高速切削及其关键技术Word下载.docx

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在常规切削范围内（见图1A区），切削温度和刀具磨损随着切削速度的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削温度开始随切削速度增大而降低（见图1C区），刀具磨损随切削速度增大而减小。

由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限。

但是，他的思想给人们一个非常重要的启示：

如果能越过图1中的B区，而在高速区（图1中的C区）进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大幅度地减少切削工时，大幅度地提高机床的生产率。

经过后来研究者的不断努力，使这一想法得以实现。

1.2高速切削的特点

高速切削在提高加工质量和加工效率2个方面实现了统一。

以刀具线速度或机床主轴转速来描述高速切削。

按照目前的生产和技术水平，国外学者提出：

机床主轴转速为8000~12000r/min称为准高速切削，15000~50000r/min称为高速切削，大50000r/min称为超高速切削。

按工件材料划分，当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适的高速切削速度范围；

按加工工艺划分，高速切削速度范围为：

车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削5000~10000m/min。

高速切削具有以下特点:

（1）加工效率高

高速切削加工允许使用较大的进给率，进给速度范围达到2~25m/min[3]，比常规切削加工提高5~10倍，单位时间材料切除率可提高3~6倍，因而零件加工时间可大大减少。

这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。

（2）切削力小

同常规切削加工相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，极限剪切应力提高了7~9倍，减少了刀具与工件表面的接触时间[4]。

这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，提高零件的加工精度，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

（3）切削热对被加工工件的影响减少

高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削温度被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。

对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削加工具有重要意义。

（4）加工精度高

高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。

由于切削力小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得刀具与工件间的摩擦减少，从而切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

（5）简化了加工工艺流程

常规铣加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决．高速铣可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除人工光整加工．

（6）减少能耗，节约能源

高速加工以其单位时间内较高的材料去除率，大大缩短了零件的加工时间，从而直接减少能源消耗。

有些高速加工免除了冷却液的使用，采用风冷和油雾冷却方式，降低了加工成本，如省去了润滑和冷却液的购置和回收处理费用，节省了工人清洗零件和处理废弃油屑的时间，同时减少了废弃物对环境产生的负面影响，真正响应了高效、低耗、环保的可持续发展战略要求[5]。

2.高速切削机床技术

性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提和关键，高精度的高速主轴、高速进给系统、高速控制系统是高速切削机床的关键技术，是实现高速切削加工的基础。

2.1高速主轴单元

高速主轴是高速切削机床的核心部件。

高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制[6]。

因此，对高速主轴单元的要求是动平衡性高刚性好、回转精度高、良好的热稳定性、能传递足够的转矩和功率、能承受高的离心力、带有准确的测温装置和高效的冷却装置等。

高速主轴的类型主要有电主轴和气动主轴。

气动主轴目前主要应用于精密加工，功率较小，其最高转速150000r/min，输出功率仅30kW，应用范围较小。

高速电主轴在结构上全部采用内装交流伺服电机直接驱动的集成化结构，取消了齿轮传动和带传动，并配备有强力的冷却和润滑设计[7]。

由于集成化主轴组件结构的传动部件减少，轴承成为决定主轴寿命和负载能力的关键部件。

为适应高速切削加工，高速主轴越来越多地采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承和液体动静压轴承[8]。

在高速主轴单元中，机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度要求。

高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。

2.2高速进给系统

高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率，也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工件的表面质量。

在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高，进给速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变；

另一方面，由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长，一般只有几十毫米到几百毫米，进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。

为了实现高速进给，除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副，最近几年又出现了采用直线电机驱动和基于并联机构的新型高速进给方式，从结构、性能到总体布局来看，3种方式都有很大的差别，形成了3种截然不同的高速进给系统[9]。

（1）滚珠丝杠副传动系统

滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，进给加速度可以达到1g，进给速度可以达到40~60m/min，定位精度可以达到20~25μm。

相对于采用直线电机驱动的进给系统，采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，因为受工作台的惯性以和滚珠丝杠副结构限制，能够实现的进给速度和加速度比较小。

对于采用滚珠丝杠副的传动系统，为了提高进给加速度，可以采取以下措施。

a.加大滚珠丝杠直径以提高其刚度，且丝杠内部做成空心结构，这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。

高速滚珠丝杠在运转时，由于摩擦产生温升，造成丝杠的热变形，将直接影响高速机床的加工精度。

通过采用滚珠丝杠强行冷却技术，对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。

该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用。

b.选用大额定扭矩的伺服电机。

为了更加合理地利用伺服电机，采用多头大导程滚珠丝杠。

c.对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。

另外，为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度，可以采用小直径的氮化硅陶瓷球，并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来，减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压，减少丝杠的发热和引起的噪声。

也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式，避免高速运转受临界转速的限制。

改进后的滚珠丝杠其进给速度一般不超过60~80m/min，加速度小于1.5g。

它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。

采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比，可以大幅度降低成本。

日本精工已经研制出进给速度高达100m/min的滚珠丝杠。

采取的改进措施主要有，采用16~32mm大导程，提高滚珠循环部分零件质量；

采用多头螺纹以增加有效圈数，改进滚道形状等。

从而，实现了进给系统的高速、高刚度以和高承载能力。

（2）直线电机进给驱动系统

直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动，并具有极好的稳定性。

直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开，然后拉直演变而成。

直线电机的转子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床进给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的“零传动”。

使用直线电机驱动具有以下优点。

a.高速响应性。

由于系统取消了各种响应时间常数较大的机械传动件，整个闭环控制系统动态响应性能大为提高，反映异常灵敏快捷。

b.传动刚度高。

系统避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。

c.定位高精度。

系统从根本上取消了由于机械机构引起的传动误差，减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。

直线电机驱动系统一般以光栅尺作为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台定位精度达0.1~0.01μm。

d.进给速度快、加减速度大。

由于系统的高响应性，其加减速过程大大缩短，以实现启动瞬时达到高速，高速运行又能瞬间停止，可获得较高的加速度，一般可以达到2~10g。

e.行程长度不受限制。

直线电机的次级连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级（工作台）就可以运动到哪里，使行程距离不受限制，而且不管有多远，对整个进给系统的刚度都没有任何影响。

（3）基于并联机构的高速进给系统

传统机床的结构一般都是由床身、工作台、立柱、导轨、主轴箱等部件串联而成的非对称的布局，因此机床结构不但要承受拉压载荷，而且还要承受弯扭载荷。

为了保证机床的整体刚度，只有采用结构比较笨重的支承部件和运动部件，这不但要消耗大量的材料和能源，也制约了机床进给速度和加速度的进一步提高。

刀具和工件之间的相对运动误差由各坐标轴运动误差线性叠加而成，机床结构的非对称还导致受力和受热的不均匀，这些都影响机床的加工精度。

和传统的串联式机床相比，并联机床具有以下优点。

a.比刚度高。

承受切削力的动平台由完全对称的多根杆件支撑，杆件只承受拉压，不承受弯扭应力。

其结构简单、标准化程度高、生产成本低。

b.响应速度快。

机床运动部件质量小，对运动速度反映速度快，能够实现高进给速度和高加速度的加工运动。

c.适应能力强。

并联机床采用独特的简单杆系结构，各杆的结构完全相同，而其他部件均为外购的标准部件，并且并联机床采用开放式控制系统，只要更换平台上的工作部件就可以实现多种类型的加工。

2.3高速CNC控制系统

高速加工机床主轴转速、进给速度和进给加减速非常高，因此对高速加工机床的控制系统提出了更高的要求。

用于高速切削的数控装置必须具备很高的运算速度和精度[10]。

采用快速响应的伺服控制，以满足复杂型腔的高速度加工要求。

目前，主轴电机仍然是采用矢量控制技术的变频调速交流电机，但必须优化现有的技术。

许多高速切削机床的CNC控制系统采用多个CPU，CPU可达32位甚至64位，同时配置功能强大的后置处理软件，可使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。

3.高速切削刀具技术

刀具技术是实现高速切削的重要保证。

正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。

3.1高速切削刀具材料

高速切削要求刀具材料具有如下性能：

高硬度、高强度和耐磨性；

高韧度、良好的耐热冲击性；

高热硬性、良好的化学稳定性。

目前，高速切削加工常使用的刀具有：

硬质合金和其涂层刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼和聚晶金刚石等[11]。

（1）硬质合金涂层刀具

硬质合金涂层刀具基体有较高的韧性和抗弯强度，涂层材料高温耐磨性好，因此容许采用高进给速度和高切削速度。

但受交变切削应力的作用，涂层材料易产生径向和侧向裂纹，致使刃区涂层剥离，在高速断续切削和湿式切削时尤应注意。

（2）陶瓷刀具

陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。

可用于高速切削的陶瓷刀具包括金属陶瓷、氧化铝陶瓷（Al2O3）和氮化硅陶瓷（Si3N4）等[12]。

陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，适于加工50~65HRC的高硬度材料；

高温性能好，在1200℃的高温下仍能进行切削；

具有良好的抗粘结性能，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好。

但陶瓷刀具抗冲击载荷能力差、抗热冲击性能差，因此，用陶瓷刀具进行切削时，不宜使用切削液，适于进行高速干切削。

（3）立方氮化硼（CBN）刀具

立方氮化硼（CBN）刀具具有高硬度。

良好的耐磨性和高温化学稳定性，寿命长，适合高速切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金、钛合金和各种热喷涂材料。

（4）聚晶金刚石（PCD）刀具

聚晶金刚石（PCD）材料的硬度约为CBN的2倍，其导热性好、热膨胀系数小、摩擦系数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料的高速切削，是实现高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度切削加工的重要刀具。

PCD刀具主要用于轻金属和其合金、新型陶瓷材料和难加工材料的高速切削，用于精密、超精密和光学元件的精加工。

高速切削刀具材料的发展状态是现代制造业中高速切削加工发展的重要影响因素。

硬质合金、金刚石、陶瓷和立方氮化硼刀具材料因其各自的特点与性能，广泛的应用于高速切削领域中。

社会进步和科学技术的发展，必然会带来新型难加工材料的出现，对高速切削材料会提出更高的要求。

所以研究具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性和高抗热震性的高速切削刀具是未来高速切削刀具材料的发展方向[13]。

3.2高速切削刀具系统

对于高速旋转类刀具来说，刀具结构的安全性和动平衡精度是至关重要的。

当主轴转速超过10000r/min时，一方面由于离心力的作用，使主轴传统的7：

24锥度产生扩张，刀具的定位精度和连接刚性下降，甚至发生连接部的咬合现象。

应选用经过动平衡的高质量刀杆与刀具，尽量选用短而轻的刀具，定期检查刀具与刀杆的疲劳裂纹和变形征兆，和时更换刀具。

刀具平衡分为机外动平衡和机上动平衡。

机外动平衡需专用机外动平衡机,由动力装置提供旋转运动，测出不平衡的质量与相位，再通过调整平衡环或在特定位置去除材料使刀具系统达到动平衡标准的要求。

机上动平衡则用机床主轴提供旋转运动，其余与机外动平衡相同[14]。

高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。

刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具约小10°

，后角约大5°

~8°

。

切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速切削刀具的主要特征之一[15]。

因此，主、副刀刃在刀尖处应逐渐过渡，增大刀尖角，加大刀尖区切削刃的长度和刀具材料的体积。

而在刃形设计时应使边界处的切削厚度逐渐减薄，以减缓边界处的应力梯度和温度梯度。

同时，高速切削刀具的切削部分应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃破损的概率。

4．高速切削工艺技术

高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。

高速加工和传统加工工艺有所不同，传统加工认为，高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程，而在高速加工中，高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。

在进行高速切削时，工件材料不同，所选用的切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同[16]。

铝合金因具有良好的耐蚀性，较高的比强度，导电性和导热性好等优点，在汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。

铝镁合金大多使用铸件，这些轻合金的最大优点就是其固有的易切特性。

轻合金可采用很高的切削速度和进给速度进行加工，切削速度可高达1000m/min~7500m/min，高速切削使95%~98%的切削热被切屑迅速带走，工件保持室温状态，热变形小，加工精度高。

高速铣削轻金属时，由于加工过程存在较大的冲击载荷，PCD和CBN刀具的寿命特性并不好。

当切削速度达到1000m/min时，可使用K型硬质合金刀具；

当切削速度达到2000m/min时，可使用金属陶瓷刀具；

当切削速度更高时，可使用PCD刀具；

高速铣削铝镁合金时，可使用K10硬质合金刀具。

高速铣削钢和铸铁时，遇到的主要问题是刀具的磨损。

高速铣削钢材时，刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。

刀具的磨损与工件材料的力学性能有关。

如工件材料的抗拉强度增大，则刀具磨损增加，因此应减少每齿的进给量。

5.高速切削的应用

5.1高速切削在航空、汽车工业中的应用

高速切削最早是在飞机制造业和汽车制造业得到了成功的应用。

航空航天工业中许多零件采用薄壁、细筋结构，由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，高速切削成为此类零件加工工艺的唯一选择。

飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成的部件，改用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。

有的整体构件的材料去除率高达90％，采用高速切削可大大提高生产效率和产品质量，降低制造成本，这也是高速切削技术在飞机制造业获得广泛应用的主要原因。

汽车工业相对航空、航天、船舶和机床等机械加工工业来说，其突出特点是生产批量大，加工节拍短，针对单一工件的大批量生产,通常采用专机或自动生产线进行加工。

然而，由于汽车用户对汽车的多样化、个性化的要求,迫使汽车企业的产品换型越来越快，产品品种纷繁多样，原来单一工件的大批量生产变成了多种工件各自的较小批量叠加成的大批量生产，因此，多年来在汽车制造行业占统治地位的组合机床（专机）生产线，已无法满足汽车行业快速更新的现实需要，专机或专机自动线虽然效率高，但却限制了加工的柔性，使得机床对加工零件品种变化的适应性非常差。

高速加工中心的出现，很好地解决了加工柔性和产量、投资与更新的矛盾，满足了汽车行业目前多品种、大批量和少投资的要求，同时也满足了汽车零部件生产的需求[17]。

5.2高速切削在模具制造领域的应用

大量的模具有复杂的三维几何形状，传统的加工方法要把时间和费用花费在将结构数据转化成模型、模型样品和生产用模型中，而且后道工序基本上要靠手工进行铲刮和抛光。

高速切削在模具型腔制造领域的应用不仅针对于一些软材料，还可以用于一些硬材料的表面加工，代替通常的电火花加工[18]。

高速切削生产已逐渐成为模具制造的大趋势，可大大提高模具生产效率和质量。

主要表现为：

1）高速、高效地加工模具电极。

加工铜、石墨等材料的模具电极精度高、表面质量好，特别对加工薄壁、复杂形状的零件，精度高、变形小，可较好地避免表面损伤。

2）代替电火花高速加工各种模具。

消除模具抛光的工艺需要，可以替代80%~85%的电火花机床的加工，极大地缩短加工周期，降低成本，改变模具的加工方式。

3）锻模加工。

能高速、高效地加工锻模，表面质量好，刀具寿命长，缩短加工的周期，降低成本。

同时加工后模具精度高，使用性能好，延长模具的使用寿命。

5.3高速切削在难切削材料上的应用

在加工难切削材料时，采用高速切削技术，使用乳化切削液，采用油雾轻度润滑和冷却，不但能改善材料的切削状况，减小切削力，减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命，而且能减少工件的热变形与加工硬化，提高工件的表面质量，大大提高劳动生产率[19]。

强度和硬度高、塑性和韧性高、导热性差、存在微观硬质点、化学性质活泼等是造成难加工材料加工困难的主要原因。

从切削机理角度分析,高速切削技术能够在一定程度上改善材料的切削加工性。

高速条件下切削难加工材料，单位时间内产生的切削热多，切削层的瞬间温度高，导致高硬度类难加工材料（如淬硬钢、冷硬铸铁、高强度钢）切削层处的硬度下降，起到了加热切削的作用，能减小被加工材料的塑性变形抗力，降低材料切削加工的难度。

高速切削时材料去除率高，切屑流动快，短时间内产生的热量来不和传入工件和刀具就被切屑带走，切削热对工件表层的影响并不明显。

此种加工机理对于加工硬化倾向严重的难加工材料（如高锰钢）、化学性质活泼的难加工材料（如镁合金）以和导热系数低的难加工材料（如奥氏体不锈钢和钛合金）的切削加工比较有利。

6.高速切削技术的发展趋势展望

高速切削加工是切削加工发展的方向，在未来必将成为切削加工的主流。

作为先进制造技术的一项全新的共性实用技术，高速切削加工技术将继续克服当前存在的某些技术障碍，得到更快的发展[20]。

（1）在高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高转速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速高精度的数控系统的新型加工中心将会进一步快速发展。

与其配套的高速轴承技术、高速电机技术、高速主轴的润滑基数、高频变频装置以和高速加工中心的刀库技术和自动换刀装置以和监控技术等将随之快速发展。

（2）PCD、CBN陶瓷刀具、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等作为高速切削刀具材料仍将起主导作用，并且日益广泛应用。

但这些刀具材料将随着高速切削加工技术发展的需要，得到新的发展。

（3）加工范围将扩大，将从铝合金高速加工扩大到钢材的高速加工，解决钢件高速加工存在的技术难题。

（4）将从湿切削走向干切削，解决高速加工使用大量冷却液造成的污染，并进一步研究开发出适合于干切削的新型刀具，研究开发干切削加工中心。

（5）高速切削机理的理论研究、仿真研究、和虚拟研究等工作将得到进一步深入开展，高速切削过程的物理本质与变化规律将被进一步弄清。

7.结语

高速加工技术中高速切削是正在发展的一项先制造工艺，其加工效率高，工件加工精度和表面质量好，整体提升了生产工艺结构的