加速切削加工技术

加速切削加工技术的发展与运用

摘要：高速切削较之常规切削是一种创新的加工工艺和加工理念。分析了高速切削技术的特点，研究了高速切削的关键技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，介绍了高速切削技术在航空航天和汽车制造等领域的发展及应用。

关键词：高速切削；超高速切削；机床；刀具；

1高速切削技术概述

1.1高速切削的概念

高速切削（High Speed Cutting）是一个相对概念，迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5~10倍的切削加工，有时也称为超高速切削（Ultra －High Speed Cutting）。也有将主轴转速达到1000r/min~60000r/min，快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min以上，加速度大于1g的切削加工定义为高速切削。对于不同的工件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加工的线速度，单位m/min）范围也不同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到３380m/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500~1000m/min。

高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomom）1931年提出的，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。他认为，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，一定的工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速区工作，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，从而大大减少切削工时，大幅度提高机床生产率。

1.2高速切削技术的特点

高速切削速度较之常规切削速度几乎高出一个数量级，其切削机理异于常规切削。由于切削机理的改变，使得高速切削技术具有如下特点：

1.切削力小

由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，从而使切削力比常规切削降低30%以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。

2.工件热变形小

在高速切削时，90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少，工件温升不会超过3°C，基本保持冷态，不会由于温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变的工件。

3.材料切除率高

随切肖¨速度的提高，进给速度也相应提高5~10倍，单位时间内的材料切除率町达常规切削的3~6倍，适用

于材料切除率要求大的场合，在航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工整体构件最理想的制造技术。在2001年德国汉诺威举办的欧洲机床展览会(EMO)上展出的荷兰Unisign公司制造的Unipro--5型五轴立式加工中心（X行程1000mm、Y行程800mm，电主轴功率100KW，最高转速25000r/min，最大扭矩90Nm，其铣削铝合金的材料切除率已达8000~10000cm/min。

4.工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工

在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超出了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围（50~300HZ），使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的精加工工序。例如，瑞士DIXI机械公司生产的DHP50高精度卧式加工中心，工作台500x500mm，双托盘，行程为700x700x700mm，主轴转速为12000r/min，功率为25kw，刀库容量65把，换刀时间4s(T--T)，6s(C--C)，定位精度4um，重复定位精度2um（按ISO230--2标准），测量分辨率0.5um。高速切削尤其适合于光学等领域的加工。

2.高速切削的关键技术

高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

2.1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，而具有高精度的高速丰轴和控制精度高的高速进给系统，则是高速切削机床技术的关键所在。

1.高速主轴

高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削的加工中心其主轴最高转速一般都大干10000r/min，有的高达60000~100000r/min，为普通机床的10倍左右；主电动机功率15~80kw，以满足高速车削之要求。

2.高速进给系统

控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其技术改进和技术创新，才能适应高速切削之要求。主要技术措施有：（1）丝杠采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（2）为降低高速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传动系统之精度。（3）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列，可有效降低高速运行时的噪声。（4）改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（5）采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺母与驱动电机的转子集成为一体，由转子直接驱动。该结构由于丝杠固定不动，螺母作高速旋转的同时作轴向移动，故可消除丝杠临界转速的限制。

2.2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。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，高速切削加工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（Ａ１…ＯＳｉ，Ｎ。）、立方氮化硼(CBN)材料和聚晶金刚石(PCD)材料等。

2.3高速切削工艺技术

高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程；而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程的加工工艺。在进行高速切削时，工件材料不同，所选用的切削刀具、切削工艺和切序＂参数也有很大不同。下面我们着重研究轻金属、钢和铸铁的高速切削工艺技术。

1.高速切削轻金属技术

铝台金因具有良好的耐蚀性，较高的比强度，导电性及导热性好等优点，在汽车工业和航空航天Ｔ业中已经大量应用。铝镁台金大多使用铸件。这蝗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1000~7500m/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；当切自Ⅱ速度更高时，可使用PCD刀具；高速铣削铝镁合金时，可使用k10硬质台金刀具。

2.高速切削钢和铸铁技术

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。

3.高速切削技术的应用

3.1高速切削在航空航天工业中的应用

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。例如，波音公司在生产波音Ｆ/15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。

3.2高速切削在汽车制造业中的应用

以高速加工技术为基础的敏捷柔性自动生产线被越来越多的国内外汽车制造厂家使用。国内如一汽大众捷