高速切削及其關(guān)鍵技術(shù)重點

1、高速切削及其關(guān)鍵技術(shù)綜述摘要高速切削已成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。高速切削的應(yīng)用將提高加工精度和生產(chǎn)率。本文介紹了高速切削的概念及特點，分析了高速切削的關(guān)鍵技術(shù)：機床技術(shù)、刀具技術(shù)和工藝技術(shù)，說明了高速切削在航空、汽車工業(yè)與模具制造等領(lǐng)域的應(yīng)用，并展望高速切削加工技術(shù)未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：高速切削，關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域，未來展望Abstract: High-speed cutting technology has become an important development direction of advanced manufacturing technology. The app

2、lication of high-speed cutting technology will improve the machining accuracy and productivity. This paper introduces the concept and characteristics of high speed cutting, and analyzes the key technologies of high-speed cutting, including machine tool technology, cutting tool technology and process

3、 technology. It also illustrates the applications of the high speed cutting in the field of aviation, automobile industry and dies manufacturing, and prospects the future development direction of the high-speed cutting technology.Key words: high-speed cutting, key technologies, application fields, f

4、uture prospect0. 引言自20世紀(jì)30年代，高速切削概念首次提出以來，高速切削加工技術(shù)經(jīng)歷了多年理論與實踐的研究和探索。近20年來，隨著材料、信息、微電子、計算機等技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率高速主軸單元、高性能伺服控制系統(tǒng)和超硬耐磨耐熱刀具材料等關(guān)鍵技術(shù)的解決和進(jìn)步，使其在德國、美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到迅速發(fā)展，已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個的重要發(fā)展方向，并廣泛應(yīng)用于裝備制造工業(yè)、航空航天工業(yè)、模具工業(yè)等主要工業(yè)部門1。高速切削最終要達(dá)到的主要目標(biāo)之一是要通過高速切削來提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本并以此提高整體競爭實力2。1. 高速切削的概念及特點1.1 高速切削的概念高速切削概念的提

5、出源于德國切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl J. Salomon）的著名切削實驗及其物理引伸。他提出：被加工工件材料都有一個臨界切削速度，其切削溫度最高。在常規(guī)切削范圍內(nèi)（見圖1A區(qū)），切削溫度和刀具磨損隨著切削速度的增大而提高，當(dāng)切削速度到達(dá)臨界切削速度后，切削溫度開始隨切削速度增大而降低（見圖1C區(qū)），刀具磨損隨切削速度增大而減小。由于受當(dāng)時實驗條件的限制，這一理論未能嚴(yán)格區(qū)分切削溫度和工件溫度的界限。但是，他的思想給人們一個非常重要的啟示：如果能越過圖1中的B區(qū)，而在高速區(qū)（圖1中的C區(qū)）進(jìn)行切削，則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而大幅度地減少切削工時，大幅度

6、地提高機床的生產(chǎn)率。經(jīng)過后來研究者的不斷努力，使這一想法得以實現(xiàn)。1.2 高速切削的特點高速切削在提高加工質(zhì)量和加工效率2個方面實現(xiàn)了統(tǒng)一。以刀具線速度或機床主軸轉(zhuǎn)速來描述高速切削。按照目前的生產(chǎn)和技術(shù)水平，國外學(xué)者提出：機床主軸轉(zhuǎn)速為800012000r/min稱為準(zhǔn)高速切削，1500050000r/min稱為高速切削，大50000r/min稱為超高速切削。按工件材料劃分，當(dāng)切削速度對鋼材達(dá)到380m/min以上、鑄鐵700m/min 以上、銅材1000m/min以上、鋁材1100m/min以上、塑料1150m/min以上時，被認(rèn)為是合適的高速切削速度范圍；按加工工藝劃分，高速切削速度范圍為

7、：車削700 7000m/min，銑削3006000m/min，鉆削2001100m/min，磨削500010000m/min。高速切削具有以下特點:(1) 加工效率高高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，進(jìn)給速度范圍達(dá)到225m/min3，比常規(guī)切削加工提高510倍，單位時間材料切除率可提高36倍，因而零件加工時間可大大減少。這樣可以用于加工需要大量切除金屬的零件，特別是對于航空工業(yè)具有十分重要的意義。(2) 切削力小同常規(guī)切削加工相比，高速切削加工時切削力至少可降低30%，極限剪切應(yīng)力提高了7 9倍，減少了刀具與工件表面的接觸時間4。這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形，提高零件的加工精

8、度，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。(3) 切削熱對被加工工件的影響減少高速切削加工過程極為迅速，95%以上的切削溫度被切屑帶離工件，工件積聚熱量極少，零件不會由于溫升導(dǎo)致翹曲或膨脹變形，因而高速切削特別適用于加工容易熱變形的零件。對于加工熔點較低、易氧化的金屬（如鎂），高速切削加工具有重要意義。(4) 加工精度高高速旋轉(zhuǎn)時刀具切削的激勵頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會造成工藝系統(tǒng)的受迫振動，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削力小，切削熱影響小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得刀具與工件間的摩擦減少，從而切削破壞層變薄，殘 余應(yīng)力小，實現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。(5) 簡化

9、了加工工藝流程常規(guī)銑加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過放電加工解決高速銑可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來的表面硬化問題，減少或免除人工光整加工(6) 減少能耗，節(jié)約能源高速加工以其單位時間內(nèi)較高的材料去除率，大大縮短了零件的加工時間，從而直接減少能源消耗。有些高速加工免除了冷卻液的使用，采用風(fēng)冷及油霧冷卻方式，降低了加工成本，如省去了潤滑及冷卻液的購置及回收處理費用，節(jié)省了工人清洗零件及處理廢棄油屑的時間，同時減少了廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，真正響應(yīng)了高效、低耗、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求5。2. 高速切削機床技術(shù)性能良好的高

10、速切削機床是實現(xiàn)高速切削的前提和關(guān)鍵，高精度的高速主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速控制系統(tǒng)是高速切削機床的關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)高速切削加工的基礎(chǔ)。2.1 高速主軸單元高速主軸是高速切削機床的核心部件。高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動和變形，高速運轉(zhuǎn)摩擦和大功率內(nèi)裝電機產(chǎn)生的熱會引起高溫和變形，所以必須嚴(yán)格控制6。因此，對高速主軸單元的要求是動平衡性高剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、良好的熱穩(wěn)定性、能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩和功率、能承受高的離心力、帶有準(zhǔn)確的測溫裝置和高效的冷卻裝置等。高速主軸的類型主要有電主軸和氣動主軸。氣動主軸目前主要應(yīng)用于精密加工，功率較小，其最高轉(zhuǎn)速150000r/min，輸出功率僅

11、30kW，應(yīng)用范圍較小。高速電主軸在結(jié)構(gòu)上全部采用內(nèi)裝交流伺服電機直接驅(qū)動的集成化結(jié)構(gòu)，取消了齒輪傳動和帶傳動，并配備有強力的冷卻和潤滑設(shè)計7。由于集成化主軸組件結(jié)構(gòu)的傳動部件減少，軸承成為決定主軸壽命和負(fù)載能力的關(guān)鍵部件。為適應(yīng)高速切削加工，高速主軸越來越多地采用陶瓷軸承、磁懸浮軸承及液體動靜壓軸承8。在高速主軸單元中，機床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此對主軸單元提出了較高的靜剛度和工作精度要求。高速機床主軸單元的動態(tài)性能在很大程度上決定了機床的加工質(zhì)量和切削能力。2.2 高速進(jìn)給系統(tǒng)高速機床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，這不僅是為了提高生產(chǎn)率，也是為了達(dá)到高速切削中刀具正常

12、工作的條件，否則會造成刀具急劇磨損，破壞加工工件的表面質(zhì)量。在進(jìn)行高速切削時，為了保證零件的加工精度，隨著機床轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅度提高，以便保證刀具每齒進(jìn)給量不變；另一方面，由于大多數(shù)零件在機床上加工的工作行程不長，一般只有幾十毫米到幾百毫米，進(jìn)給系統(tǒng)只有在很短的時間內(nèi)達(dá)到高速和在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)準(zhǔn)停才有意義。為了實現(xiàn)高速進(jìn)給，除了可以繼續(xù)采用經(jīng)過改進(jìn)的滾珠絲杠副，最近幾年又出現(xiàn)了采用直線電機驅(qū)動和基于并聯(lián)機構(gòu)的新型高速進(jìn)給方式，從結(jié)構(gòu)、性能到總體布局來看，3種方式都有很大的差別，形成了3種截然不同的高速進(jìn)給系統(tǒng)9。(1) 滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用交流伺服電機驅(qū)動，

13、進(jìn)給加速度可以達(dá)到1g，進(jìn)給速度可以達(dá)到4060 m/min，定位精度可以達(dá)到2025m。相對于采用直線電機驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠的進(jìn)給方案，因為受工作臺的慣性以及滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的進(jìn)給速度和加速度比較小。對于采用滾珠絲杠副的傳動系統(tǒng)，為了提高進(jìn)給加速度，可以采取以下措施。a.加大滾珠絲杠直徑以提高其剛度，且絲杠內(nèi)部做成空心結(jié)構(gòu)，這樣可以強制通冷卻液來降低絲杠溫升。高速滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)時，由于摩擦產(chǎn)生溫升，造成絲杠的熱變形，將直接影響高速機床的加工精度。通過采用滾珠絲杠強行冷卻技術(shù)，對于保持滾珠絲杠副溫度的恒定有非常重要的作用。該項措施對于提高大中型滾珠絲杠的性能有

14、非常重要的作用。b.選用大額定扭矩的伺服電機。為了更加合理地利用伺服電機，采用多頭大導(dǎo)程滾珠絲杠。c.對于關(guān)鍵軸采用雙伺服電機和雙滾珠絲杠同步驅(qū)動。另外，為了減小高速下滾珠的自旋速度和公轉(zhuǎn)速度，可以采用小直徑的氮化硅陶瓷球，并且采用特殊樹脂材料造成的保持架把滾珠分離開來，減小滾珠之間的摩擦、碰撞和擠壓，減少絲杠的發(fā)熱和引起的噪聲。也可以采用絲杠固定、螺母旋轉(zhuǎn)的工作方式，避免高速運轉(zhuǎn)受臨界轉(zhuǎn)速的限制。改進(jìn)后的滾珠絲杠其進(jìn)給速度一般不超過6080 m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心上的應(yīng)用仍受到一定的限制。采用滾珠絲杠副傳動實現(xiàn)的高速進(jìn)給系統(tǒng)與采用直線電機驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)相比，可以大幅

15、度降低成本。日本精工已經(jīng)研制出進(jìn)給速度高達(dá)100 m/min的滾珠絲杠。采取的改進(jìn)措施主要有，采用1632mm大導(dǎo)程，提高滾珠循環(huán)部分零件質(zhì)量；采用多頭螺紋以增加有效圈數(shù)，改進(jìn)滾道形狀等。從而，實現(xiàn)了進(jìn)給系統(tǒng)的高速、高剛度以及高承載能力。(2) 直線電機進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)直線電機驅(qū)動實現(xiàn)了無接觸直接驅(qū)動，避免了滾珠絲杠、齒輪和齒條傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點，可獲得高精度的高速移動，并具有極好的穩(wěn)定性。直線電機的實質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電機徑向剖切開，然后拉直演變而成。直線電機的轉(zhuǎn)子和工作臺固連，定子則安裝在機床床身上，在機床進(jìn)給系統(tǒng)中采用直線電機后可以把機床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零，從而實現(xiàn)

16、所謂的“零傳動”。使用直線電機驅(qū)動具有以下優(yōu)點。a.高速響應(yīng)性。由于系統(tǒng)取消了各種響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件，整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大為提高，反映異常靈敏快捷。b.傳動剛度高。系統(tǒng)避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環(huán)節(jié)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現(xiàn)象，同時提高了其傳動剛度。c.定位高精度。系統(tǒng)從根本上取消了由于機械機構(gòu)引起的傳動誤差，減少了插補時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。直線電機驅(qū)動系統(tǒng)一般以光柵尺作為位置測量元件，采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，工作臺定位精度達(dá)0.10.01m。d.進(jìn)給速度快、加減速度大。由于系統(tǒng)的高響應(yīng)性，其加減速過程大大縮短，以實現(xiàn)啟動瞬時達(dá)到高速，高

17、速運行又能瞬間停止，可獲得較高的加速度，一般可以達(dá)到210g。e.行程長度不受限制。直線電機的次級連續(xù)鋪在機床床身上，次級鋪到哪里，初級（工作臺）就可以運動到哪里，使行程距離不受限制，而且不管有多遠(yuǎn)，對整個進(jìn)給系統(tǒng)的剛度都沒有任何影響。（3）基于并聯(lián)機構(gòu)的高速進(jìn)給系統(tǒng)傳統(tǒng)機床的結(jié)構(gòu)一般都是由床身、工作臺、立柱、導(dǎo)軌、主軸箱等部件串聯(lián)而成的非對稱的布局，因此機床結(jié)構(gòu)不但要承受拉壓載荷，而且還要承受彎扭載荷。為了保證機床的整體剛度，只有采用結(jié)構(gòu)比較笨重的支承部件和運動部件，這不但要消耗大量的材料和能源，也制約了機床進(jìn)給速度和加速度的進(jìn)一步提高。刀具和工件之間的相對運動誤差由各坐標(biāo)軸運動誤差線性疊加

18、而成，機床結(jié)構(gòu)的非對稱還導(dǎo)致受力和受熱的不均勻，這些都影響機床的加工精度。和傳統(tǒng)的串聯(lián)式機床相比，并聯(lián)機床具有以下優(yōu)點。a.比剛度高。承受切削力的動平臺由完全對稱的多根桿件支撐，桿件只承受拉壓，不承受彎扭應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、生產(chǎn)成本低。b.響應(yīng)速度快。機床運動部件質(zhì)量小，對運動速度反映速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)高進(jìn)給速度和高加速度的加工運動。c.適應(yīng)能力強。并聯(lián)機床采用獨特的簡單桿系結(jié)構(gòu)，各桿的結(jié)構(gòu)完全相同，而其他部件均為外購的標(biāo)準(zhǔn)部件，并且并聯(lián)機床采用開放式控制系統(tǒng)，只要更換平臺上的工作部件就可以實現(xiàn)多種類型的加工。2.3高速CNC控制系統(tǒng)高速加工機床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速非常高，

19、因此對高速加工機床的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。用于高速切削的數(shù)控裝置必須具備很高的運算速度和精度10。采用快速響應(yīng)的伺服控制，以滿足復(fù)雜型腔的高速度加工要求。目前，主軸電機仍然是采用矢量控制技術(shù)的變頻調(diào)速交流電機，但必須優(yōu)化現(xiàn)有的技術(shù)。許多高速切削機床的CNC控制系統(tǒng)采用多個CPU，CPU可達(dá)32位甚至64位，同時配置功能強大的后置處理軟件，可使工件加工質(zhì)量在高速切削時得到明顯改善。3. 高速切削刀具技術(shù)刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削的重要保證。正確選擇刀具材料和設(shè)計刀具系統(tǒng)對于提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用。3.1 高速切削刀具材料高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高

20、強度和耐磨性；高韌度、良好的耐熱沖擊性；高熱硬性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性。目前，高速切削加工常使用的刀具有：硬質(zhì)合金及其涂層刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼和聚晶金剛石等11。(1) 硬質(zhì)合金涂層刀具硬質(zhì)合金涂層刀具基體有較高的韌性和抗彎強度，涂層材料高溫耐磨性好，因此容許采用高進(jìn)給速度和高切削速度。但受交變切削應(yīng)力的作用，涂層材料易產(chǎn)生徑向和側(cè)向裂紋，致使刃區(qū)涂層剝離，在高速斷續(xù)切削和濕式切削時尤應(yīng)注意。(2) 陶瓷刀具陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一?？捎糜诟咚偾邢鞯奶沾傻毒甙ń饘偬沾伞⒀趸X陶瓷（Al2O3）和氮化硅陶瓷（Si3N4）等12。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，適于加工5065H

21、RC的高硬度材料；高溫性能好，在1200的高溫下仍能進(jìn)行切削；具有良好的抗粘結(jié)性能，不容易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，化學(xué)穩(wěn)定性好。但陶瓷刀具抗沖擊載荷能力差、抗熱沖擊性能差，因此，用陶瓷刀具進(jìn)行切削時，不宜使用切削液，適于進(jìn)行高速干切削。(3) 立方氮化硼（CBN）刀具立方氮化硼（CBN）刀具具有高硬度。良好的耐磨性和高溫化學(xué)穩(wěn)定性，壽命長，適合高速切削淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金、鈦合金及各種熱噴涂材料。(4)聚晶金剛石（PCD）刀具聚晶金剛石（PCD）材料的硬度約為CBN的2倍，其導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小，適于銅鋁合金、非金屬材料和復(fù)合材料的高速切削，是實現(xiàn)高精度、高效率、高穩(wěn)定性和低表面粗

22、糙度切削加工的重要刀具。PCD刀具主要用于輕金屬及其合金、新型陶瓷材料及難加工材料的高速切削，用于精密、超精密及光學(xué)元件的精加工。高速切削刀具材料的發(fā)展?fàn)顟B(tài)是現(xiàn)代制造業(yè)中高速切削加工發(fā)展的重要影響因素。硬質(zhì)合金、金剛石、陶瓷和立方氮化硼刀具材料因其各自的特點與性能，廣泛的應(yīng)用于高速切削領(lǐng)域中。社會進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必然會帶來新型難加工材料的出現(xiàn)，對高速切削材料會提出更高的要求。所以研究具有更加優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高抗熱震性的高速切削刀具是未來高速切削刀具材料的發(fā)展方向13。3.2 高速切削刀具系統(tǒng)對于高速旋轉(zhuǎn)類刀具來說，刀具結(jié)構(gòu)的安全性和動平衡精度是至關(guān)重要的。當(dāng)主

23、軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min時，一方面由于離心力的作用，使主軸傳統(tǒng)的7：24錐度產(chǎn)生擴張，刀具的定位精度和連接剛性下降，甚至發(fā)生連接部的咬合現(xiàn)象。應(yīng)選用經(jīng)過動平衡的高質(zhì)量刀桿與刀具，盡量選用短而輕的刀具，定期檢查刀具與刀桿的疲勞裂紋和變形征兆，及時更換刀具。刀具平衡分為機外動平衡和機上動平衡。機外動平衡需專用機外動平衡機, 由動力裝置提供旋轉(zhuǎn)運動，測出不平衡的質(zhì)量與相位，再通過調(diào)整平衡環(huán)或在特定位置去除材料使刀具系統(tǒng)達(dá)到動平衡標(biāo)準(zhǔn)的要求。機上動平衡則用機床主軸提供旋轉(zhuǎn)運動，其余與機外動平衡相同14。高速切削刀具刀刃的形狀正向著高剛性、復(fù)合化、多刃化和表面超精加工方向發(fā)展。刀具幾何參數(shù)對加工質(zhì)

24、量和刀具耐用度有很大影響，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具約小10°，后角約大5°8°。切削刃邊界的缺口破損和刀尖處的熱磨損是高速切削刀具的主要特征之一15。因此，主、副刀刃在刀尖處應(yīng)逐漸過渡，增大刀尖角，加大刀尖區(qū)切削刃的長度和刀具材料的體積。而在刃形設(shè)計時應(yīng)使邊界處的切削厚度逐漸減薄，以減緩邊界處的應(yīng)力梯度和溫度梯度。同時，高速切削刀具的切削部分應(yīng)盡量短，以提高刀具的剛性和減小刀刃破損的概率。4高速切削工藝技術(shù)高速切削具有加工效率高、加工精度高、單件加工成本低等優(yōu)點。高速加工和傳統(tǒng)加工工藝有所不同，傳統(tǒng)加工認(rèn)為，高效率來自低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進(jìn)給、單行程，而

25、在高速加工中，高轉(zhuǎn)速、中切深、快進(jìn)給、多行程則更為有利。在進(jìn)行高速切削時，工件材料不同，所選用的切削刀具、切削工藝和切削參數(shù)也有很大不同16。鋁合金因具有良好的耐蝕性，較高的比強度，導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，在汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中已經(jīng)大量應(yīng)用。鋁鎂合金大多使用鑄件，這些輕合金的最大優(yōu)點就是其固有的易切特性。輕合金可采用很高的切削速度和進(jìn)給速度進(jìn)行加工，切削速度可高達(dá)1000m/min7500m/min，高速切削使95%98%的切削熱被切屑迅速帶走，工件保持室溫狀態(tài)，熱變形小，加工精度高。高速銑削輕金屬時，由于加工過程存在較大的沖擊載荷，PCD和CBN刀具的壽命特性并不好。當(dāng)切削速度達(dá)到100

26、0m/min時，可使用K型硬質(zhì)合金刀具；當(dāng)切削速度達(dá)到2000m/min時，可使用金屬陶瓷刀具；當(dāng)切削速度更高時，可使用PCD刀具；高速銑削鋁鎂合金時，可使用K10硬質(zhì)合金刀具。高速銑削鋼和鑄鐵時，遇到的主要問題是刀具的磨損。高速銑削鋼材時，刀具使用鋒利切削刃和較大后角可減少刀具磨損，提高刀具使用壽命。刀具的磨損與工件材料的力學(xué)性能有關(guān)。如工件材料的抗拉強度增大，則刀具磨損增加，因此應(yīng)減少每齒的進(jìn)給量。5. 高速切削的應(yīng)用5.1 高速切削在航空、汽車工業(yè)中的應(yīng)用高速切削最早是在飛機制造業(yè)和汽車制造業(yè)得到了成功的應(yīng)用。航空航天工業(yè)中許多零件采用薄壁、細(xì)筋結(jié)構(gòu)，由于剛度差，不允許有較大的吃刀深度，

27、因此，高速切削成為此類零件加工工藝的唯一選擇。飛機上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來由多個鉚接或焊接而成的部件，改用整體實心材料制造，此即“整體制造法”。有的整體構(gòu)件的材料去除率高達(dá)90，采用高速切削可大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，這也是高速切削技術(shù)在飛機制造業(yè)獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。汽車工業(yè)相對航空、航天、船舶和機床等機械加工工業(yè)來說，其突出特點是生產(chǎn)批量大，加工節(jié)拍短，針對單一工件的大批量生產(chǎn),通常采用專機或自動生產(chǎn)線進(jìn)行加工。然而，由于汽車用戶對汽車的多樣化、個性化的要求,迫使汽車企業(yè)的產(chǎn)品換型越來越快，產(chǎn)品品種紛繁多樣，原來單一工件的大批量生產(chǎn)變成了多種工件各自的

28、較小批量疊加成的大批量生產(chǎn)，因此，多年來在汽車制造行業(yè)占統(tǒng)治地位的組合機床（專機）生產(chǎn)線，已無法滿足汽車行業(yè)快速更新的現(xiàn)實需要，專機或?qū)C自動線雖然效率高，但卻限制了加工的柔性，使得機床對加工零件品種變化的適應(yīng)性非常差。高速加工中心的出現(xiàn)，很好地解決了加工柔性和產(chǎn)量、投資與更新的矛盾，滿足了汽車行業(yè)目前多品種、大批量和少投資的要求，同時也滿足了汽車零部件生產(chǎn)的需求17。5.2 高速切削在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用大量的模具有復(fù)雜的三維幾何形狀，傳統(tǒng)的加工方法要把時間和費用花費在將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模型、模型樣品和生產(chǎn)用模型中，而且后道工序基本上要靠手工進(jìn)行鏟刮和拋光。高速切削在模具型腔制造領(lǐng)域的應(yīng)用不僅針

29、對于一些軟材料，還可以用于一些硬材料的表面加工，代替通常的電火花加工18。高速切削生產(chǎn)已逐漸成為模具制造的大趨勢，可大大提高模具生產(chǎn)效率和質(zhì)量。主要表現(xiàn)為：1)高速、高效地加工模具電極。加工銅、石墨等材料的模具電極精度高、表面質(zhì)量好，特別對加工薄壁、復(fù)雜形狀的零件，精度高、變形小，可較好地避免表面損傷。2)代替電火花高速加工各種模具。消除模具拋光的工藝需要，可以替代80% 85%的電火花機床的加工，極大地縮短加工周期，降低成本，改變模具的加工方式。3)鍛模加工。能高速、高效地加工鍛模，表面質(zhì)量好，刀具壽命長，縮短加工的周期，降低成本。同時加工后模具精度高，使用性能好，延長模具的使用壽命。5.3

30、 高速切削在難切削材料上的應(yīng)用在加工難切削材料時，采用高速切削技術(shù)，使用乳化切削液，采用油霧輕度潤滑和冷卻，不但能改善材料的切削狀況，減小切削力，減少刀具的磨損，延長刀具的使用壽命，而且能減少工件的熱變形與加工硬化，提高工件的表面質(zhì)量，大大提高勞動生產(chǎn)率19。強度和硬度高、塑性和韌性高、導(dǎo)熱性差、存在微觀硬質(zhì)點、化學(xué)性質(zhì)活潑等是造成難加工材料加工困難的主要原因。從切削機理角度分析,高速切削技術(shù)能夠在一定程度上改善材料的切削加工性。高速條件下切削難加工材料，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱多，切削層的瞬間溫度高，導(dǎo)致高硬度類難加工材料（如淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高強度鋼）切削層處的硬度下降，起到了加熱切削的作用

31、，能減小被加工材料的塑性變形抗力，降低材料切削加工的難度。高速切削時材料去除率高，切屑流動快，短時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量來不及傳入工件和刀具就被切屑帶走，切削熱對工件表層的影響并不明顯。此種加工機理對于加工硬化傾向嚴(yán)重的難加工材料（如高錳鋼）、化學(xué)性質(zhì)活潑的難加工材料（如鎂合金）以及導(dǎo)熱系數(shù)低的難加工材料（如奧氏體不銹鋼和鈦合金）的切削加工比較有利。6. 高速切削技術(shù)的發(fā)展趨勢展望高速切削加工是切削加工發(fā)展的方向，在未來必將成為切削加工的主流。作為先進(jìn)制造技術(shù)的一項全新的共性實用技術(shù)，高速切削加工技術(shù)將繼續(xù)克服當(dāng)前存在的某些技術(shù)障礙，得到更快的發(fā)展20。（1）在高速加工機床領(lǐng)域，具有小質(zhì)量、大功率的高

32、轉(zhuǎn)速電主軸、高加速度的快速直線電機和高速高精度的數(shù)控系統(tǒng)的新型加工中心將會進(jìn)一步快速發(fā)展。與其配套的高速軸承技術(shù)、高速電機技術(shù)、高速主軸的潤滑基數(shù)、高頻變頻裝置以及高速加工中心的刀庫技術(shù)和自動換刀裝置以及監(jiān)控技術(shù)等將隨之快速發(fā)展。（2）PCD、CBN陶瓷刀具、涂層刀具和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具等作為高速切削刀具材料仍將起主導(dǎo)作用，并且日益廣泛應(yīng)用。但這些刀具材料將隨著高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要，得到新的發(fā)展。（3）加工范圍將擴大，將從鋁合金高速加工擴大到鋼材的高速加工，解決鋼件高速加工存在的技術(shù)難題。（4）將從濕切削走向干切削，解決高速加工使用大量冷卻液造成的污染，并進(jìn)一步研究開發(fā)出適合于干切削的

33、新型刀具，研究開發(fā)干切削加工中心。（5）高速切削機理的理論研究、仿真研究、和虛擬研究等工作將得到進(jìn)一步深入開展，高速切削過程的物理本質(zhì)與變化規(guī)律將被進(jìn)一步弄清。7. 結(jié)語高速加工技術(shù)中高速切削是正在發(fā)展的一項先制造工藝，其加工效率高，工件加工精度及表面質(zhì)量好，整體提升了生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，逐漸取代傳統(tǒng)的切削加工已成為必然趨勢。高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到刀具、機床、工藝、材料、敏捷生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和故障診斷等諸多領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新。隨著各項新技術(shù)的不斷成熟和綜合運用，以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征的高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛。參 考 文 獻(xiàn)1 李忠新