金50～500m/min。因此，高速切削的“高速”是一个相对的概念，简单地说，就是相对于常规加工速度而言高得多的一种加工速度。应当指出的是，高速切削中的“高速”不仅是一个技术指标，更是一项经济指标。也就是说，它不仅仅是一个技术上可以实现的切削速度，而且必须是一个可由此获得很大经济效益的高切削速度。没有经济效益的高速度是没有工程意义的。

二、高速切削的技术特点

高速切削之所以成为技术热点，得到广泛的工业应用，是因为它相对于传统加工技术具有显著的优越性，具体来说高速切削具有以下优点:

1.加工效率高

高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍，因而零件加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空、模具工业具有十分重要的意义。

2.加工精度高

由于高速旋转时刀具切削的振动频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，切削热还来不及传给工件，因而工件基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高。另外，也使得刀具与工件间的摩擦减小，从而切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

3.切削力小

和常规切削加工相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，提高零件的加工精度，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

4.切削热对工件的影响减小

高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热量被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削适用于在加工过程中容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属(如镁)，高速切削加工具有十分重要的意义。

5.工序集约化

由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削条件下，可以对淬硬表面进行加工。尤其是对硬度在46～60HRC之间的高硬度金属进行铣削，从而可以部分取代电火花加工，这一点对于模具加工具有十分重要的意义。传统的模具加工路线是在退火阶段进行铣削加工，然后热处理，再进行电火花加工，最后磨削和手工研磨。采用高速切削加工后可以直接一次加工，减少了后道工序，特别是手工加工时间，使加工工序集约化，可取得良好的技术经济效益。

三、高速切削技术的研究发展现状及应用

20世纪60年代，美国开始了高速切削的试验研究工作。1977年就在有高频电主轴的铣削加工中心上进行了高速切削试验。当时，主轴转速达到18000r/min，最大进给速度达到了7.6m/min。1979年美国在进行“先进加工研究计划”AMRP后就确定了铝合金的最佳切削速度为1500～4500m/min。

1984年德国政府拨巨资组织了Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所(PTW)的舒尔茨教授为首的专家组及有18家企业参加的联合研究计划，用了6年时间，全面系统地开展了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关工艺技术的研究，对多种工件材料的高速切削性能进行了深入的研究和试验，取得了国际公认的高水平成果，并研制了立式高速铣削中心，其主轴转速达60000r/min，三向进给速度达60m/min，加速度为2.5g，重复定位精度为±1μm。该设备在德国工厂广泛应用，取得了良好的经济效益。

日本于20世纪60年代开始了高速切削机理的研究，近些年来吸收了各国的研究成果，现在已后来居上，跃居世界领先地位。20世纪90年代以来，特别是京都大学的垣野教授联合9家企业，于1996年研制出日本第一台卧式加工中心。同时他们也致力于高速切削工艺，特别是高速切削工艺数据库、刀具磨损与破损机理、CAD/CAM系统开发及质量控制等方面的研究。松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司的机床制造厂陆续推出一批高速加工中心和数控铣床，主轴转速已达50000～100000r/min，进给速度达50m/min(最大为80m/min)。

此外，法国、瑞士、英国等国也在高速切削方面做了不少工作，相继开发出了各自的高速切削机床。

由于高速切削具有众多的优点，目前它已在很多行业中获得了应用。其主要应用领域如表7-1所示。高速切削所具有的一系列特色和在生产效益方面的巨大潜力，早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域。美国波音公司、法国达索公司采用数控高速切削技术全球加工超高速铣削铝合金、钛合金整体薄壁结构件，美国休斯飞机公司采用超高速精度铣削技术加工平面阵列天线、波导管、挠性陀螺框架。德国自1984年开始至今，由国家研究技术部(DFG)资助Darmstatt大学和41家公司对超高速切削机床、刀具等相关技术进行系统的研究。日本尖端技术研究会把高速切削列为五大现代技术之一。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利生产的不同规格的各种商业化高速机床已经进入市场，应用于飞机、汽车制造。

表7-1　　　　　　高速切削的应用

高速铣削加工在模具制造中具有高效、高精度以及可加工高硬材料的优点，在工业发达国家已经得到十分广泛的应用，被誉为“第三代制模技术”。

四、高速切削机床

高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合，高速切削机床是高速切削应用的基本条件。

高速切削机床的主轴转速一般在18000r/min以上，30000～60000r/min也已在工业中实际应用。功率在十几千瓦至几十千瓦，高速状态下达到最大功率，但扭矩降到最小，同时许用的铣刀直径也将减小。高动态进给驱动的直线进给速度一般在20～40m/min，采用直线电机的驱动速度在60～120m/min，加速度1～2g。机床主轴和床身要有良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能。人造大理石床身具有很高的热稳定性，良好的吸振性能，并能根据需要制作最合理的机床结构。研究表明，人造大理石的吸振性是铸铁的6倍左右。