高速切削简介

Salomon切削温度与切削速度曲线
高速加工定义
尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料
的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提
高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工
技术。
以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和
进给速度为普通切削的5～10倍。
以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min
；(6) 可靠的主轴监测系统。
高速主轴系统
高速主轴为满足上述性能要求，结构上几乎全部是交流伺服电 机直接驱动的“内装电机”集成化结构，减少传动部件，具有更高 的可靠性。高速主轴要求在极短时间内实现升降速。为此，将主轴 电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动， 是高速主轴单元的理想结构。
高速切削可加工的工件材料
高速切削加工的工件材料包括钢、铸铁、有色金属及其 合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的加工， 其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。 几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工，甚 至传统切削很难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强 塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。
高速切削加工切屑形成特征
文献2
高速切削加工切屑形成特征
文献2
从连续光滑的切削到周期性的锯齿状切屑，是随着切削速度增大而变化 过渡，这是高速切削加工中最基本又富有挑战性的问题。本文中，用临 界切削速度对切屑流起因的显式表达式，用材料性能，未变形切屑厚度 与刀具前角三者来表达，并基于尺寸分析和数值模拟。实验对于各种金 属材料在宽范围的切削厚度与刀具前角下，切屑由连续到锯齿状，给出 临界切削速度合理的预测。更有趣的是，发现，由于由雷诺数对湍流流 动的控制，对锯齿形切屑的流动模式的转变是由雷诺数主导。此外，材 料的性能对锯齿形切屑的影响进行系统的研究，其发展趋势和Recht经典 模型吻合。
Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，
并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。
他指出，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，但切削速度提高到一定值后，切削温
度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的
种类有关。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
剪切角增大
切削热大部分由 切屑快速带走
工件
避免积屑瘤的产 生
3-3 切屑种类
带状切屑
节状切屑
粒状切屑
崩碎切屑
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工切屑形成特征
金属切削原理
直角自由切削
斜角自由切削
自由切削: 只有主切削刃 参加切削， 而副切削刃 不参加切削。
高速切削加工切屑形成特征
耐热合金达90-500m/min；钛合金达150-1000m/min
高速加工的切削速度范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 车削： 700-7000 m/min 铣削： 300-6000 m/min 钻削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s
结论
2.锯齿切屑造成表面粗糙度不受切屑分离度的影响， 主要影响加工表面粗糙度因素是锯齿切屑段的厚 度。锯齿切屑段的宽度对表面粗糙度也有稍许影响。
高速切削加工切屑形成特征
结论
3.在目前的研究切削参数下，锯齿切屑造成的表面粗糙度范围0.39米到1.85μm， 试图利用高速切削代替磨削的情况下，这可能会导致严重的问题。切削速度 增加或减少未变形切屑厚度，可以减少锯齿切屑对表面粗糙度的影响，是本 文研究结果推荐的方法。
削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工
，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制 造成本。
高速切削的应用
航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材
料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-
1000 m/min
汽车工业：采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产 线，实现多品种、中小批量的高效生产。 模具制造：高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 仪器仪表：精密光学零件加工。
轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加
工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热 等新技术。目前高速主轴主要采用：陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气 轴承和液体动、静压轴承等。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着 重要作用，高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。
高速切削的关键技术
高速切削的特点
通常切削速度下 M A I Ⅱ O Ⅲ I 剪切滑移 II 前刀面挤压摩擦 III 后刀面挤压摩擦
金属切削过程中的滑移线和流线示意图
高速切削的特点
减少传递给工件的热量 切屑和接触面之 间的接触区域产生 的高温会导致温度 效应并降低工件材 料变形的阻力
前刀面 接触区 刀具 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角 后刀面
高速钻孔
表面和内侧倒棱
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高速加工实例
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修 b）高速模具加工的过程
精度和表面质量，降低生产成本并且可加工高硬材料等许多优点
，已在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机 床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。 使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了 市场竞争优势，取得了重大的经济效益。对提高切削加工技术的 水平，推动机械制造技术的进步也具有深远的意义。
塑料 铝合金 铜 铸铁 钢 钛合金 镍合金 10 100 1000 切削速度V（m/min） 10000
高速与超高速切削速度范围
高速切削的特点

随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，
切削效率提高3～5倍。加工成本可降低20％-40％。

在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上，减 少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精 度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。
高速切削加工切屑形成特征
结论
1.锯齿状切屑导致加工表面微小波纹，增大表面粗糙度。 在不同的锯齿阶段，锯齿切屑的影响不同，不同切削速 度产生不同表面粗糙度。最大表面粗糙度出现在中段。 最小表面粗糙度出现在切屑分离期。这提示只要刀具的 磨损许可，具有较高的加工速度，使切屑分离是可行的。
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工的关键技术
高速主轴系统
高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主
轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转速高达
100000-150000rpm的加工中心。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，高速运转摩擦热和大功率内装电 机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对高速 主轴提出如下性能要求： (1) 要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可 避免振动和噪音和良好的起、停性能；(2) 足够的刚性和高的回转 精度；(3) 良好的热稳定性；(4) 大功率；(5) 先进的润滑和冷却系统
• 超高速的主轴部件
在超高速数控机床中，几乎无一例外地采用了主轴电机 与机床主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机， 将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定 子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴， 简称电主轴 超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四 个主要部分，这四个部分构成一个动力学性能和稳定性 良好的系统
高速切削简介
金属切削原理 影响切削温度的主要因素
一、切削用量 1 切削速度： = C v V x 2 进给量： = C f f
0.14
X=0.26~0.41
3 切削深度： = C ap ap
0.04
指导意义：切削温度对刀具磨损和刀具耐用度有直接影响，选大切深 和进给量比选高切削速度有利。
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工切屑形成特征
高速切削加工切屑形成特征
Machined surface micro-wave amplitude A and roughness Ra
高速切削加工切屑形成特征
h1 h2 高速切削加工切屑形成特征 Gs h1 Chip segmentation degree Gs and roughness Ra

高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，切削热大部分被切屑带走
，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，传给工件的热量大幅度减少
，工件整体温升较低，工件的热变形相对较小。因此，有利于减少加 工零件的内应力和热变形，提高加工精度，适合于热敏感材料的加工 。
高速切削的特点
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，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受 到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度 ，加工表面质量可提高1～2等级。 高速切削可加工硬度HRC45～65的淬硬钢铁件，如高速切
，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。
萨洛蒙曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃
高速钢650℃ 碳素工具钢 450℃
800
400
软铝
非铁金属