高速加工技术及其应用进展

李丙才，张宏良

(兰州理工大学，甘肃 兰州 730050)

高速加工技术及其应用进展

李丙才，张宏良

(兰州理工大学，甘肃 兰州 730050)

摘要：在概括总结了高速加工技术特点和关键技术的基础上，分析了高速加工各个关键技术的应用及发展状况，重点从高速加工技术的机床制造、刀具材料和刀具制备以及高速切削的冷却与润滑等方面论述了高速加工技术的应用和发展，总结了高速加工技术在制造业的应用现状和面临的难题，最后指出了高速加工技术的发展趋势以及其存在的技术难点。

关键词：高速加工；关键技术；刀具

高速加工因切削力小、切屑导热快和切削效率高等优点在当今制造业具有广阔的应用前景，其中，高速加工关键技术研究作为高速加工技术应用的支撑显得十分重要；然而，高速加工技术的发展却受到加工机床技术、刀具技术和冷却液技术等的发展制约。高速切削加工在现代机械加工中得到越来越广泛的应用，被誉为21世纪机械制造业的一场技术革命[1]。

刀具材料技术和刀具制造技术的发展以及高速电主轴在数控机床上的成功应用使得高速加工技术在机械制造中得到广泛应用，高速切削已经从试验研究阶段进入实际应用阶段，技术越来越成熟，应用越来越普及。高速切削被广泛用于加工金属材料和非金属材料工件，无论是加工有特殊表面形状的零件还是高硬度材料的零件，高速切削都体现出了独特的优势；同时，其在实际应用中更强调高速加工的实用性和综合性。

1高速加工技术

1.1高速加工的概念

高速加工是指采用超硬材料刀具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备来提高切削速度，从而达到提高材料切除率、加工精度和加工质量目的的先进加工技术。高速加工是采用高主轴转速、高进给率和小背吃刀量的加工技术，高速性主要体现在主轴的高转速和高进给率方面。

高速加工中，不同的加工材料和不同的切削方式对应着不同的切削速度。高速切削铝合金时，切削的速度范围是2 000～7 500 m/min；高速切削普通钢时，切削的速度范围是600～800 m/min；高速切削的速度范围是700～7 000 m/min；高速钻削的速度范围是200～1 100 m/min；高速磨削的速度范围是150～360 m/min[2]。通常把切削速度超过传统加工速度5～10倍的切削加工称为高速加工[3]。

1.2高速加工的特点

与传统切削相比较，高速切削加工的优点如下[4-6]：1)加工效率提高，高速切削时工件材料的切除率比传统切削高3～6倍；2)切削力小，小背吃刀量高速切削时切削力降低30%；3)工件接受热量少，高速切削时切屑带走大量的切削热，只有少部分传给工件；4)加工精度高，表面质量好；5)高速切削加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量；6)能加工各种难加工材料，例如镍基合金和钛合金。

2高速加工关键技术

2.1高速主轴单元制造技术

高速加工技术的核心是高速切削，因此高转速的主轴是高速加工机床的关键部件[7-8]。高速电主轴是为了适应高速切削而发展起来的新机床功能部件，其最高转速为180 000 r/min，电主轴的高转速要求其具有高的刚度及高的回转精度，以减小转动惯量和振动。电主轴的设计与制造中多采用先进的轴承及可靠的轴承冷却与润滑技术，以保证电主轴的平稳转动和电主轴系统的温度平衡。

高速电主轴采用的轴承主要有陶瓷球轴承、静压轴承、动静压轴承、气浮轴承和磁悬浮轴承。陶瓷球轴承采用硬度高且质量小的陶瓷滚珠，使轴承的离心力和磨损减小，提高了轴承的使用寿命；气浮轴承和磁悬浮轴承可以满足高转速旋转要求，其高速性能好、精度高；静压轴承因其非接触式的结构而使得磨损小，回转精度高；动静压轴承较好地结合了动压轴承与静压轴承的优点，适合于高速加工机床。目前，动静压轴承技术已经在国内外高速加工机床中被大量运用[9]。

2.2高速加工进给系统

高速进给系统是高速加工机床切削运动快速响应的必要条件，为了实现高速切削时的瞬时高速进给和准确停止，进给系统的加速度要满足需要。高速进给系统采用直线电动机驱动，直线电动机取消了变速和传动部件，输入电能直接输出直线运动，传动精度高。高速加工机床多采用交流直线电动机，交流直线电动机有永磁式和感应式2种，其中永磁式直线电动机制造工艺复杂，维护成本高，限制了其在高速加工中的应用；感应式直线电动机便于安装和维护，在高速加工机床上的应用已得到满意的效果。高速加工控制系统的响应速度要与硬件系统相适应，这样才能更好地发挥高速机床的速度优势。

2.3高速加工刀具

高速切削加工技术的发展过程中，为了满足生产中难加工材料的加工要求，对刀具技术的要求越来越高，刀具需满足高速切削、干式切削、高进给切削、大余量切削和高效复合切削等高速高效加工方式的要求[10]。

高速加工技术和刀具技术的发展是相辅相成的，刀具技术的发展总是要满足高速切削技术发展的要求，同时也制约着高速切削技术的应用。目前与高速切削技术相适应的刀具有：硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和金刚石刀具等[11]。为了适应被加工材料的切削速度范围，可以针对不同的被加工材料选用能够满足其切削速度的材料来做刀具。

难加工材料的粗加工常采用碳化钨基硬质合金刀具；碳化钛基硬质合金刀具强度低，有冲击和振动的切削会破坏刀具；涂层刀具主要用于精加工；陶瓷刀具硬度高且耐高温，可以高速切削高硬的难加工材料；金刚石刀具用来切削非金属材料；受立方氮化硼制造技术的限制，立方氮化硼主要用于制作磨料和磨具。

高速切削加工需要考虑刀具材料和工件材料物理、化学性能的配合，同时也要考虑工艺条件的限制，既要根据工件材料选定刀具材料和切削参数，也要提高刀具装夹的精度、可靠性及选用优良的刀具、刀柄技术等[12]。研究和制造高速切削用刀具系统是高速加工技术大量生产与应用的前提。

2.4高速加工机床的支承制造技术

高速切削时电主轴的高速旋转以及工件和刀具系统的大加速度运动都会产生较大的惯性力，机床床身要有足够的刚度和阻尼来消除其影响。为保证高速切削的稳定性，要求机床结构具有很好的动、静态特性。在高速加工机床的运动部件制造中，采用钛合金、铝合金或复合材料可以减小运动动量和转动惯量。

高精度的高速切削对机床温度场有很高的要求，机床的结构设计要保证机床各运动部件产生的热量保持平衡，也要考虑外部热源对机床的作用。对机床各系统的冷却是高速加工机床应考虑的问题，对于切削刀具，需采用与切削工艺相适应的冷却液进行散热。

2.5高速加工冷却润滑技术

相对传统的切削速度，高速切削产生的热量很大比例被切屑带走，但是切削速度的提高使单位时间内总体的切削热量增加，采用合理的冷却润滑方式可以提高刀具耐用度和工件的表面加工质量。

传统的外冷却方式采用喷嘴喷射冷却液进行冷却，喷嘴对刀具和工件的喷射角度及喷射距离要求严格。带有喷射内孔刀具的高速切削的冷却更加有效，但其结构复杂和对机床、刀具系统的要求高。气体射流冷却在高速加工中更有利于冷却和排屑，在高速切削中采用油气、油雾和水蒸汽等混合液冷却可以得到更好的冷却、润滑与排屑效果。工件材料、刀具材料、切削参数、相应冷却液的采用以及冷却润滑方式之间的合理搭配是解决高速切削冷却润滑的有效途径。

3高速加工的应用

3.1高速加工在模具制造业中的应用

随着高速加工机床、机床数控系统、高速切削刀具系统、CAD/CAM软件等技术的发展和应用，高速加工技术越来越多地被应用于模具的制造加工当中[13]。

模具制造在现代制造中所占比例逐步上升，模具的高速加工可以提高加工效率，模具材料多为高硬度的难加工材料，这让高速切削得以充分发挥其优势。可以切削高硬材料的刀具及快速响应的数控加工技术使高速加工技术在模具加工应用中表现出高速和高效。

现代模具的外表面中自由曲面所占比例不断上升且模具对表面精度要求较高，自由曲面的高速切削加工对高速切削机床、CAD/CAM软件和数控系统都提出了更高的要求。合理规划刀位路径可以减少机床的加、减速频率，提高曲面高速切削的精度和效率。

3.2高速加工在航空制造业中的应用

高速切削技术具有加工效率高、切削负荷低、传入工件的切削热少及加工变形小等显著优点，20世纪90年代中期已成功应用于航空制造业，并取得了显著的经济效益[14-16]。

飞机结构件中有很多薄壁件，在加工过程中极易产生加工变形。飞机零件结构复杂，其加工余量大。结构件的尺寸精度和表面粗糙度要求高，高速切削加工飞机薄壁零件有助于降低切削力，减小加工变形，提高加工精度和加工效率。高速切削时切屑排出速度块，切屑可带走大部分切削热，使散热效率提高，减小了工件表面的切削热。

4结语

高速加工主要用于切削速度高和工件切除率相对低的机械加工，高速加工机床是高速切削技术实现的载体。在机床设计和刀具耐用度提高的基础上，配合高速加工技术的应用，能够进一步降低加工成本。高速切削以更高的切削速度和更小的切削力使机械加工能够直接得到理想的表面质量，因其切削力减小，使得薄壁类零件的加工质量得到保障。高速加工复杂曲面时，合理地规划刀具路径，保证恒定的高速切削速度，可以得到更好的加工质量。

高速加工技术的高速特点对高速加工机床提出了在足够刚度条件下尽可能减小机床质量的设计要求，运用现代设计手段，研发和采用新型材料能很好地达到上述目标。支承电主轴的轴承应与电主轴更合理地搭配，同时采用喷油可更好地润滑轴承。开发高耐用度刀具的同时，运用CAM技术合理规划刀位路径，改善加工工艺，也是获得高速切削的途径。

参考文献

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[14] 何宁,杨吟飞,李亮,等.航空结构件加工变形及其控制[J].航空制造技术,2009(6):33-35.

[15] 吴国亮,朱琳华.高速高效加工在航空零件制造中的作用[J].洪都科技,2006(4):17-20.

[16] 赵立,刘迎春.高速加工技术在加工旋翼夹头中的应用[J].沈阳航空工业学院学报,2008,25(4):60,62.

责任编辑李思文

High Speed Machining Technique and Recent Progress of It’s Application

LI Bingcai, ZHANG Hongliang

(Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract:On the basis of summarizing the key technology of high-speed machining, analyzed the application and development of key technologies on high-speed machining, discussed the application and development in high-speed machining technologies which includes manufacturer of high-speed machine, the material of cutting tools and the manufacturer of cutting tools, the coolant and lubrication of cutting tool, and summarized the application status and problems of high-speed machining technologies on manufacturing sector. Finally, the technical difficulties and the development trend of high-speed machining technology were proposed.

Key words:high-speed machining, key technologies, cutting tools.

收稿日期：2014-05-21

作者简介：李丙才(1961-)，男，研究员，主要从事数控技术等方面的研究。

中图分类号：TG 506.1

文献标志码：A