淺談高速切削加工技術及應用

摘 要：高速切削(High Speed Cutting，HSC)是近年來迅速崛起的一項先進制造技術。本文就高速切削加工技術的發展、特點、關鍵技術及其應用作一簡要的研究與闡述。

關鍵詞：高速切削加工； 技術； 研究； 應用

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2011）11-175-001

1931年4月德國物理學家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High Speed Cutting）的理論，并于同年申請了專利。他指出：在常規切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削溫度不但不會升高反而會降低，且該切削速度VC與工件材料的種類有關。對于每一種工件材料都存在一個速度范圍，在該速度范圍內，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，切削加工不可能進行。要是能越過這個速度范圍，高速切削將成為可能，從而大幅度地提高生產效率。由于實驗條件的限制，當時高速切削無法付諸實踐，但這個思想給后人一個非常重要的啟示。

一、高速切削加工概述

1．高速切削歷史和現狀

高速切削的起源可追溯到20世紀20年代末期。德國的切削物理學家薩洛蒙博士于1929年進行了超高速切削模擬試驗。1931年4月發表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設。

我國早在20世紀50年代就開始研究高速切削，但由于各種條件限制，進展緩慢。近10年來成果顯著，至今仍有多所大學、研究所開展了高速加工技術及設備的研究。

2．切削速度的劃分

根據高速切削機理的研究結果，高速切削不僅可以大幅度提高單位時間材料切除率，而且還會帶來一系列的其他優良特性。高速切削的速度范圍定義在這樣一個給切削加工帶來一系列優點的區域。這個切削速度區比傳統的切削速度高得多，因此也稱超高速切削。通常把切削速度比常規高出5～10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。

3．高速切削的優勢

高速切削具有以下特點：①可提高生產效率；②降低了切削力；③提高加工質量；④高速切削的切削熱對工件的影響小；⑤加工能耗低，節省制造資源；⑥高速切削可以加工難加工材料；⑦簡化了加工工藝流程；⑧可降低加工成本。

4．高速切削加工的關鍵技術

4.1高速切削機理的研究。高速切削技術的應用和發展是以高速切削機理為理論基礎的。通過對高速加工中切屑形成機理、切削力、切削熱、刀具磨損、表面質量等技術的研究，也為開發高速機床、高速加工刀具提供了理論指導。

4.2高速切削刀具。從高速切削機理的研究中我們看到，隨著切削速度的提高，金屬切除率得到極大的提高，材料的高應變率使切屑成形過程以及刀具與工件之間接觸面上發生的各種現象都與傳統切削條件下的情況不一樣。刀具的熱硬性和刀具磨損問題成為關鍵。

4.3高速切削機床。為了適應粗精加工、輕重切削和快速移動，同時保證高精度，性能良好的機床是實現高速切削的關鍵因素。高速機床技術主要包括高速單元技術（功能部件）和機床整機技術。單元技術包括高速主軸、高速伺服系統、高速進給系統、高速CNC控制系統等；機床整機技術包括機床床身、冷卻系統、安全設施和加工環境等。

4.3.1高速主軸單元。高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速切削加工機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。

4.3.2高速伺服系統。采用高速的伺服系統，這不僅是為了提高生產效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件，否則會造成刀具的急劇磨損與升溫，破壞工件加工的表面質量。

4.3.3高精度快速進給系統。高速進給系統的高速性也是評價高速機床性能的重要指標之一，不僅對提高生產率有重要意義，而且也是維持高速切削刀具正常工作的必要條件。

4.3.4高速CNC控制系統。超高速機床要求其CNC系統的數據處理時間要快得多，高的進給速度要求CNC系統不僅要有很高的內部數據處理速度，而且還應有較大的程序存儲量。

4.3.5床身、立柱和工作臺是高速機床設計的另一個關鍵點，是如何在降低運動部件質量的同時，保持基礎支承部件的高靜剛度、動剛度和熱剛度。

5．高速切削加工中的測試技術

高速切削加工是在密封的機床工作區間里進行的，在加工過程中，操作人員很難直接進行觀察、操作和控制，因此機床本身有必要對加工情況、刀具的磨損狀態等進行監控、實時地對加工過程在線監測，這樣才能保證產品質量，提高加工效率延長刀具使用壽命，確保人員和設備的安全。高速加工的測試技術包括傳感技術、信號分析和處理等技術。近年來，在線測試技術在高速機床中使用得越來越多。

6．高速切削加工技術的應用

由于高速切削具備一系列顯著優點，因而首先受到航空航天、模具、汽車等行業的青睞。航空部門大型整體薄壁飛機結構件加工將普遍采用高速銑削工藝，減輕整機重量，提高飛機整機性能。模具制造業中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高進給速度、小切深、小走刀步距、能連續長路程切削的模具加工新工藝，對淬硬鋼的高速銑削成為縮短模具開發周期、降低制造成本的主要途徑。汽車制造業將更加積極地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生產。

高速切削加工技術是先進的制造技術，有廣闊的應用前景。推廣應用高速切削加工技術的應用，不但可以大幅度提高機械加工的效率、質量，降低成本，而且可以帶動一系列高新技術產業的發展。因此，當前加強高速切削技術的基礎研究，建立高速切削數據庫、高速切削安全技術標準，提高機床和工具行業的開發創新能力，加快高速切削刀具系統、高速切削機床系統的研究開發與產業化，已是當務之急。

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