高速切削技术及其应用分析

吴光辉

摘要：高速切削技术是一项先进的制造工艺，已成为切削加工的重要发展方向。文章明确阐述了高速切削加工技术的含义，在高速切削机床、高速切削刀具材料及其应用领域进行论述，提出改善刀具寿命、缩短加工周期、提高生产效率的基本方法。

关键词：高速切削；切削技术应用；应用分析；刀具材料

中图分类号：TG506

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)04-0086-02

高速切削加工技术是一种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新技术，通常将切削速度和进给速度达到常规机床5～10倍的切削加工称之为高速切削。也有将主轴转速达到10000r／min，快速进给速度40m／min以上，平均工作进给速度10m／min以上，最大工进速度30m／min以上，进给加速度0.3g以上的切削加工定义为高速切削。根据Salomon的高速切削理论，高速切削应为切削温度不再随切削速度的提高而上升，且以高切削速度、高切削精度、高进给速度与加速度为主要特征的切削加工。

一、高速切削的发展

高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙博士于1929年进行了超高速切削模拟试验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，切削速度进一步提高，超过这个速度范围后切削温度反而降低。同时，切削力也会大幅度下降。1984年德国国家研究技术部组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所为首，包括41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床刀具、控制系统以及相关的工艺技术，对各种工件材料的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了好的经济效益。

日本于20世纪60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现在超高速切削时，工件基本保持冷态，其切要比常规切热得多。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。进入20世纪90年代以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者。

二、高速切削机床

高速切削机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴，具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统，又是高速机床的关键所在。分述如下：

1．高速主轴。近年来，高速主轴技术得到了迅猛发展，电主轴和高速精密轴承的应用大大提高了主轴转速。

电主轴是为适应高速切削而研制的新颖功能部件。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、响应快、振动小、噪声低等特点，因此可置于加工中心刀库中作为可更换刀具的主轴。现已有专业化生产厂，可按系列提供产品，最高转速已达180000r／min。

高速精密轴承是支撑主轴高速化的关键零部件，分为接触式轴承与非接触式轴承两大类。在高速接触式轴承中，最常用的润滑方案有两种。一种是将极少量的润滑油与大量的洁净空气分两路输出至轴承，油液用于润滑，空气用于冷却。另一种是在轴承处直接喷射经过冷却的高压润滑油；非接触式轴承有空气轴承，液体动、静压轴承，磁悬浮轴承等。其摩擦仅与流体自身的摩擦系数有关，因而比接触式轴承有高得多的最高允许转速。

2．直线电机进给驱动系统。要满足高速切削加工轴向直线进给的高速度和高加速度，只有采用直线电机驱动系统。直线电机驱动系统可直接驱动机床工作台，消除了中间传动环节，提高了驱动系统的进给速度、加速度、刚度和定位精度。

满足高速机床进给驱动要求的交流直线电机，按励磁方式分为永磁式直线电机和感应式直线电机两种。美国In-gersoll公司在HVM8加工中心的轴向进给系统中首先采用了永磁式直线电机，使进给速度达到76.2m/min，进给加速度达到1.5g。北美GE Fanuc Automation与其他公司联合开发的高速机床采用了直线电机进给驱动系统、全数字CNC控制系统和高分辨率反馈装置。其进给加速度达到1.5g，当进给速度为3g.1～76.2m／min时，其轮廓形状尺寸精度达到3～5μm。

三、高速切削刀具材料

高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，抗冲击，耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等。

涂层硬质合金刀具因涂层的不同而具有切削多种材料的能力。如日本黛杰公司开发的JC110涂层刀具。切削碳钢的速度可达360m／min。而金刚石涂层刀具切削铝合金时，在进给速度为3m／min时，其最高切削速度可达2500m／min。

陶瓷刀具的强度、断裂韧性、搞冲击能力等都有很大的提高，且由于其优异的化学稳定性、热稳定性和良好的耐磨损等特性，能以比硬质合金更高的切削速度进行切削加工。立方氮化硼是高速切削淬硬钢、冷硬铸铁、钛合金等材料的最理想的刀具材料。聚晶金刚石刀具则是高速切削铝合金、镁合金、硅合金等有色金属和非金属等材料时的理想刀具材料。

四、高速切削的应用

高速切削是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。在航空、模具和汽车等行业中广泛应用。

高速切削的应用领域首先在航空工业轻合金的加工。飞机制造业是最早采用高速切削的行业。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大，这正是高速切削的用武之地。

模具制造业也是高速切削应用的重要领域。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小，浅腔大曲率半径的模具完全可用高速切削来代替电加工；对深腔小曲率的半径的模具，可用高速切削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高，周期缩短。

汽车工业是高速切削的又一应用领域。汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司，凡技术变化较快的汽车零件，如气缸盖的气门数目及参数经常变化，现一律用高速加工中心来加工。

五、结语

高速切削加工采用高的切削速度和进给速度，小的径向和轴向切削深度，切削力小，加工表面粗糙度很小。刀具寿命提高；用高速切削加工方式替代传统加工方式加工模具，可以省去电火花加工和手工磨修，提高了模具加工的生产率，降低了生产成本，缩短了加工周期；在研究高速切削加工时，要与高速切削工艺技术紧密结合起来，真正实现高效率、高精度和高可靠性的目的。