超高速加工技术

是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实
现高速运动，极大地提高材料切除率，并保证
加工精度和加工质量的现代制造加工技术，其
切削速度通常比常规高10倍左右。
高速加工的概念与特征
高速加工技术： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自 动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和 加工质量的现代制造加工技术。 超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常规速度 高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。 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。
高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同
◎车削(Turing)：700-7000 m/min ◎铣削(Milling)：300-6000 m/min ◎钻削(Drilling)：200-1100 m/min ◎磨削(Grinding)：50-300 m/s ◎ 镗削（Boring）：35-75m/min
第3讲 高速加工技术
本节要点
高速加工的概念与特征 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用 高速切削加工的关键技术 高速磨削加工
超高速加工是一个相对的概念，由于不同
的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工
范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出
一个确切的定义。概括地说，超高速加工技术
（3）模具制造。
10
1 0.1
粗加工
传统加工方法 精加工
0.01
0.001
高速切削 少量手工精修 加工时间
手工精修
100 %
图13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
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
技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美
国、意大利等。
• 在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现 超高速加工的前提和先决条件。超高速切削 磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而 高速数控机床和加工中心则是实现超高速加 工的关键设备。
• 目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质
合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)、 立方氮化硼(CBN)及聚晶立方氮化硼(PCBN)。切削速度亦随 着刀具材料的创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以 上。 砂轮材料过去主要采用刚玉系、碳化硅系材料，美国
高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小； 热变形小 温升不超过3º C，90%切削热被切屑带走；
A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程 图4 热传导对比图
减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为 “一次过”技术（One pass machining）。
要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。
(2) 金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高 的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金 属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金 (TiC＋Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC ＋TaC＋WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主 体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN＋NbC) 等。金属陶瓷刀具可在300～500 m/min的切 削速度范围内高速精车钢和铸铁。
→ 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
生产剃须刀的石墨电极
生产球形柄用的铜电极
图15 高速切削加工电火花加工用工具电极
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。 （5）超精密微细切削加工领域。
域(如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、 陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应 的研究成果。
50 m/s高速磨削研究起始于1958年，近 20年来其发展十分缓慢。实验室超高速磨削 速度曾达到250 m/s，但离产业化还有一段距 离。目前工业应用的磨削速度未能超过100 m/s。显然，国内在超高速磨削技术方面与国 外差距很大。
威力的高效深切快进给磨床，即HEDG磨床，其主轴
功率为60kW，砂轮直径为400mm，砂轮转速为10000
r/min，vs达到100～180 m/s。
• Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认
的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍合 金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。
近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领
刀具角度选择：
工件材料 铝合金
铜材 铸铁 铜合金
最佳前角数值 12°~15°
0°~5° 0° 8°
最佳后角数值 13°~15°
12°~16° 12° 16°
纤维强化复合材料
20°
15°~ 20°
表1 超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值
• 2. 超高速切削机床
二、超高速加工技术的现状及发展趋势
自20世纪30年代德国萨洛蒙博士首次提出高速
切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70
年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技
术研究，到20世纪90年代后期，商品化高速切削机床 大量涌现；21世纪初，高速加工技术在工业发达国家 得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。工业发 达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项
• (5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于 化学惰性大，在1200～1300℃下也不发生化
学反应。 CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受 高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件， 是超高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、 高温合金等的理想刀具材料。
金刚石，它的突出优点是热稳定性(140℃)好，
•启示：
如果切削速度能超越切削“死谷”， 在 超高速区内进行切削，则有可能用现有的刀 具进行高速切削，从而可大大减少切削工时， 成倍地提高机床的生产率。
3.高速加工的特点
切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；
图 3 加工零件
材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
(4)PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通 过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材 料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有较高 的抗弯强度和韧性。PCD材料还具有高导热性 和低摩擦系数。另外，其价格只有天然金刚石 的几十分之一至十几分之一，因此得以广泛应 用。 PCD刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属， 与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋利 刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质合金 刀具10～500倍。
以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。
1. 高速加工切削速度的范围
高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异
◎铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min
◎铜(Cu)：900-5000 m/min ◎钢(Steel)：500-2000 m/min ◎灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min ◎钛(Ti)：100-1000m/min
加工极高表面光洁度的硬钢 HRC62、铝、铜、塑料工件
图9 HSM400
高速切削加工应用
（1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。
图10 波音公司的F15战斗机的起动减速板
铝合金整体零件： 整体零件“掏空”， 切除量大 零件有薄壁，要求小
切削力
小直径刀具 较长的刀具悬伸
2. 切削理论的提出
德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929年进行了超高速 模拟实验。
1600
切削温度 /℃
钢 青铜 铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃
1200
800
400 0
软铝
600 1200
非铁金属
1800
碳素工具钢 450℃
切削不 切削适应区 适应区
已处于商品化阶段。
日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速
达36000～40000 r/min，工作台快速移动速度为36～
40 m/min。
• 高速磨削在20世纪60年代初，砂轮磨削速度曾一度 达到90m/s，但更多的还是在45～60 m/s之间。德
国居林公司1983年制造出了当时世界上第一台最具
应当指出的是，超高速加工的切削速度不仅是
一个技术指标，而且是一个经济指标。也就是说，
它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度，而且必
须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度。
没有经济效益的高切削速度是没有工程意义的。
目前定位的经济效益指标是：在保证加工精度 和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工 时间减少 90 ％，同时将加工费用减少 50 ％，以此来 衡量高切削速度的合理性。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min 定位精度：0.008 mm 重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图8 HSM600
2400
3000
切削适应区
切削速度v/(m/min)
图1 Salomon切削温度与切削速度曲线
在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线” 和高速切削理论。即：一定的工件材料对应有一个临界切削 速度，在该切削速度下其切削温度最高。
图2 切削速度变化和切削温度的关系
•结论：
•在常规切削速度范围内，切削温度随着切削 速度的增大而提高。 •在切削速度达到临界切削速度后，随着切削 速度的增大切削温度反而下降。
图11 高速铣削典型工件
（2）汽车制造。
1 2 3 4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月） 刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
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）
图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
• 在超高速切削技术方面，近年来，高速、超高速
加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。
• 世界许多著名公司的加工中心，如美国的 Cincinnati和Ingersoll、日本牧野、意大利的 Rambaudi等公司，其标准主轴转速配置可达8000～ 10000 r/min，可选的20000 r/min以下的主轴单元
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
源自文库
图16 高速切削加工医用药盒
高速切削加工的关键技术
1. 超高速切削的刀具技术
1) 超高速切削的刀具材料
(1) 涂层刀具材料
涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高 于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主 要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等。 硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、 氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高 速切削中性能优异，其最高工作温度可达800℃。软涂层刀具 (如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主
(3) 陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝
基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基
体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等
得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的
氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具
总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约
占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000 m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬 硬钢、铸铁等。
GE公司于20世纪50年代首先在金刚石人工合成方面取得成
功，60年代又首先研制成功CBN。 • 20世纪90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速
度可达125 m/s，有的可达150 m/s，而单层电镀CBN砂轮可
达250 m/s。因此有人认为，随着新刀具(磨具)材料的不断 发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加 工的出现不会太遥远了。