高速切削技术的研究与发展*

2022-04-01沈宇峰许爱军

新技术新工艺 2022年2期

沈宇峰，许爱军

(1.长沙航空职业技术学院航空机械制造学院，湖南长沙 410124；2.航空工业长沙五七一二飞机工业有限责任公司，湖南长沙 410114)

切削加工是当前机械制造领域应用较为广泛的加工方法[1]，提高切削加工效率、降低生产成本，对促进国民经济和国防建设具有重要的现实意义。随着数控自动化技术的普及和发展，工件加工的辅助时间大为缩减，与之对应的切削加工所占的时间比例增大(零件加工的总工时为辅助时间与切削加工时间之和)，进一步提高加工效率就必须降低切削工时[2]。降低切削工时的主要方法是提高切削速度和切削深度，而随着精密制造的不断发展，以提高切削深度的大余量切削的发展前景受限。高速切削可在降低切削工时的同时，减小切削力，提高工件表面的加工精度，已在航空航天、国防工业、电子和精密机械等行业得到广泛应用和证明[3]。因此，高速切削技术已成为当前国内外先进制造领域中的重要研究内容之一[4]。本文对高速切削技术的特点与应用、高速切削机理、高速机床与刀具技术、高速切削工艺等方面对高速切削的关键技术进行了研究，并预测其发展方向，以期为我国高速切削技术的发展提供参考性建议。

1 高速切削技术的概述

德国物理学家萨洛蒙(Carl·J·Salomon)最早提出“高速切削”这一观点，其核心理念是任何一种零件材料都对应一个临界切削速度，当切削速度小于临界切削速度时，切削力和切削温度随着切削速度的增大而增大；当切削速度大于临界切削速度以后，切削力和切削温度随着切削速度的增大反而减小[5]。因而，高速切削可在降低切削工时的同时，降低切削温度，减少刀具磨损，改善零件加工表面质量。目前对于高速切削的速度没有准确的定义，一般有如下两种定义方法：一种是以切削速度来划分的，切削速度超过常规切削速度的5倍以上时，即为高速切削；另一种是以主轴的转速来划分的，当主轴转速超过8 000 r/min时，即为高速切削[6-8]。在生产实践中，高速切削的速度还与零件的材料和加工方法有较为密切的关系，因而无法对其速度有较为准确的定义。此外，高速切削不仅是切削速度的高速化，还是建立在高速切削机理、高速切削关键设备技术、高速切削工艺等基础之上的一个复杂的系统工程[9]，随相关技术发展而不断追求技术和效益的有机统一。

2 高速切削技术的优点与应用

与传统普通切削相比，高速切削技术的优点与应用主要表现在如下几个方面[10-15]。

1)高去除率，降低生产成本。

高速切削时，主轴转速和进给速度的大幅提高使得单位时间内的材料去除率大幅提高，切削工时大大减少，有效地提高了加工效率，生产成本也随之降低。在航空航天、汽车、模具等制造领域中，一些整体构件的材料去除率较大，利用高速切削可产生巨大的经济效益。

2)切削力小，减少加工变形。

与常规切削相比，高速切削时切削力小(至少降低30%)，剪切角增大，使得切屑流出的速度加快，切削变形小。利用这一特性可有效减少刚性较差工件的加工变形，特别适合薄壁、飞机腹板等零件的加工。

3)切屑散热，热变形小。

高速切削的时间短，加工过程发生于一瞬间，90%以上的切削热随切屑排出机外(来不及将热量传递给工件)，工件表面积聚的热量少，热变形小。利用这一特性，高速切削对加工易热、易变形且精度要求较高的零件和熔点较低、易氧化的材料(如镁)具有重要的现实意义。

4)切削平稳，精度高。

高速切削时，主轴转速高，旋转刀具的激励频率与机床系统的固有频率差距较大，不会造成机床系统的受迫振动，加工过程平稳；加之切削力小，积热少，刀具与工件的热变形小，二者之间的摩擦少，加工表面精度高。高速切削的这一特性使得其在精密加工、特种加工、光学工业等领域得到了广泛的应用。

5)简化工艺流程，提高生产效率。

淬火后的材料硬度高、强度高，常规切削无法进行加工，必须经过放电加工，而放电加工又会使工件表面硬化，需后续的工序处理，工艺流程复杂。高速切削可直接加工硬度高的材料，省去时效处理等部分中间工序，简化工艺流程，提高生产效率。此外，高速切削的切削力小，可使用半径较小的刀具加工小圆角和一些精细结构，省去了后续的钳工清理等工序。

3 高速切削关键技术的研究

3.1 高速切削机理的研究

高速切削机理是高速切削技术的核心和基础，在整个高速切削体系中起指导作用。高速切削机理与传统普通切削机理的不同主要表现在切削原理、切削热与切削温度、切屑成形等方面。高速切削加工的原理如图1所示[16-18]，刀具切削速度的增大使得刀具与工件之间的挤压力和刀具与切屑之间的摩擦力增大，不断增大的摩擦力使得刀具与切屑接触区域的温度升高，不断升高的温度达到工件材料的熔点时，接触区域的部分呈熔融状态，熔融状态下的部分可起到润滑的作用，降低摩擦因数。区域摩擦力的降低使得断屑成为一种几乎不受阻力的切屑流，减小了切屑对刀具的作用力。此外，与传统的普通切削加工相比，高速切削的剪切角增大，则对应的横截剪切面减小，工件的塑性变形区域减少；大部分热量聚集在切屑上排出机外，很小一部分热量被传送到刀具和工件上。

高速切屑成形机理是高速切削机理的核心内容，锯齿状切屑是高速切屑的主要表现形态。锯齿状切屑是一种典型的材料力学失稳状态，其切削力和切削温度呈周期性变化状态[19-20]，影响整个高速切削过程。对于锯齿状切屑形成机理的研究主要有两大理论体系：基于热力耦合作用的绝热剪切理论[21-23]和基于动态力作用的周期性脆性断裂理论[24-26]。绝热剪切理论认为锯齿状切屑是由于材料在高应变率下，大塑性畸变产生的热量堆积造成的局部高温引起的热软化效应超过材料的应变硬化效应而产生的热塑性失稳现象(见图2a)[27]。脆性断裂理论认为锯齿状切屑是由于周期性断裂而产生的，首先在切屑表面产生裂纹(见图2b)，并逐步沿着剪切带向内部扩展，最终导致突变失效而产生锯齿状切屑。前者的理论基础是传热学，后者的理论基础是断裂力学。山东大学的杨奇彪等[28]对这2种理论进行了总结，对于塑性材料或在切削过程中转化为塑性材料的脆性材料形成的锯齿状切屑可用绝热剪切理论解释，对于脆性材料的锯齿状切屑的形成可用周期性断裂理论解释。总之，对于高速切削过程中锯齿状切屑的形成机理缺乏统一的认识，需要进一步的研究。

3.2 高速切削关键设备技术的研究

1)高速切削机床。

高速切削机床作为高速切削加工的基础核心设备，主要包括主轴系统、快速进给系统和CNC控制系统等机构。高速主轴系统作为核心的关键技术之一，应具备如下性能要求[29-31]：a.结构紧凑，启停性能好；b.高转速和宽转速范围；c.高刚度和高回转精度；d.热稳定性好；e.先进可靠的润滑、冷却系统；f.稳定的监测反馈系统。为满足上述性能要求，高速主轴直接做成电主轴(电动机和主轴合二为一)的形式，主轴内部采用交流伺服电动机直接驱动的集成化结构。

高速主轴必须配以快速进给系统配合使用，传统的滚珠丝杠螺母副的进给机构传动效率低，无法满足其性能要求。为适应高速精准化的要求，导轨采用内嵌球轴承的直线结构(接触面积小，摩擦力小)；为获得较高的进给速度和加速度，进给机构可采用高质量的小螺距滚珠丝杠，电动机可采用先进高速的直线电动机(直线电动机消除了传动间隙，减少了传动摩擦，实现了“零传动”，传动精度高[32-33])。

高速切削加工时，要求CNC控制系统具有如下性能：a.快速处理数据的能力；b.前瞻计算控制功能；c.几何补偿和热补偿功能。传统的将CAD数据转换为点到点的刀具路径轨迹已无法满足上述性能要求，可采用NURBS插补、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。

2)高速切削刀具。

高速切削过程中，刀具的磨损与平衡失效是高速切削加工中的普遍现象[34]。为满足现代高速加工技术的要求，高速切削刀具应“三高一专”——高精度、高效率、高可靠性和专用化[35-36]，其对应的技术基础为刀具材料、涂层和刀具结构。刀具的材料和涂层对高速切削加工技术的发展意义重大，高速刀具材料和涂层主要有如下几种：TiCN基硬质合金刀具、陶瓷刀具、金刚石刀具、PCBN(人造立方氮化硼)刀具等。TiCN基硬质合金刀具和陶瓷刀具主要适用于钢及其合金的高速加工；金刚石刀具主要适用于铝合金、钛合金、铜合金、有色金属和非金属材料的高速加工；PCBN刀具主要适用于铸铁合金、淬硬钢、镍基合金等高温合金材料的高速加工。

刀具的结构参数直接影响刀具的使用寿命和零件的加工质量。与传统普通加工的刀具相比，高速切削刀具的前角较小(一般小10°)，后角较大(一般大5°～8°)。为提高高速刀具的刚度，减少刀具磨损，可通过增大刀尖角(主、副切削刃连接处可采用修圆刀尖或倒角刀尖)和加大刀尖附近切削刃的长度。此外，由于高速切削时主轴的转速较高，高速旋转的刀具结构必须满足平衡品质的要求。

高速旋转下，为避免高速离心力对刀具造成损坏，刀夹装置必须保持足够的夹持力和安全可靠性。当前，两面定位刀柄主要有两大类：一类是通过对传统实心BT刀柄的技术改进，如日本的BIG-PLUS系列等；另一类是通过创新型设计的1∶10中空短锥刀柄系统，如德国的HSK系列等。传统的锥度为7∶24的实心BT刀柄定位精度不高，连接刚性不足，无法满足高速切削加工的要求[37]。为保证足够的夹持力和定位精度，开发了与主轴内孔锥面和端面同时定位的紧密贴合型刀柄。

3.3 高速切削工艺技术的研究

高速切削加工工艺与传统普通加工工艺有很大的不同，高速切削工艺设计原则是充分发挥高速切削的优势，设计合理的工艺方案，从而达到高效率与高质量。高速切削加工工艺技术的研究主要包括切削方式、切削用量和走刀方式的选择。

高速切削时应尽量采用顺铣加工，这是由于顺铣时，切削厚度由大变小，刀齿在切削表面的滑动距离小，走过的路程短，工件表面的光滑性好；而逆铣时，切削厚度由小变大，刀具与工件之间的摩擦增加，径向力也大大增加，加之刀刃处会产生大量的热量导致刀具易磨损；高速切削时，不同刀具切削不同材料的工件时，切削用量的选择也不尽相同，但高速铣削切削用量的选择原则一般是中等的每齿进给量、较小的轴向切深和适当大的径向切深[38]。走刀方式的选择主要包括走刀方向的优化、走刀路径的优化和柔性加减速。走刀方向的优化，应以曲面的平坦性为评价依据；走刀路径的优化原则是简单、光滑，可采用圆弧过渡的方法加工干涉区；对于柔性加减速，应选择合适的加减速方法，减少启停冲击，保证机床的加工精度。

4 高速切削技术的展望

4.1 加强高速切削机理的深入研究

在高速切削加工的理论方面，虽然国内外进行了大量研究，也取得了一些研究成果，但总体上还无法满足生产实践需求，还需进一步的深入研究。可以从如下几个方面加强高速切削机理的深入研究：1)切削力和切削热分布规律的数字化描述与预测；2)难加工材料、复合材料、微细切削加工切屑形成机理的研究；3)刀-屑界面摩擦学行为描述与刀具磨损机理的研究；4)刀具寿命的监控和预测；5)切削动力学的时域、频域建模分析。

4.2 加快超高速大功率机床的研制

超高速大功率机床是高速切削技术发展的必然结果，虽然我国在超高速机床技术方面进行了一些研究，但与国外的先进技术相比尚有一定的差距。超高速大功率机床的研究主要包括：1)大功率、超高速主轴单元技术；2)超高速进给单元技术；3)超高速CNC系统技术。大功率、超高速主轴技术的研究主要包括主轴的材料与结构优化、超高速精密轴承的设计与开发、主轴自平衡技术、主轴多目标优化技术等。超高速进给单元技术的研究主要包括高速直线进给电机技术、高加减速控制技术、高速位置芯片环的研制、精密大导程丝杠副的研制等。超高速CNC系统技术的研究主要包括平滑加减速特性的智能控制、前馈控制和误差自动补偿技术。

4.3 新型刀具材料与结构技术的研究

刀具的材料和结构随着高速切削技术的发展需求而发展。陶瓷刀具在高速切削领域的应用较为广泛，但其强度、断裂韧性和抗热震性还应进一步的优化，可从梯度功能陶瓷刀具、纳米与微米复合陶瓷刀具和晶须与颗粒协同增韧补强的陶瓷刀具几个方面来进行优化研究。涂层刀具在高速切削加工领域潜力巨大，但现有的涂层物质(如TiCN等)的耐热性和耐磨性不高，应进一步研究新型的涂层技术、涂层材料，尤其是研究开发自润滑的高速干切削的涂层刀具。在刀具的设计方面，多功能和专用刀具是今后的发展方向。多功能刀具的优势主要体现在加工中心上，可减少换刀次数和刀具数量，提高生产效率，降低生产成本。在加工生产线中，可针对某个具体的工艺开发专用刀具，以此来提高生产效率。

4.4 构建智能化高速切削云加工数据库

高速切削加工数据库能根据生产需求智能提供面向切削现场的工艺数据。高速切削数据库的核心是基于切削力模型、切削温度模型、刀具磨损模型和工件表面质量模型的智能预测，然而随着新工艺和新技术的不断发展，使得切削数据库具有很强的时效性。当前可利用云计算技术和人工智能理论，以高速切削过程中的物理模型为基础，结合生产实际和大量的切削试验，构建智能化高速切削云加工数据库。

4.5 高速切削过程在线监测技术的研究

高速切削过程中，刀具的振动和磨损对工件加工表面质量的影响至关重要，对刀具状态和工件表面质量的在线监测是高速切削技术的发展方向。在线监测是将刀具的振动和磨损与工件表面质量建立联系，并根据大量的生产实际经验设置合理的坎值，通过监测刀具振动信号是否正常、工件表面粗糙度是否合格，反馈调节工艺参数，更换刀具，调整设备，保证高速切削正常进行。

4.6 以干切削为主的绿色切削技术的研究

高速切削可以在一定程度上减少能源消耗，但在高速切削过程中无法避免地使用了大量的冷却液，对环境也造成了一定的污染。绿色环保、节能减排是今后制造业的主要发展方向，以干切削为主的绿色切削是未来高速切削的重点研究领域。干切削是一种加工过程不用或微量使用切削液的加工技术，在减轻污染的同时，还可省去与切削液有关的装置，简化生产系统，降低生产成本。