高速切削技术的发展及应用*

唐克岩

(成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山　614000)



高速切削技术的发展及应用*

唐克岩

(成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山614000)

摘要：高速切削技术是先进制造技术的一个重要发展方向，文章介绍了高速切削的概念，阐述了高速加工技术的优点及应用，并讨论了高速主轴单元、高速进给系统和高速切削刀具等关键技术的发展，提出了未来的发展趋势。

关键词：高速切削；关键技术；先进制造技术

0引言

20世纪末，由于科学技术得到了飞速发展，在一定程度上促进了以高切削速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术的快速发展，并逐步成为现代先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削技术在实现高速切削加工、缩短切削工时、提高加工效率的同时，还能获得较高的加工精度和加工表面质量，并能满足某些特殊材料的切削加工要求。近年来，随着大功率高速主轴单元、高性能的伺服控制系统和超硬耐磨耐热刀具材料等关键技术的突破性进展，高速切削技术已在德国、美国、日本等工业发达国家得到迅速发展，已经成为先进制造技术的一个重要发展方向，并已广泛应用于装备制造工业、航空航天工业、模具工业等主要工业部门[1]。当前高速切削技术作为一种先进的切削加工理念，已成为国内外先进制造领域中重要的研究内容之一，在高速切削加工技术中，高速切削机床与刀具系统的设计及制造是基础，高速加工刀具的结构设计与材料选用是保证[2]。装备制造业是国民经济的基础，也是国民经济发展的支柱产业，因此高速切削技术作为一种先进制造技术，对其进行深入的研究具有重要的实际意义。

1高速切削概述

高速切削理论是由德国物理学家萨洛蒙(Carl·J·Salomon) 于1931年提出的，该理论的核心思想是任何一种材料均对应一个临界切削速度，在常规切削速度范围内，即在达到临界切削速度前，切削速度和刀具的磨损均随切削速度的增大而增大，但在切削速度超过临界切削速度后，若继续提高切削速度，切削温度反而降低，而且刀具的磨损也减小。因而高速切削能够大幅缩短切削加工时间，提高生产效率，而且还能获得较好的加工表面质量和较高的加工精度。

目前国际上对高速切削还未形成统一的定义，一般地将采用超硬耐磨耐热材料的刀具，以较高的切削速度、进给速度和较小的切削用量进行切削加工，获得较高加工精度和表面质量的制造技术看作是高速切削。目前对于高速切削速度的范围也没有确切的界定，通常认为高速切削的切削速度英高于常规切削速度的5～10倍以上，进给速度一般为2～25m/min，有的可高达60～80m/min。几乎每一种金属材料都有临界切削速度，只是不同材料的速度值不同而已，而且高速切削速度范围与加工材料和加工方法有很大关系[3-6]。加工材料和加工方法不同，高速切削速度范围也有所区别，例如铸铁的高速切削速度范围为900～3000m/min，而铝合金和钛合金材料的高速切削速度范围则分别为1000～7000m/min和100～1000m/min；高速车削的切削速度范围一般为700～7000m/min，而高速铣削和高速磨削的切削速度范围则分别为600～6000m/min和5000～10000m/min。

2高速切削技术的优点

高速切削技术已经成为集高效、优质、低耗于一体的先进制造技术，与常规切削相比，高速切削主要有以下优点[7-10]：

(1)生产效率高。由于高速切削具有很高的切削速度和进给速度，因此高速切削时单位时间的材料去除率比常规切削有了大幅提高，大大缩短了切削加工时间，而且还有利于在同一台机床上连续完成零件的粗加工和精加工，便于实现工序集中，不仅提高了设备的利用率，而且减少了工件的装卸次数，缩短了辅助工时，也有利于加工效率的提高，因此高速切削特别适用于航空航天、汽车工业和模具制造等对材料去除率要求较大的行业。例如高速铣削某航空铝合金零件时，若将机床主轴的转速由4000r/min提高到20000r/min，则单位时间的材料去除率可增加3倍，生产效率将是普通铣削的4～5倍。

(2)切削力小。虽然高速切削的切削速度很高，但由于切削参数较小，因此同常规切削相比，剪切变形区反而变窄，剪切角增大，使切屑的流出速度大大加快，切削变形反而减小，因此高速切削的切削力比常规切削力降低30%～90%，所以高速切削特别适合于加工机床丝杠、飞机上的机翼壁板等细长轴类、薄板及薄壁类等刚度较差的零件，目前采用高速切削加工飞机上的薄壁零件的壁厚最小可达3～5μm。

(3)热变形小。高速切削具有很高的进给速度和切削速度，能够大大缩短工件的切削时间，因此90%以上的切削热还未传给工件就已被高速流出的切屑带走，因此积聚在工件上的热量极少，由此引起的工件温升也很小，所以因温升而导致的工件热变形甚微，可以忽略不计，故高速切削非常适合于加工细长的、易热变形的、精度要求较高的零件，也适合于加工熔点较低、易氧化的材料。

(4)加工精度高。高速切削机床的结构已经有了很大的改善和提高，机床的激振频率已远高于工艺系统的固有频率，因此高速切削时工件基本处于 “无振动”的平稳状态，加之切削力和切削热的影响较小，所以更容易获得较高加工精度的零件。而且由于在较高切削速度范围内切削，积屑瘤、表面残余应力等缺陷也得到了有效控制，因而高速切削可获得近乎磨削的加工表面质量，有效地减少了后续加工工序。例如高速切削淬硬钢材料时能获得Ra低于0.6μm的表面粗糙度，高速铣削灰铸铁工件时，其表面粗糙度可低至Ra0.63μm，相当于磨削的工艺水平，因此高速切削特别适用于光学仪器及精密制造工业等领域。

(5)可加工难加工材料。由于高速切削具有较小的切削力和切削变形，所以刀具不易磨损，可用于加工某些难加工的材料。如航空航天工业大量采用铝合金、镁合金、镍合金及钛合金等材料，这些材料普遍具有高强度、高硬度、高耐磨性和耐冲击等特性，传统的加工方法存在切削温度高、切削变形大、加工质量差、刀具磨损严重、加工效率低等问题，而高速切削则能有效地减少刀具的磨损，延长刀具使用寿命，提高生产效率，并获得较高的加工表面质量。

3高速切削加工技术的应用

高速切削技术因其独特的优点而越来越受到制造业的关注，近年来高速切削加工技术的应用范围越来越广泛，已广泛应用于航空航天、汽车制造、模具工业、电子行业、光学仪器及精密机械等领域，而且不仅可用于切削各种金属材料，也越来越多地用于切削软材料，如橡胶、各种塑料、木头等[11]。

(1)在航空航天工业中的应用。航空航天产品中有许多具有薄壁、腹板等结构的零件，其刚度较差，加工时易变形，所允许的背吃刀量较小，因而高速切削成为加工此类零件的最佳选择。目前此类零件的加工普遍采用整体制造法进行高速切削，可以省略某些中间工艺环节，材料的去除率可提升至90%，在获得高加工质量的同时，还降低了成本，提高了生产效率，构件的强度、刚度及可靠性等也得到了提升，而且减少了零件数量，降低了飞机的重量。例如采用整体制造法生产F-15战斗机，由于省略了铆接等中间工艺环节，零件的数量减少了42%，加快了装配流程，提高了生产效率。

(2)在汽车制造业中的应用。20世纪90年代，高速切削技术逐渐开始用于加工发动机缸盖、缸体和变速箱等汽车零部件，减少了切削工时，降低了成本，保证了加工质量，提高了生产效率。近年来，随着高速切削关键技术的突破性进展，以高速加工中心为核心的柔性自动生产线逐步代替了单一或少品种加工自动线，并被越来越多的汽车制造企业所采用。美国的福特汽车公司便与Ingersell机床公司合作研制了HVM800卧式加工中心及镗气缸用的单轴镗缸机床[12]。

(3)在模具制造业中的应用。电火花加工是模具制造行业常用的加工方法，但存在加工质量不高，加工效率较低等问题，而且加工后通常还需要钳工对其进行修磨，操作工人的技术水平要求较高，而且易导致模具曲面的形状误差。高速切削不仅能有效缩短模具加工周期，获得较高的模具曲面形状精度和较小的表面粗糙度值，而且还能加工硬度超过HRC60的材料，完全可以代替电火花加工和磨削加工。德国Droop公司生产的FOG2500铣床可用于汽车车身冲压工具和塑料模具加工，加工零件表面粗糙度和精度可达50μm，可取代电火花加工机床[12]。

4高速切削的关键技术

4.1高速切削机床技术

高速切削机床是实现高速切削加工的前提，在满足机床高切削速度的同时，还要求机床具有良好的静、动态特性和高精度以及高稳定性。高速切削机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。高速单元技术主要包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC(Computer Numerical Control)控制系统等；机床整机技术主要包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等[13]。

4.1.1高速主轴

高速主轴部件是高速切削机床的核心部件，应当具有高精度、高刚度、运转平稳和热变形小等优点。目前高速切削机床的主轴转速一般都可以达到10000r/min以上，有的甚至可以高达60000～100000r/min。传统的齿轮传动、带传动等机械传动方式的传动速度较低，且又存在振动、噪音等问题，难以满足高速切削机床的要求，电主轴便应运而生。电主轴去掉了从电机至主轴之间的中间传动环节，直接将驱动电机与主轴有机结合，使机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。目前大多数高速切削机床的主轴是通过交流变频电动机或永磁同步电动机来实现主轴变速，而且还配有润滑装置和水冷或油冷循环系统，保证主轴在高速运转时仍处于“恒温”状态，从而使主轴可以免维护，且能保持较高的精度和延长使用寿命。

4.1.2高速进给系统

传统的机床进给系统一般采用“滚珠丝杠副+伺服电机”的传动方案，在主轴高速转动时，由于滚珠丝杠的转动惯量较大，刚度变差，从而导致摩擦磨损加剧，使传动误差增大，严重影响到机床的动态性能，因此能够实现的进给速度和加速度较小。为了获得高进给速度和高加速度，高速切削机床开始采用直线电机驱动。直线电机驱动能够较好地解决滚珠丝杠副、齿轮传动副的反向间隙、惯性和刚度不足等问题，从而获得较高精度的高速移动，并具有很好的稳定性。直线电机驱动能够实现的最高进给速度可以达到80～180m/min，最高加速度可以达到2～9g。例如在未安装直线电机驱动的高速机床上加工某大型飞机薄壁零件需3h，而在采用直线电机驱动工作台的高速机床上加工该零件仅需30min，加工效率得到了大幅提升。

4.2高速切削刀具技术

高速切削刀具是实现高速切削的重要保证，因此选择合理的刀具材料及刀具系统对提高零件加工质量，延长刀具使用寿命，降低加工成本，提高加工效率均具有重要的意义。

(1)刀具材料。高速切削时具有很高的切削温度，这就要求刀具材料必须具备优良的热稳定性和高温力学性能，还要具备很好的耐磨性和抗冲击性能，而且与被加工材料的化学亲和力要小，同时还要能满足某些难加工材料及新型材料加工的需要。目前用于高速切削加工的刀具材料有硬质合金涂层刀具、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)、以及高速钢、硬质合金等[14-15]。这些刀具材料各有特点，适合于加工不同的工件材料，选择时应当根据具体的工件材料并兼顾零件生产批量的大小综合考虑。

(2)刀具系统技术。传统的标准7：24锥度刀柄因连接刚度低，动平衡性差，重复定位精度低而无法满足高速切削加工的要求[16-17]，因此为了满足高速切削的要求，必须提高刀具与机床主轴的连接刚度，这就对刀具系统提出了新的要求。目前较为成功且应用较广的刀具系统主要有两大类：一类是改进传统的7：24锥度刀柄，这类刀柄如日本的BIG-PLUS系列、美国的WSU系列等，此类刀柄同时与机床主轴的锥面及端面相接触，增加了接触刚度，且具有较高的重复精度和跳动精度。另一类是新设计的刀柄系统，此类刀柄如美国的KM系列、德国的HSK系列及日本的NC5系列等，此类刀柄具有刚度好、转动惯量小、重复定位精度高、夹紧可靠等优点。

此外，刀具几何参数对工件加工质量和刀具寿命也有很大的影响，因此高速切削刀具的前角一般设计的比普通切削刀具小10°左右，后角则要大5°～8°，而且通常采用冷缩式刀具夹紧方式，即先将刀柄加热，使刀杆孔受热膨胀，待其冷却后再夹紧刀具，这样在高速切削时仍能保持较高的夹紧可靠性，较高的刚性和良好的动平衡性。

5高速切削技术的展望

高速切削技术作为新兴的先进制造技术之一，其发展历史不长，与之相关的技术比较多，需要解决的技术难题也比较多，还具有很大的发展潜力，而且随着新材料、新工艺的不断涌现，对高速切削技术有了更高的要求，其未来的发展趋势主要有：①新型的大功率高速数控机床及多轴加工中心的开发与研制；②在陶瓷、PCD、CBN、超细晶粒硬质合金等刀具材料广泛应用的基础上，加快对具有更好的抗振性、耐磨性、热稳定性、寿命长的刀具材料的研制；③高速切削可切削工件材料及切削工艺范围将进一步拓宽，能有效解决难加工材料的加工难题；④在对高速切削机理和切削工艺深入研究的基础上，逐步从湿法切削推广到干式切削的绿色制造技术，以解决冷却液所造成的污染，适合于干式切削的新型刀具和机床的工艺装备也将得到研发；⑤开发对高速切削过程和加工状态的在线监控系统，以进一步提高工件的加工精度与表面质量。

6结束语

高速切削技术是一项复杂的系统工程，它在自身快速发展的同时，也带动了其他相关技术的发展与研究，高速切削技术作为21世纪一种先进实用的高新制造技术，已成为制造业发展的必然趋势。而且随着对高速切削技术的研究不断深入，高速切削技术的巨大潜能将得到更充分的发挥，也必将对机械制造业产生重要而深远的影响。

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(编辑赵蓉)

The Development and Application of High Speed Cutting Technology

TANG Ke-yan

(College of Engineering & Technical,Chengdu University of Technology, Leshan Sichuan 614000, China)

Abstract：High speed cutting is an important development direction of the advanced manufacturing technology. The concept of high speed cutting is introduced firstly in this paper. Then the advantages and application of high speed cutting are expounded. And more attention is paid to the development of the key technology about the high speed cutting, such as high-speed spindle unit, high-speed feed system and high-speed cutting tool technology etc. And the development trend of the future is proposed.

Key words：high speed cutting;key technology;advanced manufacturing technology

中图分类号：TH164；TG506

文献标识码：A

作者简介：唐克岩(1980—)，男，成都理工大学副教授，博士，研究方向为先进制造技术，机械设计与理论，(E-mail)tankwang1314@163.com。

*基金项目：四川省教育厅自然科学基金项目(12ZB191)；乐山市科技局研究项目( 14GZD049)；成都理工大学工程技术学院青年科学基金项目(C122014020)

收稿日期：2014-08-29；修回日期：2015-01-15

文章编号：1001-2265(2015)12-0001-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.001