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《先进制造》课程论文

（2008级）

工程学院

题目：

高速切削加工

学生姓名：

许燕

学号：

200802120303

专业班级：

机械设计082班

指导教师：

倪忠进职称：

讲师

2011年11月16日

高速切削加工

摘要：

高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。

随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。

与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃。

本文介绍高速切削加工的定义、特点、相关技术、高速切削加工机床、刀具及加工工艺等知识。

关键字：

高速切削；高速切削刀具；高速切削工艺；高速加工

Abstract：

Keywords：

high-speedcutting；High-speedcuttingtool；High-speedcuttingprocess；High-speedprocessing

高速切削加工定义

高速切削加工是一种比常规切削速度高得多的先进制造工艺。

它的巨大吸引力在于不但可以大幅度提高零件的加工效率、降低加工成本。

而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。

高速加工已在航空、航天、汽车以及超精密微细加工等领域获得了广泛的应用。

高速切削概念起源于德国切削物理学家CarlSalmon的著名切削试验及其物理引伸。

他认为一定的工件材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。

在常规切削范围内。

切削温度随着切削速度的增大而提高，但当切削速度提高到一定的程度时。

切削温度不但不升高反而会降低。

对每一种工件材料都存在一个速度范围。

在该速度范围内。

由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。

只有越过“死谷”才可用现有的刀具进行高速切削。

所以高速切削是一个相对概念。

通常把采用比常规切削速度高得多（一般为5一l0倍）的切削加工称为高速切削。

目前沿用的高速切削加工定义主要有以下几种：

1）1978年，CIRP切削委员会提出以线速度（500~700）m/min的切削速度加工为高速切削加工。

2）为铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡要求（平衡品质和残余不平衡量）时的速度来定义高速切削加工。

根据ISO1940标准，主轴转速高于8000r/min为高速切削加工。

3）德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所提出以高于（5~10）倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。

4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高速切削加工。

DN值达（5~2000）xmm．r/min时为高速切削加工。

5）从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工。

这种定义取决于刀具振动的主模式频率，它在ANSI/ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。

因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。

根据不同的切削条件，具有不同的高切削速度范围。

目前，加工铝合金已达到2000－7500m/min；铸铁为900－5000m/min；钢为600－3000m/min；耐热镍基合金达500m/min；钛合金达150－1000m/min；纤维增强塑料为2000－9000m/min。

高速切削加工特点

高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。

高速加工技术作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，已成为国际模具制造工艺中的主流。

通过高速切削加工技术,可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。

近几年来，在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用。

在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。

其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。

与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃。

高速切削加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。

由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。

高速加工与精密加工、高能束加工、柔性自动化加工一起，构成了当今机械制造中的四大先进制造技术，高速切削加工技术具有如下特点：

（1）能获得较高的加工精度。

在高速铣削加工中，采用小切削量、高切削速度的切削形式，改变了刀刃部位的机理，促使切削性能的改善和切削力的降低，大量的切削热量被高速离去的切屑带走，即使在无任何冷却条件的情况下，工件和刀具的热变形和受压变形还是很小的，在高切削效率下，又能得到高切削精度。

特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效加工，高速铣削是目前唯一有效的方法。

（2）能获得较高的加工表面完整性。

高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态。

（3）加工能耗低、节省制造资源。

（4）能有效抑制切削震动影响，降低加工表面粗糙度。

（5）能加工各种难加工的材料。

对硬质材料表面加工代替电火花加工

在刀具能满足切削条件的情况下，在一定范围内可以对硬表面进行铣削加工，尤其是对硬度在HRC46～60之间的表面，铣削可以部分取代电火花加工，如加工锻模或拉伸模等。

在同样的加工时间内，它所达到的表面粗糙度比电火花加工还好。

（6）降低生产成本。

高速切削的主轴转速、进给速度与传统切削加工相比，发生了本质性的飞跃，其金属切除率提高了30%~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%。

还可加工淬硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面也能达到零件表面质量要求，进而提高了加工生产率和产品的市场竞争力。

高速切削加工应用领域

高速切削技术是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术，是面向21世纪的一项高新技术。

由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,在航空航天、汽车、模具制造、光电工程和仪器仪表、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高，并引起加工工艺及装备相应的更新换代。

这以技术获得越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。

因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。

高速切削目前主要应用领域

（一）大批生产领域

　　如汽车工业，如美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机床以实际用于福特公司的生产线。

（二）工件本身刚度不足的加工领域

　　如航空航天工业产品或其他某些产品，如Ingersoll公司采用高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚仅为1mm。

（三）加工复杂曲面领域

　　如模具工具制造。

（四）难加工材料领域

　　如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为：

加工航天航空铝合金2438m/min，汽车铝合金1829m/min，铸铁1219m/min，这均比常规切削速度高出几倍到几十倍。

高速高效切削加工技术的现状及发展趋势

机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。

50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：

今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150～1500cm3/min，超硬刀具材料硬度达3000～8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10um到0.1um。

干（准）切削日益广泛应用。

随切削速度提高，切削力降低大致为25～30％以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低1～2级；生产效率提高，生产成本降低。

高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。

在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。

高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。

但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。

随着高速切削加工的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。

而且，切削过程的计算机辅助模拟技术也出现了，这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。

铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速切削应用范围的扩大。

工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。

冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3，而高速铣可正好用来缩短研制周期，降低加工费用。

高速切削加工刀具

刀具是机械加工重要的技术装备之一。

由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大，高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。

由于切削和进给速度高，HSC加工中刀具的寿命一般会降纸，需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施，尽可能减少寿命的降低。

一、高速切削加工刀具材料

高速切削技术的关键是高速切削刀具，高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。

高速切削的切削速度很快,加工线速度主要受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。

因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出表现在高速切削刀具具备更高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及更高的可靠性。

高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。

目前常用的高速切削的刀具材料包括钛基硬质合金、涂层刀、陶瓷、聚晶立方氮化硼、具及金刚石等。

（1）硬质合金刀具硬质合金刀具有极高的抗压强度，其材料性能全面提高钛基硬质合金刀具的硬度，硬度、强度、韧性和抗崩刃性都能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也明显增强。

同时硬质合金的性能在不断改进，应用面不断扩大。

其次，开发和使用硬质合金加压烧结等新工艺提高了硬质合金的内在质量。

在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时，开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金，提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。

　　涂层成为提高刀具性能的关键技术刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。

（2）涂层刀具刀具的涂层技术是提高刀具性能的关键技术，在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。

采用涂层技术不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅度的提高切削加工效率，因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具，在刀具中的比例已超过50%.涂层刀具的工艺主要应用在钻头、铰刀、丝锥、滚刀、插刀和硬质合金刀片等。

　（3）超硬刀具超硬刀具材料陶瓷的使用将明显增加陶瓷刀具有氧化铝基Al2O3和氮化硅基Si3N4两大类，有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3~5倍，可以加工65HRC的高硬度材料。

　　然而陶瓷的抗冲击韧性差，所以对高速切削时的平稳性要求较高，即要求被加工材料材质均匀，对刀具接近工件的方向、角度和速度都有很严格的要求。

陶瓷和金属陶瓷刀具材料在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金，提高了加工效率和产品质量。

论文发表，高速切削技术。

　（4）聚晶立方氮化硼刀具　聚晶立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成，化学稳定性优于金刚石，硬度高达8000~9000HV,耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性较大，适宜于加工硬度较高的材料，将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。

　（5）金刚石刀具用于生产切削的金刚石绝大多数是人造金刚石。

人造金刚石分为三种：

聚晶金刚石、化学气相沉积金刚石和高温人工合成的单晶金刚石。

聚晶金刚石和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。

二、高速切削加工刀具其他要求

　除选择合适的刀具材料外，在刀具设计过程中，首先应考虑在离心力作用下刀具构件固定的可靠性，并注意符合“平衡”的结构。

需要对刀具进行最高转速的试验。

此外，在制造刀具时，其良好的工艺性也是很重要的。

有价值的和可靠的制造方法，对从刀具的预处理直至刀刃的制作都具有决定性的意义，特别是对带有多晶体金刚石或立方氮化硼刀片的刀具更是如此。

三、高速切削实际应用

　　高速切削的研究历史，可以追塑到20世纪30年代有德国calsalomon博士首次提出的有关高速切削概念。

50年代后期开始，高速切削的试验又进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。

在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。

因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削也被成为“冷态切削”。

　　研究证明高速切削需要一种理想的刀具。

理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的热传导系数,良好的机械性能和热稳定性能。

硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。

论文发表，高速切削技术。

但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在硬切削中获得较广泛应用。

　　陶瓷刀具和立方氮化硼刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。

它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。

论文发表，高速切削技术。

为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。

因此,具有优良综合性能的立方氮化硼刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。

聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。

高速切削加工机床

机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、和刚度和高水平的阻尼特性。

很多高速机床和立柱材料用聚合物混凝土你，这种材料阻尼特性为铸铁的7~10倍，比重只有铸铁的1/3.提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。

高速主轴是实现高速切削加工最关键的技术之一。

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。

为此对主轴提出如下性能要求：

1.高转速和高转速范围；2.足够的刚性和较高的回转精度；3.良好的热稳定性；4.大功率；5.可靠的工具装卡性能；6.先进的润滑和冷却系统；7.可靠的主轴监测系统。

除此之外机床还应具有高速进给结构；高速切削时，为了保持刀具每齿进给基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。

要实现并准确控制这样的进给速度，对机床导轨。

滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。

当然高速CNC控制系统也是高速切削加工所必须的；CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保持在高速切削时仍具有良好的加工性能。

在高速切削加工时安全的问题也是至关重要的。

高速切削的速度相当的高，当主轴转速达40000r/min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。

因此，对高速切削引起的安全问题必须注意。

高速切削机床的配套装备：

1．为了缩短辅助工时，绝大多数HSC机床都配有15～30刀位以上的刀具库和自动换刀装置，成为HSC加工中心；　　

2．冷却润滑系统是不可少的配套装备，其中包含自动对机床各部进行冷却润滑的功能和排屑功能；　

3．电子手轮和CAD/CAM系统与高速CNC系统的接口，是影响到机床操作控制性能的必要配套装置；　

4．能够自动测量刀具的直径、长度和进行破损检测的激光或红外线系统；　　

5．测头能够安装到主轴上用以探测工件轮廓型面的红外线测量装置；　

6．为了减少发生故障后，停机等待修复的时间，在机床台数多、利用率高的情况下，备用一根高速主轴。

高速切削加工工艺

随着现代制造技术的发展,高速切削已成为先进制造技术中最重要的加工工艺之一,其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量,而刀具材料是实现这一工艺的关键。

高速切削能加工出精度较高的零件,还能降低加工成本.高速切削技术作为最有前途的先进制造技术之一,其应用领域正在持续扩展.高速切削技术是随着刀具技术如刀具材料等的发展而发展起来的.

高速切削加工工艺和常规切削加工工艺有很大的不同。

常规切削认为高效率应由低转速、大切深、缓进给、单行程等要素决定。

而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程等要素实现高效率。

在高速切削加工中，必须对切削用量参数进行合理的选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程等。

工艺路径的拟定是制定加工工艺的总体布局，目前主要考虑是如何选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序等。

拟定工艺路径时，先确定各个表面的加工方法，根据零件的实际情况保证加工精度与表面质量，再根据最优化原则，确定最短的走刀路线和最少的换刀次数，以减少加工辅助时间。

当然切削刀具的选择也是加工工艺必须的程序。

切削刀具现状已由传统的切削工具时代过渡到了高效率、高精度、高可靠性和专用化的数控刀具时代，实现了向高科技产品的飞跃。

而选用合理的切削刀具，即在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具的耐用度，从而达到提高切削效率，节约时间，提高加工效率的目的，以满足高速切削加工的需求。

在高速切削加工中会产生大量的高温热，切削必须及时的将它从工作台上清楚掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。

合理的选择冷却润滑方式是保证加工质量的先决定条件。

由于在高速切削加工时常规的冷却液很难进入加工区域，所以，目前干切削和微量油雾冷却是在高速加工过程中使用较多的工艺方法。

与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：

机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC控制系统及软件等。

总结

高速切削加工技术是先进的制造技术，有广阔的应用前景。

用高速切削加工代替EDM（或大部分代替）是加快模具开发速度，实现工艺换代的重大举措。

应用高速切削技术可以得获得精度高、表面质量好的加工产品，更重要的是可以大幅度缩短产品的开发周期。

在目前激烈的机械制造市场竞争中，客户对产品的开发周期要求越来越短，在订购产品时不仅考虑质量和价格，而且也把产品的交货期作为一项重要内容。

推广应用高速切削加工技术应用于模具制造业，不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本，而且可以带动一系列高新技术产业的发展。

传统的加工方法及许多原来被认为优秀的加工方法在某中程度上已经不适应时代的要求，应用高速铣削技术将有效地解决这一问题。

因此，当前加强高速切削技术的基础研究，建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准，提高机床和工具行业的开发创新能力，加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与产业化，已是当务之急。

诚然，合理的设计是决定产品品质、环境相容性、经济性和满足需求的基础，而没有高效加工技术，将制约优秀产品的开发。

因此，随着机械制造业大规模技术升级的到来，我们应以积极的态度主动迎接制造新技术革命的挑战。

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