高速切削加工的介紹

    撰文:常州蘭生公司刀具部     戴軍

高速切削加工技術(shù)是一種用比常規(guī)切削高得多的切削速度進行切削加工的高效新技術(shù)，高速切削加工可用于加工有色金屬、鑄鐵、鋼、纖維強化復合材料等，還可以用于切削加工各種難加工材料．現(xiàn)在，高速切削技術(shù)已漸趨成熟，并開始在制造領(lǐng)域中大顯身手。高速機床的單元技術(shù)和整機水平正在逐步提高。技術(shù)基礎(chǔ)雄厚的機床廠推出了多種高速、高精度的機床產(chǎn)品，并且在航空航天制造、汽車工業(yè)和模具制造、輕工產(chǎn)品制造等重要工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造了驚人的效益。高速切削技術(shù)和高速加工機床越來越多地受到工業(yè)部門的青睞。

高速切削加工的概念和特點：

1 ．高速切削歷史與現(xiàn)狀

高速切削的起源可追溯到 20 世紀 20 年代末期。德國的切削物理學家薩洛蒙（ Carl 壓 lomon ）博士于 1929 年進行了超高速切削模擬試驗。 1931 年 4 月發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設。薩洛蒙指出：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高（圖 2-23 中 A 區(qū)）。對于每一種工件材料，存在一個速度范圍，在這個范圍內(nèi)，當切由于切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進行（圖 2 - 23 中 B 區(qū)）。但是，切削速度進一步提高，超過這個速度范圍后（圖 2.-23中C 區(qū)），切削溫度反而降低。同時，切削力也會大幅度下降。按照他的假設，在具有一定速度的高速區(qū)進行切削加工，會有比較低的切削溫度和比較小的切削力，有可能用現(xiàn)有的刀具進行超高速切削，從而大幅度減少切削時間，成倍地提高機床的生產(chǎn)率。

美國于 1960 年前后開始進行超高速切削試驗。試驗將刀具裝在加農(nóng)炮里，從滑臺上射向工件；或?qū)⒐ぜ�當作子彈射向固定的刀具�?1977 年美國在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進行了高速切削試驗，其主軸轉(zhuǎn)速可以在 180 ～ 18000r / min 范圍內(nèi)無級變速，工作臺的最大進給速度為 7 . 6m / min。

1979 年美國防衛(wèi)技術(shù)研究總署（ DARPA ）發(fā)起了一項“先進加工研究計劃”，研究切削速度比塑性波還要快的超高速切削，為快速切除金屬材料提供科學依據(jù)。

在德國， 1984 年國家研究技術(shù)部組織了以 Darmstadt 工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所 PTW ）為首，包括 41 家公司參加的兩項聯(lián)合研究計劃，全面而系統(tǒng)地研究了超高速切削機瓜刀具、控制系統(tǒng)以及相關(guān)的工藝技術(shù)，分別對各種工件材料（鋼、鑄鐵、特殊合金、鋁合金、鋁鑲鑄造合金、銅合金和纖維增強塑料等）的超高速切削性能進行了深入的研究與試驗，取得了切削熱的絕大部分被切屑帶走國際公認的高水平研究成果，并在德國工廠廣泛應用，獲得了好的經(jīng)濟效益．

日本于 20 世紀 60 年代就著手超高速切削機理的研究。日本學者發(fā)現(xiàn)在超高速切削時，工件基本保持冷態(tài)，其切屑要比常規(guī)切屑熱得多。日本工業(yè)界 35善于吸取各國的研究成果并及時應用到新產(chǎn)品開發(fā)中去，尤其在高速切削機床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)已躍居世界領(lǐng)先地位。進人 20 世紀 90 年代以來，以松浦（ Matsuora ）、牧野 ( Makino ）、馬扎克（ Mazak ）和新瀉鐵工（ Niigata ）等公司為代表的一批機床制造廠，陸續(xù)向市場推出不少超高速加工中心和數(shù)控銑床，日本廠商現(xiàn)已成為世界上超高速機床的主要提供者.

我國早在 20 世紀 50 年代就開始研究高速切削，但由于各種條件限制，進展緩慢。近 10 年來成果顯著，至今仍有多所大學、研究所開展了高速加工技術(shù)及設備的研究，主要研究單位及研究內(nèi)容如表 2-2 所示。

2 切削速度范圍的劃分

根據(jù)高速切削機理的研究結(jié)果，當切削速度達到相當高的區(qū)域時，切削力下降，工件的溫升低，熱變形小，刀具的耐用度提高等。高速切削不僅可以大幅度提高單位時間材料切除率．而且還會帶來一系列的其他優(yōu)良特性。高速切削的速度范圍定義在這樣一個給切削加工帶來一系列優(yōu)點的區(qū)域。這個切削速度區(qū)比傳統(tǒng)的切削速度高得多，因此也稱超高速切削．

通常，考慮到刀具直徑和轉(zhuǎn)速等因素，人們習慣于用切削加工最大線速度來描述切削速度，單位是 m / min （米／分鐘）．另一方面，由于機床主軸是提供高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵部件，為了更直觀和形象地表示建度，特別是描述機床的速度，也有用不同情況下的主軸轉(zhuǎn)速來劃定高速切削范圍。

各國對超高速切削的速度范圍迄今尚未作出明確統(tǒng)一的規(guī)定，但是通常把切削速度比常規(guī)高出 5 - 10 倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削．

①     按不同加工工藝規(guī)定的高速切削范圍。車削 700 一 7000m / min ；銑削 300 一 6000m / mln ：鉆削 200 -1100m / mm ．磨削 150 - 360m / s ．這種劃分比常規(guī)切速幾乎提高了一個數(shù)量級，而且還有繼續(xù)提高的趨勢．

②     按加工不同材料劃定高速切削范圍。德國 Darmstadt 工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所（ PTw ）在 20 世紀 80 年代對鋼、鑄鐵、鎳基合金、鈦合金、鋁合金、銅合金和纖維增強塑料等材料分別進行高速切削試驗，得到上述七種材料適合于高速切削的速度范圍（如圖 2-24 所其研究結(jié)果得到了國際上的公認，至今仍是大家認可的高速切削速度。

3. 高速切削的優(yōu)勢：

高速切削加工技術(shù)和常規(guī)切削相比，具有以下方面的優(yōu)勢：

①     隨切削速度的大幅度提高，進給速度也相應提高 5 - 10 倍。這樣，單位時間內(nèi)的材料切除率可大大增加．同時機床快速空程速度大幅度提高也大大減少了非切削的空行程時間，從而極大地提高了機床的生產(chǎn)率

②     切削速度達到一定值后，切削力可降低 30 ％以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于提高薄壁細肋件等剛性差零件的高速精密加工

③     在高速切削時， 95 % - 98 ％以上的切削熱來不及傳給工件．被切屑飛速帶走，工件基木上保持冷態(tài)，因而特別適合于加工容易熱變形的零件

④ 高速切削時，機床的激振頻率特別高，它遠遠離開了“機床一刀具一工件”工藝系統(tǒng)的頻率范圍，工作平穩(wěn)振動小，因而可加工出非常梢密、非常光沽的零件，零件經(jīng)高速車、銑的表面質(zhì)量�？蛇_到磨削的水平日殘余應力很小，故可省去銑削后的精加工工序。

⑤ 高速切削可以加工難加工材料。例如，航空和動力部門大量采用鎳基合金和鈦合金，材料強度大、硬度高、耐沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重。在普通加工一般采用很低的切削速度。如采用高速切削，則其切削速度可提高到 100 - 1 000m / min , 規(guī)切速的 10 倍左右，不但可大幅度提高生產(chǎn)率，而且可以提高工件加工表面質(zhì)量。

⑥ 高速切削可降低加工成本主要原因包括：零件的單件加工時間縮短奮可以在同一臺機床上，一次裝夾中完成零件的粗加工、半精加工和精加工。床，但綜合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。雖然高速機床的價格高于普通的機 。

高速切削加工的關(guān)健技術(shù)

德國 Darmstadt 工業(yè)大學生產(chǎn)工程和機床研究所的舒爾茲教授（ H。 Schul ）對高速切削技術(shù)進行了多年的深入研究，他從六個方面歸納了對高速切削技術(shù)所涉及的關(guān)鍵問題，如圖 2 -25所示。

1 高速切削機理的研究

高速切削技術(shù)的應用和發(fā)展是以高速切削機理為理論基礎(chǔ)的提供理論指導。高速切削機理的研究主要有以下幾個方面： ( l ）高速切削過程和切屑形成機理對高速切削加工中切屑形成機理、切削過程的動態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過程理的研究．有試驗和計算機仿真兩種方法。

試驗表明，一般低硬度和高熱物理性能KPC（導熱系數(shù)K，密度 P ，比熱容 C 的乘積）的工材料如鋁合金、低碳鋼和未淬硬的鋼與合金鋼等在很大速度范圍內(nèi)容易形成連續(xù)帶狀切屑，硬度較高和低熱物理性能KPC的工件材料，如熱處理的鋼與合金鋼、欽合金等，在很寬切削速度范圍內(nèi)均形成鋸齒狀切屑，隨切削速度的提高，鋸齒化程度增加，直至形成分離的單元切屑。

切削速度對鋸齒狀切屑的作用，一方面是切削速度提高，應變速度加大，導致脆性增加；另一方面切削速度提高，又會引起切屑溫度增加，導致脆性減小因此，提高切削速度對形成鋸齒狀切屑傾向具有綜合的作用。

( 2 ）高速加工基本規(guī)律的研究

切削力學理論分析表明，切削時切削力與工件的剪切強度、切削面積、刀具前角、后刀面與工件的摩擦系數(shù)以及剪切角有關(guān)，而剪切強度和摩擦系數(shù)直接受切削溫度，也即受切削速度的影響，剪切角則與切削速度相關(guān)。因此，切削速度直接影響切削力的大小。在高速切削范圍內(nèi)隨切削速度增加，切削溫度升高，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，切削力降低.

切削時產(chǎn)生的熱量主要流人刀具、工件和被切屑帶走。隨切削速度的提高，切屑帶走的熱量增加。因此，高速切削范圍內(nèi)，隨切削速度提高，切削溫度開始升高很快，但當切削速度達到一定后，因切屑帶走的熱量隨切屑深度提高而增加，切削溫度上升緩慢，直至很少有變化。

高速切削時，刀具的損壞形式主要是磨損和破損，磨損的機理主要是薪結(jié)磨損和化學磨損（氧化、擴散、溶解）。金剛石、立方氮化硼和陶瓷刀具高速斷續(xù)切削高硬材料時，常發(fā)生崩刃、剝落和碎斷形式的破損。高速切削時，對以磨損為主損壞的刀具可以按磨鈍標準，根據(jù)刀具磨損壽命與切削用量和切削條件之間的關(guān)系確定刀具磨損壽命。對于以破損為主損壞的刀具，則按刀具破損壽命分布規(guī)律，確定刀具破損壽命與切削用量和切削條件之間的關(guān)系．

( 3 ）各種材料的高速切削加工性研究鋁合金具有極好的切削加工性，可采用很高的切削速度（ 1 000 - 4000m / min ，有時高達5000-7500 m / min）.

鈦及鈦合金的切削加工目前選用的刀具材料以 YG ( K ）類硬質(zhì)合金為主，精細 TIN 涂層硬質(zhì)合金刀具、 PCD 刀具高速切削加工鈦及鈦合金的加工效果遠好于普通硬質(zhì)合金；天然金剛石刀具的加工效果更好，但其應用受加工成本制約。加工鈦合金，還廣泛應用車銑復合加工。車銑復合加工改善了刀具散熱條件，降低了切削溫度并減少了刀具磨損，從而可在較高的速度下切削加工鈦及鈦合金。

 ( 4 ）高速切削仿真技術(shù)的研究

在試驗研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真技術(shù)，虛擬高速切削過程中刀具和工件相對運動的作用過程，對切屑形成過程進行動態(tài)仿真，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度及應力分布等，預測被加工工件的加工質(zhì)量，研究切削速度、進給量、刀具和材料以及其他切削參數(shù)對加工的影響等。

 2 高速切削刀具

刀具是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。生產(chǎn)實踐證明，阻礙切削速度提高的關(guān)鍵因素是刀具能否承受越來越高的切削溫度在薩洛蒙高速切削假設中并沒有把刀具作為一個重要因素。但是隨著現(xiàn)代高速切削機理研究和高速切削試驗的不斷深人，證明高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)之一就是所用的刀具。舒爾茲教授在第一屆德國 ― 法國高速切削年會（ 1997 年）上做的報告中指出：目前，在高速加工技術(shù)中有兩個基本的研究發(fā)展目標，一個是高速引起的刀具壽命問題，另一個是具有高精度的高速機床．

近 30 年來世界各工業(yè)發(fā)達國家都在大力發(fā)展能適應高速切削加工條件的先進切削刀具，開發(fā)出了許多高性能的刀具材料．目前國內(nèi)外用于高速切削加工的刀具材料主要有：超硬刀具材料（ P CD 和 PCBN ）、陶瓷刀具、 TiC ( N ）基硬質(zhì)合金和涂層刀具等．它們各有優(yōu)勢又彼此竟爭，適應不同的工件材料和不同的切削速度范圍。涂層刀具在高速切削領(lǐng)域具有巨大的潛力．從資源、價格和性能等方面看陶瓷刀具在高速切削領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢，尤其在資源方面，陶瓷刀具材料在自然界用之不竭；超硬刀具材料將繼續(xù)在高速切削加工中占用重要地位；超細晶粒硬質(zhì)合金和粉末高速鋼在小尺寸整體復雜高速切削加工領(lǐng)域還將占主要地位；超強、超硬納米刀具材料是很有前景的高速切削加工刀具材料.

除刀具材料外，刀具結(jié)構(gòu)也是刀具技術(shù)的一項研究重點。在高速切削中，常規(guī)的

7 - 24 銀度刀柄系統(tǒng)（ BT , ISO 等）已經(jīng)不適用。各國針對高速切削特點，在刀具刃型、材料、結(jié)構(gòu)、夾緊方式和動平衡等方面進行了大量的研究工作，但還不夠完善。在高速切削加工中，刀具結(jié)構(gòu)的安全性和高精度的動平衡是至關(guān)重要的。高速切削刀具系統(tǒng)必須滿足：

 ① 很高的幾何精度和裝夾重復精度．

 ② 很高的裝夾剛度；

 ③ 高速運轉(zhuǎn)時安全可靠.

為了滿足高速切削加工的要求德國開發(fā)了 HSK 系列刀柄（如圖 2-26 所示）系統(tǒng)，美國開發(fā)了 KM 系列刀柄系統(tǒng).

HSK 、 KM 刀柄與普通 7 , 24 刀柄相比有如下有點：重量約減少 50 % ；重復使用時裝夾和定位精度高；剛度高，并可傳遞大的力矩；裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而增大． HSK 、 KM 和 BT 刀柄的比較見表 2 . 3 .

3 ．高速切削機床

高速機床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)（或稱功能部件）和機床整機技術(shù)。單元技術(shù)包括高速主軸、高速進給系統(tǒng)、高速 CNC 控制系統(tǒng)等；機床整機技術(shù)包括機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設施和加工環(huán)境等。

 ( 1 ）高速主軸單元

高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速切削加工機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設計方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、動平衡、噪聲等多項相關(guān)技術(shù)，其中一些技術(shù)又是相互制約的，包括高轉(zhuǎn)速和高剛度的矛盾、高速度和大轉(zhuǎn)矩的矛盾等等。因此提高主軸轉(zhuǎn)速和精度是一項很困難的工作，設計和制造高速主軸必須綜合考慮滿足多方面的技術(shù)要求。

 ( 2 ）高速進給系統(tǒng)進給系統(tǒng)的高速性也是評價高速機床性能的重要指標之一，不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義，而且也是維持高速切削刀具正常工作的必要條件。對高速進給系統(tǒng)的要求不僅僅能夠達到高速運動，而且要求瞬時達到高速、瞬時準停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度高速進給系統(tǒng)包括進給伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件導向技術(shù)、高速測量與反饋控制技術(shù)和其他周邊技術(shù)，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術(shù)等。目前常用的高速進給系統(tǒng)有三種主要驅(qū)動方式．高速滾珠絲杠、直線電動機和虛擬軸機構(gòu)等。與高速進給系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的還有工作臺（拖板）和導軌的設計制造技術(shù)等。

 〔 3 ）高速 CNC 控制系統(tǒng)相對而言，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對超高速機床所需的進給速度來說顯得太慢了，超高速機床要求其 CNC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時間要快得多，高的進給速度要求 CNC 系統(tǒng)不便要有很高的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度，而且還應有較大的程序存儲量。 CNC 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括決速處理刀具軌跡、預先前饋控制、決速反應的伺服系統(tǒng)等。

〔 4 ）床身、立柱和工作臺高速機床設計的另一個關(guān)鍵點，是如何在降低運動部件質(zhì)量的同時，保持基礎(chǔ)支承部件的高靜剛度、動剛度和熱剛度。通過計算機輔助設計，特別是應用有限元及優(yōu)化設計埋論能獲得輕質(zhì)量、高剛度的床身、立柱和工作臺結(jié)構(gòu)為獲得較好的動態(tài)性能，有些高速機床床身由聚合物混凝土材料制成，同濟大學在高速機床混凝土床身的制造方面取得了很好的成果.

 ( 5 ）切屑處理和冷卻系統(tǒng)高速切削過程會產(chǎn)生大量的切屑，單位時間內(nèi)高的切屑切除量需要高效的切屑處理和清陳裝置 · 高壓大流量的切削液不但可以冷卻機床的加工區(qū)，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環(huán)境造成嚴重的污染 · 切削液的使用井不是對高速切削的任何場合都適用，例如，對抗熱沖擊性能差的刀具，在有些情況下，切削液反而會降低刀具的使用壽命 · 這時可采用千切削，并用吹氣或吸氣的方法清理切屑.

 ( 6 ）安全裝置高速運動的機床部件、大量高速流出的切屑及高壓噴射的切削液等都要求高速機床有一個足夠大的密封工作室，工作室的倉壁一定要能吸收噴射部分的能量。刀具破損時的安全防護尤為重要；此外，防護裝置還必須有靈活的控制系統(tǒng)，以保證操作人員在不直接接觸切削區(qū)情況下的操作安全.

 4. 高速切削加工中的測試技術(shù)

高速切削加工是在密封的機床工作區(qū)間里進行的，在加工過程中，操作人員很難直接進行觀察、操作和控制，因此機床本身有必要對加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進行監(jiān)控、實時地對加工過程在線監(jiān)測，這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率延長刀具使用壽命，確保人員和設備的安全.

高速加工的測試技術(shù)包括傳感技術(shù)、信號分析和處理等技術(shù)．近年來．在線測試技術(shù)在高速機床中使用得越來越多�，F(xiàn)在已經(jīng)在機床使用的有主軸發(fā)熱情況測試、滾珠絲杠發(fā)熱測試、刀具磨損狀態(tài)測試、工件加工狀態(tài)監(jiān)測等。測量傳感器有熱傳感器、測試刀具的聲發(fā)射傳感器、工件加工可視監(jiān)視器等。

智能技術(shù)已經(jīng)應用于測試信號的分析和處理。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)被應用于刀具磨損狀態(tài)的識別。