高速切削加工技术探析
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作者: 周恩才 王敏
摘要：高速切削做为一种先进制造技术以其高效率和高精度的特征，已经成为提高加工效率、加工质量和降低成本的主要途径。本文试从其优越性及关键技术等方面进行了论述。
关健字：高速切削； 关键技术
1．前言
高速切削加工是面向现代加工社会的一项高新技术，它以效率高、精度高和表面加工质量高为基本特征，在汽车工业、航空航天和仪器仪表等行业中应用非常广泛，并已获取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。高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。有些专家把高速切削技术的出现称作是机械加工发展中的一个里程碑，是继数控技术之后新技术的又一次重大变革。德国物理学家Carl.J.Salomon博士在1931年4月提出了高速切削假设，指出:在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高。对于一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，由于切削温度太高，刀具无法承受，切削加工不能进行。但当切削速度继续提高，超过这个范围以后，切削温度反而会降低，切削力也会大幅度下降。按照此假设，对于一种工件材料存在一定的高速区，在这个区域进行加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性。
2．高速切削加工的优越性
高速切削加工技术具有速度高、效率高、精度高、表面加工质量高、柔性高等特点，与普通切削相比，高速切削加工有许多优越性。
(1)随切削速度大幅度提高，进给速度会提高4～10倍。材料切除率(进给量、切削速度和切削深度的乘积)增加到常规的4倍左右，大大缩短了加工时间，提高加工效率，相应降低加工成本。
(2)在高速切削加工范围内，随着切削速度的提高，切削力明显降低，随着切削速度的提高，切削力平均可减小30%以上，尤其是径向切削力可大幅度减小，有利于刚性比较差、薄壁件和细长零件的加工。
(3) 高速切削在加工过程中，主轴转速非常高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可提高加工表面光洁度。
(4) 高速切削加工时，切屑排出速度快，能带走大量的切削热。切削速度越高，带走的热量越多，大致在85%以上，传给工件的热量会减少，有效减小工件内应力和热变形，提高加工精度。
(5)高速切削可以加工各种复杂材料，包括加工高硬度材料和硬度高达HRC4O~62的淬硬钢。在相同的加工时间内，；加工的表面质量比电火花加工高。因此，在某种程度上可以取代电火花加工和磨削加工。
3．高速切削机床技术
高速机床是提供高速加工技术的主体。高速机床由一系列具有高速功能的部件及其支撑部件组成，主要包括:高速主轴系统;高精度快速进给系统;高性能CNC控制系统;高阻尼和高刚度的机床床体结构，包括床身、立柱和工作台等;高效的排屑和冷却系统;可靠的安全防护和实时监控系统。
4．高速切削刀具要求
高速回转刀具要进行必要的动平衡测试，才能满足平衡品质的要求。高速切削刀具结构主要有整体和镶齿两类。高速切削刀具切削刃的形状正朝着高刚性、复合化、多刃化的方向发展。
高速切削加工技术要求刀柄系统有很高的动平衡性，主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度，否则转速越高离心力越大，当其达到系统的临界状态时将会使刀具系统发生激振，其结果是加工质量下降、刀具寿命缩短、加速主轴轴承磨损，严重时会使刀具与主轴损坏。要使刀和轴连接具有良好的高速性能，刀柄系统与主轴锥度穴孔必须结合紧密，一般情况下，采用锥部与主轴端面同时接触的双定位锥柄。目前，刀和轴连接设计主要有两种:一种是采用新思路设计的1:10中空短锥刀柄系统，如德国的HSK空心短锥刀柄和美国的KM系列刀柄。
高速切削加工对刀具材料要求非常高。刀具材料与工件材料的性能匹配合理是高速切削刀具材料选择的关键依据，在加工过程中，一定要根据刀具材料与工件材料的力学、物理和化学性能选择高速切削刀具材料，才能获得最佳的切削效果。目前适用于高速切削的刀具主要有: 陶瓷刀具、涂层刀具、TIC(N)基硬质合金刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、金刚石刀具以及性能优异的硬质合金刀具等刀具材料。
5．高速切削加工工艺技术
高速切削的工艺技术是实现高速加工的关键技术之一。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化、刀具材料和刀具几何参数的选择，选择适合于高速切削加工的走刀方式以及专门的CAD/CAM编程策略的研究等。
6．高速切削测试技术
由于高速切削加工的速度相当高，当主轴转速达4000r/min时，若有大片崩裂，碎片就会像出膛的子弹，所以高速切削加工是在密封的机床工作区间里进行的，这样操作人员很难直接观察、操作和控制，因此需要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控，实现在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。高速切削加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。最近几年，在线测试技术在高速机床中使用的越来越多，如主轴发热情况、刀具磨损状态测试和工件加工监测等。智能技术也己经应用于测试信号的分析和处理中，如神经网络技术应用于刀具磨损状态的识别。
7．高速切削数据库
目前，世界各国虽然建立了许多金属切削数据库，但尚无适用于高速切削加工的数据库，.因此，建立高速切削数据库就迫在眉睫，并且它对于推广和应用高速切削加工技术也具有非常重要的意义。
高速切削数据库应具有推荐切削刀具、提供优化的切削参数、与数控系统、 CAD/CAM软件良好的通信与接口、逻辑推理、网络、分布式结构、预测某些切削加工效果等功能。
8．结束语
高速切削加工技术是一项全新的、正在发展中的先进高新技术，在理论和技术各方面还有大量研究工作要做。虽然，我国高速切削加工技术的开发和应用还处于起步阶段，但目前国内已进口了大批量的高速加工设备，开发了多种高速加工机床，只要我们充分认识高速切削加工技术的优越性，一定会把我国切削加工水平推进到一个更新高度。
参考文献：
[1]王素玉.高速切削表面粗糙度理论研究综述.机械工程师.2004(10):3一6
[2]范真主编.加工中心.北京:化学工业出版社,2004
[3]陈宏军主编.实用金属切削手册.北京:机械工业出版社,2005
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