高速切削技术发展现状
一、概述
机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150～1500cm3/min，超硬刀具材料硬度达3000～8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10μm到0.1μm。干(准)切削日益广泛应用。随切削速度提高，切削力降低大致为25～30%以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低1～2级；生产效率提高，生产成本降低。
数控切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门，如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此，在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，在数控加工技术的带动下，进入了“数控刀具”的发展阶段，显示出“三高一专”(即高效率、高精度、高可靠性和专用化)的特点。
显而易见，在21世纪初，尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变。从当前制造业发展的趋势中可以看到，制造业发展和人类社会进步对切削加工提出的双重挑战，这也是21世纪初切削加工技术发展的主要趋势。
当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。
因此，发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术面临的新任务。当代的高速切削不是切削速度的少量提高，是需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上，包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步，才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高，才能使制造业整体切削加工效率有显著的提高。把当前的高速切削水平实用化，使我国机加工整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。
硬切削是高速切削技术的一个应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点，已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车业，用cbn刀具加工20crmo5淬硬齿轮(60hrc)内孔，代替磨削，表面粗糙度可达0.22μm，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。
长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题，切削效率低，刀具寿命短。随着制造业的发展，在21世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的矛盾将更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车工业，其发动机、传动器零件中的硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合金和新的高强度铸铁，以减轻汽车的重量和节省能耗。又如在航空航天工业，钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加。能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、能源等重要工业部门的发展速度和制造业的整体水平，是对切削技术的最大挑战。我们必须从现在开始探索，以从根本上解决难加工材料大量使用及其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新的“刀刃”和加工方法满足制造业的需求
进入21世纪以后，产品多样化和个性化的趋势进一步加剧，制造业的产品更新速度会
大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更，也是对切削加工提出的开发任务，就像大家熟知的如螺杆泵、等速万向节、底径定心的花键、电子工业印刷线路板等产品，无不反映着切削技术和刀具的成果。今后随着产品更新速度的加快，将构成对切削加工新的挑战。不仅如此，当前利用切削加工的柔性及现代切削加工和刀具技术的成果，革新零件加工方法，显示出投入少、产出大、见效快的特点。正如在上世纪九十年代新建的轿车发动机、传动器生产线上所集中展示的那样：缸体孔系的整体硬质合金钻削工艺、缸盖的金刚石高速铣削工艺、同步器齿轮的筒式拉削工艺等新的加工工艺，使新建生产线的生产节拍时间缩短、产品质量提高，投资大量减少，充分显示出切削加工的巨大潜力。在这种背景下，制造业对切削加工新技术、新产品的需求在现在将达到空前的高度，这既是对切削技术的挑战，也是对我国切削行业陈旧体制的挑战。
图1 不同材料的高速切削加工速度范围
高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。
高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。
二、高速切削加工理论基础
1. 切屑形成特征
不同材料在不同状态下的切屑形态见图2及图3。
(a) 供货状态，切削速度127.2m/min
连续带状切屑(D.LEE)
(b) 硬度325HB，切削速度125.5m/min
锯齿状切屑
(c)硬度325HB，切削速度250m/min
锯齿状切屑
(d)硬度325HB，切削速度2600m/min
即将分离的锯齿状切屑
图2 高速切削不同状态AISI4340钢(40CrNiMoA)时的切屑形态(纵截面微观照片)
图3 切削渗碳淬硬20CrMnTi钢(HRC60～62)在100～110m/min时的切屑形貌
工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性的影响。一般低硬度和高热物理性能KρC(导热性K、密度ρ和比热容C的乘积)的工件材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等，在很大切削速度范围内容易形成连续带状切屑。硬度较高和低热物理特性KρC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。
2) 切削力学
图4 直角切削时剪切角和前刀面受力简图
图5 高速切削4340钢(40CrNiMoA)时剪切角φ的计算值与测量值的比较(Recht)
图中Fs为剪切力，Fm为高速切削时切屑动量改变所需的作用力；Ff为作用在后刀面上的摩擦力。
剪切角φ和摩擦系数μ(=tgβ)的关系可用Merchant公式估算
p b g0
4 2 2
实验证明在高速切削时计算的φ角与测量的结果有良好的一致性。
在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。
图6 Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力
图7 切削时热的产生与传出
3)切削热和切削温度
切削时的热量主要来自剪切变形功、刀-屑和刀-工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1%。
图8 立铣铝合金时，流入各部分的切削热量
图9 Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10A(HRC58～65)时的切削温度
切削速度对切削温度的影响试验结果。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。
4) 表面粗糙度
随V增加，加工表面粗糙度有所减少。实验用的ACE－V500加工中心最高转数为10000r/min，其一段和二阶固有频率分别为50Hz(3000r/min)和113Hz(6780r/min)。
图10 涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响
二、高速切削的优点
高速切削技术由于切削速度的大幅度提高，明显地提高了切削加工的生产效率，同时由于切削条件的改变，和常规切削相比，高速切削具有下列优点。
(1)显著提高材料切除率
随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5～10倍。这样，单位时间内的材料切除率可大大增加，可达到常规切削的3～ 5倍，甚至更高。同时机床快速空程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。
(2)切削力降低
在切削速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加工。
(3)减少工件热变形
在高速切削时，95%～98%以上的切削热来不及传给工件，就被切屑飞速带走，因而工件可基本上保持冷态，特别适合于加工容易热变形的零件。
(4)工艺系统振动减小
工艺系统振动减小非常有利于保证零件的尺寸、形位精度，加工表面质量高。
(5)高速切削可以加工各种难加工材料
例如，航空和动力部门大量采用的镍基合金和钛合金，如果采用高速切削，其切削速度可提高到 100～1000m/min，为常规切速的10倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损。
(6)降低加工成本
高速切削零件的单件加工时间缩短，同时可以在同一台机床上、并在一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和精加工。
高速切削是切削加工发展的主要方向之一，它除依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件等基础技术的发展外，自身亦存在着一系列亟待攻克的技术问题，如刀具磨损严重，高速切削刀具切入切出时破损问题，高速切削用刀具材料价格昂贵，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具夹持要牢靠安全，主轴系统昂贵且寿命短，而且所用高速加工机床及其控制系统价格昂贵，使得高速切削的一次性投入较大，这些问题制约着高速切削的进一步推广应用。高速切削发展趋势和未来研究方向归纳起来主要有：(1)新一代高速大功率机床的开发与研制；(2)高速切削动态特性及稳定性的研究；(3)高速切削机理的深入研究；(4)新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究；
(5)进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围；(6)开发适用于高速切削加工状态的监控技术；(7)建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术；(8)基于高速切削工艺，开发推广干式(准干式)切削绿色制造技术；(9)基于高速切削，开发推广高能加工技术。
三、高速切削加工的关键技术
高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合发展的结果，高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床、最佳的加工工艺技术和与工件材料相适应的刀具相结合。
1.高速机床技术
高速切削机床是高速切削应用的基本条件。高速机床枝术主要包括高速单元技术(或称功能部件)和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等;机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施和加工坏境等。现主要就单元技术简介如下。速主轴是实现高速切削的重要条件，而轴承又是主轴单元的核心部件，其性能好坏将直接影响主轴单元的工作质量。由于速度的提高，轴承的温升、振动和噪声等也将随之增大，而寿命将可能缩短。因此，提高主轴转速的前提是研制开发出性能优越的高速主轴轴承。目前，在高速主轴单元中已采用的轴承有空气轴承、静压轴承、动静压轴承、磁悬浮轴承、滚动轴承等，由于它们各自的工作机理和特点，决定了它们各自的最佳工作场合。
1 轴承类型
(1)空气轴承及静压轴承
空气轴承采用空气冷却和气膜支承，运转平滑，由于气体的粘度小，允许在摩擦损耗不大、润滑剂和支承的温升不高的情况下实现高速旋转。因此，特别适合做高速回转副的支承元件，但由于受到能承受的切削载荷及过载能力较小的限制，在机床结构中，通常适宜于应用在高速内圆磨床磨轴的轴承(105r/min以上)上。
静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而使转速受到限制，但由于通过静压原理润滑轴承而使轴承润滑系统相对简单，因此，在机床主轴支承中也有一定的应用。
(2)动静压轴承
动静压混合轴承采用流体动力和流体静力相结合的方法，同时利用高压油的静压作用和轴转动引起的动压效应来形成油膜，使主轴在油膜支撑中旋转，它在运转时既利用动压又利
用静压来承载，既发挥了高速时的动压效应又利用了低速和高速时优良的静压效应，因而兼有动压和静压轴承的优点：径向和轴向跳动精度高、刚性好、阻尼特性好、粗精加工均适用、轴承寿命无限长等优点。但这种轴承必须根据具体机床进行专门设计，单独生产，因此，标准化程度低，维护保养也困难。
(3)磁悬浮轴承
磁悬浮轴承是由电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来的新型智能化轴承。其转子与定子之间无任何接触，工作中完全无磨损，精度高，温升小，无振动和噪声，因此允许的最高转速可比球轴承高1~4倍，最大线速度可达300m/s。并能进行实时诊断和在线监控，是高速加工机床主轴比较理想的支承元件。但磁悬浮轴承的磁材料性能和控制系统目前尚有许多课题亟待研究和解决。
1.机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到0～42000r/min，甚至更高。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提高，甚至机床的成本也下降了。噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。MIKRON 公司便采用了本集团“STEP－TEC”公司生产的电主轴，这种电主轴采用了其特别的、最先进的矢量式闭环控制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主轴在全部工作时间内温度衡定。高速主轴单元是高速加工机床的核心部件，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡及噪声等多项相关技术。
高速主轴一般做成电主轴的结构形式，电主轴又称内装式电机主轴单元，其主要特征是将电机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电机和主轴一体化的功能。电主轴一般选用陶瓷球轴承、静压轴承、气浮轴承及磁悬浮轴承等;同时，用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，以实现其每分钟几万甚至十几万转的转速;冷却方面，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂来给高速运行的电主轴散热。
何为矢量式闭环控制呢？其实就是借助数/模转换，将交流异步电动机的电量值变换为直流电模型，这样，既可实现用无电刷的交流电机来实现直流电机的优点，即在低转速时，保持全额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和制动。以UCP710机床切削45#钢为例，用STEP-TEC的主轴铣削，铣刀直径?63mm, 主轴转速为1770r/min，金切量为540cm3/min；在无底孔钻孔时，钻头直径?50mm, 转速1350r/min，可一次钻出，而无需常用的先打中心孔,而后钻孔再扩孔的方法。
2.机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。用手一推就可以将几百公斤甚至上千公斤的重工作台推动。其特有的双Ｖ型结构，大大提高了机床的抗扭能力；同时，由于磨损近乎为零，导轨的精度寿命较之过去提高几倍。又因为配合使用了数字伺服驱动电机，其进给和快速移动速度已经从过去最高的6m/min，提高到了现在的20～60m/min，MIKRON公司的最新型机床使用线性电机，进给和快移速度可达80m/min。
3.目前最先进的数控系统已经可以同时控制8根以上的轴，实现五轴五联动，甚至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms；同时，均配置功能强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干预，随时修改。外接插
口，数据传输速度快，甚至可以与以太网直联；加上全闭环的测量系统，配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现1～2g的加速和减速运动。
4.机床床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动，考虑到刀具重量的变化极小，这样，在工件乃至工作台不进行快速线性移动的情况下，机床快速线性移动的部件的重量近乎常量，因此，更容易实现快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定，从而保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。
5.刀具的材料和技术的发展也是高速切削得以实现的一个重要因素。由于在高速切削时，切削力已经不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是传统的锥柄，而是短圆柄，即HSK型柄，不需拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响。重要的是需要动平衡，即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进行平衡。刀具本身采用通体硬质合金刀，或在硬质合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即PCD等，使刀具可以承受高达300～500m/min的切削线速度。
6.切削时采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。
此外，工件材料也是选择刀具及工艺参数的重要依据，日益成熟的高速硬切削加工技术也为高硬度材料加工提供了更高效的解决途径。硬切削是指采用单刃或多刃刀具对淬硬零件进行切削加工，是一种“以切代磨”的新工艺，也是高速切削技术一个新的应用领域。与传统磨削加工相比，高速硬切削具有效率高、柔性好、工序少、投资省等优点。目前，硬切削新工艺正被模具、航空、汽车等许多工业部门所采用，并取得了较好的效果。
3.刀具技术
随着切削技术进入高速时代，传统的刀具技术已经不能满足现代高速切削的需求，因此美国、德国和日本等工业发达国家相继开发出了新的刀具材料和新型刀具系统，这对于现代高速机械加工生产提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。
在高速切削技术的发展过程中，一个重要的障碍就是刀具材料的耐高温和耐磨损问题。为了解决这些问题，刀具材料由早期的高速钢、硬质合金发展到陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和金刚石刀具等新型具有高强度、高硬度、抗冲击能力、耐磨性及耐热性强的新型材料刀具。如聚晶立方氮化硼的刀片硬度达3500～4500HV，已成为高速切削淬硬钢的首选刀具材料。同时，为了提高刀具的综合性能，发展了刀具涂层枝术和烧结压层技术，这不仅大大的提高了刀具的性能，而且降低了成本，更加适用于经济生产。在我国，一些高校研究单位也在进行这些新刀具材料的研究，但规模很小，距实用化还有相当大的距离。因此，高速切削刀具的国产化也是机械制造行业急需解决的问题。
高速切削用的刀具，尤其是高速旋转刀具，由于旋转速度很高，无论从保证加工精度方面考虑，还是从操作安全方面考虑，对它的装夹技术都有更高的要求。开发新型的刀柄和刀具夹头已成为高速刀具技术的一个重要的组成部分。目前应用于高速加工的工具系统主要有HSK、KM和NC5等，如图所示。其中HSK刀柄是德国阿亨工业大学机床研究所研究的一种高速短锥刀柄，其结构特点是空心、薄壁、短锥，锥度为1:10;端面与锥面同时定位、夹紧，刀柄在主轴中的定位为过定位;使用由内向外的外涨式夹紧机构。HSK工具系统最突出的特点就是端面和锥面同步接触，非常适用于高速加工，在国内外的高速加工中应用较为广泛。高速切削刀具的发展情况
金刚石刀具材料。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。然而,由于天然金刚石价格昂贵,加工焊接非常困难,除少数特殊用途外,很少作为切削工具应用在工业中。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技
术,使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单,因此在超精密镜面切削的高技术应用领域,天然金刚石起到了重要作用。
立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料,是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超材料——CBN 微粉。立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石,但其氧化温度高达1360℃ ,且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此,虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备,但仍是适合钢类材料切削,具有高耐磨性的优良刀具材料。CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能,因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料,也是国内外公认的用于硬态切削,高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。PCBN刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。
陶瓷刀具。与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此,加工钢材时,陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍,其红硬性比硬质合金高2～6倍,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差,制约了它的应用推广,而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具,在生产中有美好的应用前景,目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。
涂层刀具。涂层材料的发展,已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层,经历了TiC-112o3-TiN 复合涂层和TiCN、TiA1N等多元复合涂层的发展阶段,现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN,等多元复合薄膜材料,使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中,工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。(氮)化钛基硬质合金(金属陶瓷)金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同,主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金而低于陶瓷材料,横向断裂强度大于陶瓷材料而小于硬质合金,化学稳定性和抗氧化性好,耐剥离磨损,耐氧化和扩散,具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。
理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的热传导系数,良好的机械性能和热稳定性能。理想的刀具使得高速硬切削能够作为代替磨削的最后成型工艺,达到工件表面粗糙度、表面完整性和工件精度的加工要求。硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在硬切削中获得较广泛应用。
陶瓷刀具和CBN刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。与陶瓷刀具相比,CBN刀具拥有更高的断裂韧性,因此更适合断续切削加工。为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。因此,具有优良综合性能的CBN刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。
一般而言,PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属材料及其合金和非金属材料的高速加工;而CBN、陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工。故在模具加工中,特别是针对淬硬性模具钢等高硬度钢材的加工,CBN刀具性能最好,其次为陶瓷刀具和涂层硬质合金
四、高速切削刀具材料
1) 高速切削刀具材料
金刚石
天然金刚石
聚晶金刚石(PCD)
人工合成单晶金刚石
金刚石涂层
立方氮化硼(PCBN)
陶瓷刀具：有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类
TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)
涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。
硬涂层：CVD的TiCN+Al2O3+TiN；TiCN+Al2O3； TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3和TiCN、TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等
软涂层：硫族化合物(MoS2，WS2)涂层的高速钢刀具
超细晶粒硬质合金：细晶粒(0.2-0.5μm)的WC基硬质合金，添加TaC、NbC等
粉末冶金高速钢(PM HSS)和高性能高速钢HSS-E
图11 刀具材料应用示意
2) 高速切削刀具材料的合理应用
高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。
刀具材料性能
硬度大小：金刚石PCD>立方氮化硼 PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基硬质合金>WC基超细
晶粒硬质合金>高速钢HSS。
抗弯强度大小：HSS>WC基>TiC(N)基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN。
断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基。
耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。
高速切削刀具材料合理应用
加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。
加工钢和铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。
加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si3N4基陶瓷刀具(如SiC晶须增韧)和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。
加工钛合金：一般可用 WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。
五、高速切削加工的刀柄系统
JT或BT系统：刀柄锥度7:24，单面接触。
HSK系统：刀柄锥度1:10，双面接触。
JT刀柄(7:24) JT刀柄与主轴接合图
HSK刀柄(1:10) HSK刀柄与主轴接合图
刀柄与主轴接触
不同刀柄系统，高速加工时，离心力有很大影响。
7:24主轴/刀柄联结
主轴转速达到某一极限值 (n=15000r/min，F=15kN) 时，主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极大地降低了刀柄在主轴锥孔内的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可靠性。
(a)联结面间的间隙(单位:m) (b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)
图12 7:24刀柄与主轴的联结 (转速n=15000r/min, 轴向拉力F=15kN)
而HSK则不同。
(a)联结面间的间隙(单位:m) (b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)
图13 HSK-A63刀柄与主轴的联结 (n=10000r/min)
刀具转速对径向间隙有影响。
(a) 7:24 (b) HSK-A63
图14 旋转速度对径向间隙的影响 (n=10000r/min)
7:24联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min 以上，由于精度降低，无法使用。HSK－63A刀柄系统最佳转速范围为0－30000r/min，超过
这个范围精度降低。
六、高速切削加工的安全技术
1) 高速旋转刀具的平衡
高速切削旋转刀具系统必须平衡，但应根据其使用速度范围予以平衡，以达到最佳经济条件。一般在6000rpm以上必须平衡，以保证安全。要求G≤2.5, G为平衡品质(mm/s)，即反映刀具平衡量与转速关系的参数。
pN U p·U·N
30 M 30·M
e－偏心(g×mm/Kg)
M－刀体质量(Kg)
w－角速度(r/s)
m－不平衡量(g)
N－转速(r/min
r－不平衡半径(mm)
U－残余不平衡量(g×mm) 残余不平衡量 U=m×r
动平衡线图
SHENCK动平衡仪在5000 r/min时刀片甩出的面铣刀
36000r/min时弯曲与折断的直径12 mm的带柄立铣刀
在36700r/min时爆碎的面铣刀
高速切削刀具的安全性：防止离心力造成刀体与夹紧零件破坏和刀片的夹紧不可靠。高速切削刀具破坏实例见上图。
2) 可转位刀具安全性
(a)立装可转位铣刀 (b)平装可转位铣刀
可转位面铣刀
螺钉分析：刀片外移和螺钉弯曲
旋转速度对刀具变形的影响
金属去除率对螺钉最大等效应力的影响
不同装夹方式下的螺钉极限转速
分析结果表明：从安全性看，对可转位面铣刀刀具，旋转离心力造成刀片夹紧，螺钉的破坏和刀体的变形有最主要的影响，立装铣刀优于平装铣刀。
3) 整体硬质合金立铣刀的安全性
φ10mm三齿立铣刀仅受离心力作用的应力图(n=10,000r/min)
φ10mm三齿立铣刀刀具受离心力、切削力作用的应力图
金属去除率对φ10mm刀具应力的影响
对于小直径整体式硬质合金铣刀而言，旋转离心力对刀具的变形、应力分布影响很小，完全可以忽略不计。其应力水平的高低是由切削力决定的。
七、高速切削加工技术的应用实例
数控高速机。
数控高速机是雕铣机的一个发展方向。高速度可以带来高效益，数控高速机具有雕铣机的优良血统，是针对高端市场推出的领先技术产品。一般认为数控高速机应该具有一下特点：数控高速机的主轴转速很快，主轴最低转速也在30000r/min；进给速度很高，市面上80m/min 的高速机已经很普遍了，120m/min的也已经出现。要做到这两点不单只针对主轴电机和伺服进给系统，而是对整台机器提出更高的要求。目前国产的高速机比较优秀的有佳铁JTGK650。
数控高速机——JTGK650
数控高速机包含：高速主轴单元，高速进给系统，高速CNC控制系统，高性能的刀具系统，机床支承技术和辅助单元（装夹、冷却、安全、清洁等）。
高速主轴单元
高速主轴部件是高速机床最为关键部件之一，同时高速主轴单元的没计是实现高速加工
的关键技术之一。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。不同类型的主轴输出功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速，并在指定的位置快速准停，这要求主轴具有很高的角加速度。主轴的驱动如果通过带传动等中间环节，不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪声，而且增加了转动惯量，机床主轴快速准停非常困难。高速加工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电动机直接驱动的集成结构形式。集成化主轴有两种形式：一种是通过联轴器把电动机与主轴直接联接，另一种是把电动机转子和主轴做成一体。
高速进给系统
高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率，也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工件的表面质量。进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给，除了可以采用经过改进的滚珠丝杠副外，直线电动机驱动成为高速进给系统的发展方向。
高速CNC控制系统
高速加工机床主轴转速、进给速度和进给加减速非常高，因此对高速加工机床的控制系统提出了更高的要求。用于高速切削的数控装置必须具备很高的运算速度和精度。采用快速响应的伺服控制，以满足复杂型腔的高速度加工要求。
数控高速机床身（支承）
为保证机床的高精度、高稳定性和高刚性，所有铸件都应采用有限元分析来优化设计、采用高阻尼性能的优质铸铁制造，均经过了振动时效处理。可直接对淬硬模具钢进行高速铣削，且曲面加工速度快、质量好、大大缩短了模具加工的工艺流程、提高生产效益。床身、一体化横梁等主要部件保留砂芯都使机床的抗振性能更佳。
高速机的使用：
1.高速加工与传统加工方式的区别
2.传统加工工艺采用低转速、大功率主轴，低进刀速度，较大切削量，由于刀具和工件表明都承受很的大的切削力，在刀具和工件表明将产生很高的热量，工件的热变形很大，刀具发热磨损寿命变短，这样传统加工方式时间比较长，加工精度、光洁度较差，刀具损耗大。
3.高速加工方式采用小切削量和进刀深度，5~10倍于传统加工方式的切削速度，这意味着主轴轴承、刀具和工件承受较小的切削力，由于切削速度高，加工产生的大部分热量都被铁屑带走，工件就可以有非常好的表面光洁度和加工精度，同时大幅度缩短加工时间。
4.高速机床和传统机床的有效配合
5.高速加工是传统加工的继承和发展而不是放弃。最科学的使用方法是：采用传统加工方式把大切削量（开粗）的工序完成后，将剩余0.5mm左右的加工余量的工件在高速加工机床上快速完成，这样做有很多好处：重切削机床很多，加工费用很低，刀具便宜，可节省很大的加工成本。开粗加工完毕后加工工件接近成型，切削量较小，这样就可以最大限度的发挥高速加工机床的优势，快速成型，加工尺寸精度高，并且工件有非常好的表面光洁度，节省抛光时间，有时可以达到光面效果。
数控高速机精密：
1.数控高速机的速度高惯性冲击大，故直线导轨有要求较高（有的用硬轨在这里不做讨论），另一个丝杠方面要求两端预拉，螺帽预压采用双螺帽清除轴向间隙。日前这方面日本的技术相对专业，THK，NSK，台湾的进年来也有了点发展，但多数高端机床用日本的，这是些部件是精确主位的保障。
八、高速切削加工技术展望
高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流
切削速度目标：
铣加工铝及其合金10000m/min；铣加工铸铁5000m/min；铣加工普通钢2500m/min。
钻削铝及其合金30000r/min，钻削铸铁20000r/min，钻削普通钢10000r/min。
进给速度目标20～50m/min，进给量1.0～1.5mm/齿。
铝及其合金等有色金属和碳纤维增强塑料等非金属材料的切削速度主要受限于机床主轴最高转速和功率。在高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速精密数控系统，以及配套的高速轴承及其润滑技术、刀库技术和自动换刀装置及监控技术等正在迅速发展，可望达到更高的加工水平。
铸铁、钢及其合金、钛及钛合金、高温耐热合金等超级合金以及金属基复合材料的高速切削加工目标主要受刀具寿命困扰，发展新型高温力学性能(硬度、强度与断裂韧性)和高抗热震性能更高的高可靠性的刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。
现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料(包括自润滑刀具材料)，特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点。
金刚石刀具领域，人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层刀具具有更好的优越性，随技术日益成熟和成本降低，可望成为高速切削有色金属和非金属材料比较理想的刀具材料。
陶瓷刀具有独特优越性，可望通过多种强韧化机理(如微－纳、纳－纳等)大幅度提高其性能，它将成为高速切削钢、铁材料的最有前途的刀具材料之一。
涂层刀具在高速切削加工技术领域具有巨大潜力，通过深入研究涂层技术和涂层物质，如高强度的硬质合金粉末表面涂层、CBN涂层，纳米涂层等进一步提高其性能，可望成为高速切削加工最具有诱人吸引力的刀具材料。
在发展高速切削加工技术领域，开发高效复合切削技术和高性能切削技术及其多功能与专用刀具，是提高切削效率和加工质量十分有效的方法之一，如下图所示，它是高效切削加工技术的重要发展方向。
高速加工技术现状及发展趋势 1引言 对于机械零件而言，高速加工即是以较快的生产节拍进行加工。一个生产节拍：零件送进--定位夹紧--刀具快进--刀具工进(在线检测)--刀具快退--工具松开、卸下--质量检测等七个基本生产环节。而高速切削是指刀具切削刃相对与零件表面的切削运动(或移动)速度超过普通切削5～10倍，主要体现在刀具快进、工进及快退三个环节上，是高速加工系统技术中的一个子系统；对于整条生产自动线而言，高速加工技术表征是以较简捷的工艺流程、较短、较快的生产节拍的生产线进行生产加工。这就要突破机械加工传统观念，在确保产品质量的前提下，改革原有加工工艺(方式)：或采用一工位多工序、一刀多刃，或以车、铰、铣削替代磨削，或以拉削、搓、挤、滚压加工工艺(方式)替代滚、插、铣削加工…等工艺(方式)，尽可能地缩短整条生产线的工艺流程；对于某一产品而言，高速加工技术也意味着企业要以较短的生产周期，完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。 高速加工技术产生于近代动态多变的全球化市场经济环境。在激烈的市场竞争中，要求企业产品质量高、成本低、上市快、服务好、环境清洁和产品创新换代及时，由此牵引高速加工技术不断发展。自二十世纪八十年代，高速加工技术基于金属(非金属)传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术，逐步发展成为综合性系统工程技术。现已广泛实用于生产工艺流程型制造企业(如现代轿(汽)车生产企业)；随着个性化产品的社会需求增加，其生产条件为多品种、
单件小批制造加工(机械制造业中，这种生产模式将占到总产值的70%)，高速加工技术必将在生产工艺离散型或混和型企业中(如模具、能源设备、船舶、航天航空…等制造企业)得到进一步应用和发展。 二十世纪末期，我国变革计划经济体制，改革开放，建成有中国特色社会主义市场经济体制。实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备)，在机械制造业得到广泛应用，相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。企业家们对现代信息技术和企业制度、机制在未来可持续发展、市场竞争中的重要地位和作用，认识日益深刻。社会主义市场经济环境，不仅促进企业转制、调整产业、产品结构和技改，还给企业展现出应用和发展高速加工技术良好而广阔的前景。 2我国引进数控轿车自动生产线中的高速加工技术 二十世纪八十年代以来，我国相继从德国、美国、法国、日本…等国引进了多条较先进的轿车数控生产自动线，使我国轿车制造工业得到空前发展。其中较典型的是来自德国的一汽--大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其处于国际二十世纪九十年代中期水平。其中应用了较多较实用的高速加工技术。从中可部分了解到世界高速加工技术的现状与发展趋势。本文重点介绍一汽--大众捷达轿车传、发生产线。 引进的捷达数控轿车自动生产线概况 一汽--大众捷达轿车自动生产线由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成。同步引进德国大众汽车公司并行工程管理模式与管理技术，
数控技术结课论文 题目： 超高速切削技术的发展现状及趋势 学 部 信息科学与工程学部 学科门类 工学 专 业 XXXXXX 学 号 XXXXXXXXXX 姓 名 XXXXXX 指导教师 XXXX 20XX 年XX 月XX 日 装 订 线 河北大学工商学院
超高速切削技术的发展现状及趋势 摘要 当前机械制造业领域中先进制造技术的应用越来越广泛而深入，超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分,也已被积极地推广使用。本文主要针对于先进制造技术中超高速切削这一方面做了广泛的调查研究，阐述了什么是超高速切削技术以及超高速切削技术的发展现状，并对超高速切削技术在国内和国外的发展做了具体仔细的分析比较，就超高速切削技术的未来发展趋势做了简明的分析。 关键词：先进制造；高速切削；数控机床；发展现状 The present status and development trend of high speed cutting technology ABSTRACT Application of the current field in mechanical manufacturing industry and advanced manufacturing technology more widely and deeply, ultra high speed cutting technology is an important part of advanced manufacturing technology, has also been actively promoting the use of. In this paper, aiming at the super advanced manufacturing technology of high speed cutting this has done extensive research, mainly expounds what is ultra high speed cutting technology and the high speed cutting technology development status, and make a specific careful analysis on the two aspects of high speed cutting tool and the high speed cutting technology of high speed cutting technology, the future development trend ultra high speed cutting technology has made the concise analysis. Key words：Advanced manufacturing；High speed cutting；CNC machine tool；Development Status
机械制造中高速切削加工的应用参考文本 In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each Link To Achieve Risk Control And Planning 某某管理中心 XX年XX月
机械制造中高速切削加工的应用参考文 本 使用指引：此安全管理资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。 高速切削加工是一种重要的机械制造技术，被广泛的 应用在机械制造领域。高速切削加工技术不仅提高了加工 的效率，还提高了机械制造产品的质量。通过深入分析机 械制造中高速切削加工的应用，不断提高高速切削加工技 术，从而推动机械制造行业的快速发展。本文分析了高速 切削加工技术概述和高速切削加工技术的应用领域，阐述 了机械制造中高速切削加工的关键技术。 机械制造中高速切削加工的应用，不仅能够提高模具 的精度，确保机械加工的正常使用和高速运转，并且有效 地简化机械制造的工作程序，提高工作质量和效率，满足 机械加工的需要。机械制造中高速切削加工，推动了机械
制造领域的快速发展。 一、高速切削加工技术概述 高速切削加工技术是机械制造领域最重要的一项技术，集低耗、优质、高效为一体，高速切削加工技术在机械制造中的应用，解决了机械制造领域的中一系列问题，和传统的切削加工技术相比，给进速度、切削速度都有了明显的提高，并且具有很高的加工精度。高速切削加工是一项综合性的系统工作，主要由高速切削软件系统、高速切削刀具、高效的刀具夹持系统等构成。 高速切削加工技术有很多的优点，工件变形小、切削力低、切削周期短、去除材料率高，高速切削加工技术的应用主要依据产品所需的几何形状和工件材料，在机械制造中高速切削加工技术也有很多的缺点，高速切削加工技术需要使用大量的刀具，由于速度过快，刀具的磨损严重，经常需要高质量的机床，最重要的是高速切削加工技
班级：机制2班姓名：周明学号：1208470528 超高速加工发展状况及趋势 随着时代发展与科学进步，各个国家关于对超高速加工技术的投资与研究使用的比例越来越高，但是各国的发展水平却依然存在很大的差距。 超高速加工到2005年基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达40~60m/min，砂轮磨削速度达100~150m/s;超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。超高速加工已经成为先进制造技术竞争的一个制高点。超高速加工中，工件与刀具相互高速撞击，力的瞬态作用使剪切局限在一个微区域，能量在此微区的耗散使材料局部高温，可能达到熔化或接近熔化的状态。正反馈效应使局部绝热剪切作用愈加增强。切削速度越高，这种绝热剪切作用也越强，接近音速的超高速切削走向极端条件，带来了诸多新机理研究和对传统切削机理的突破性挑战。机床工作在数万转/分转速下承受冲击载荷，依然达到μ级的工作精度，要求实现机床主轴系统旋转的高精度高稳定性控制以及整机动静热特性的精确设计。冲击载荷下，主轴的高刚度、高精度要求轴承工作间隙很小，在微间隙中轴承润滑介质受到强剪切与挤压，同样达到了一种极端的工况。 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工技术主要包括:超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。 超高速切削是金属切削加工技术的新发展。在今后15年内,现代机床技术将在机床设计、结构、金属切削效率和生产率等方面有重大突破。预计九十年代生产的机床将比七十年代生产的机床体积更小,速度更快。它将采用强度与重量之比很高的材料(有色金属狈非金属材料)来代替钢和铸铁。在加工速度方面,未来的机床主轴将以10万转/分的速度进行工作,金属切削效率将为今夭的十倍,加工精度和表面光洁度也将有本质上的改进。下面对美国洛克希德飞机公司研究和试验超高速切削加工的情况作一概括介绍。 超高速切削原是美国洛克希德公司在三十年代提出的一个实验理论,它认为金属切削效率直接与切削速度有关。特别是该理论断定,当切削速度在10万英尺/分(3万米/分)以上时,金属切削效率将提高50~1。。O倍。这个理论直到五十年代后期才得到证实。当时该公司在加工口径为20毫米的滑膛大炮炮筒时进行了试验,试验结果表明,增加切削速度有助于提高生产率,并充分证明超高速切削的理论是可行的。但是由于当时有些技术问题没有解决,特别是刀具和工件的高速运动的控制还存在一系列的问题,因此,对超高速切削的研究中断了。六十年代初,美国空军主持研究用超高速切削方法,加工钦、铝、不锈钢和热处理钢,他们使用单刃刀具加工火箭发动机零件,切削速度达到1.5~36万英尺/分(。.45、10万米/分),研究表明,用超高速切削方法加工这些宇宙航空用的金属材料,切削效率要比用普通方法加工高很多倍。 机械装备大多工作在力热耦合状态下，现代CAE技术对连续的机械结构的特性预测已达到很高的精度。分析的困难发生在结构界面造成的不连续性。因此，无论整机的结构设计，还是高速切削中，刀具与工件材料的强烈摩擦，以及高速轴承支承的工作表面与润滑介质的相互作用都存在界面强耦合作用问题。 Salomon高速切削（high speed machining,HSM或high speed cutting,HSC）的理念提出以来，超越“热沟”、切削力和切削热同时下降的假设始终未得到验证。超高速加工过程中，被切材料与刀具以接近声速进行瞬间碰撞，材料的高速激烈应变和切屑的瞬间形成，工件材料的
1. 论述高速切削的特点。 材料去除率高，切削力较小，工件热变形小，工艺系统振动小，可加工各种难加工材料，可实现绿色制造，简化加工工艺流程。高速切削追求高转速、中切深、快进给、多行程的加工工艺，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。加快产品开发周期，大大降低制造成本。 2.阐述高速切削技术研究体系、关键技术。 数控高速切削加工技术是建立在机床结构与材料、高速主轴系统、高性能CNC控制系统、快速进给系统、高性能刀具材料、数控高速切削加工工艺、高效高精度测试技术等许多相关的软件和硬件技术基础之上的一项复杂的系统工程，是将各单元技术集成的一项综合技术。关键技术：高速切削机理；高速切削刀具技术；高速切削机床技术；高速切削工艺技术；高速加工的测试技术。 3.阐述高速切削发展趋势。 机床结构将会具有更高的刚度和抗振性，使在高转速和高级给情况下刀具具有更长的寿命；将会用完全考虑高速要求的新设计概念来设计机床；在提高机床进给速度的同时保持机床精度；快换主轴；高、低速度的主轴共存；改善轴承技术；改进刀具和主轴的接触条件；更好的动平衡；高速冷却系统。（新一代高速大功率机床的开发和研制；新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究；进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围；高速切削机理的深入研究；高速切削动态特性及稳定性的研究；开发适用于高速切削加工状态的监控技术；建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术；基于高速切削工艺，开发推广干式（准干式）切削绿色制造技术；基于高速切削，开发推广高能加工技术） 4结合典型工件材料和加工工艺方法，讨论高速切削的速度范围。 （1）根据工件材料：刚才380m/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，认为是合适的速度范围。（2）根据加工工艺方法：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削5000~10000m/min，认为是合适的速度范围。 5讨论高速切削加工的切削力变化规律。 （1）切削用量对切削力的影响:背吃刀量ap增大，切削力成正比增加，背向力和进给力近似成正比增加。进给量f增大，切削力与增大，但切削力的增大与f不成正比（75%）（2）工件材料对切削力的影响：较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。a材料的强度、
浅析数控高速切削加工 【摘要】数控高速切削加工以高效率和高精度为基本特征，它在切削机理上是对传统切削的重大突破，是近20多年来迅速崛起的先进制造技术之一。文章介绍了“数控高速切削加工”的内涵、优势、应用现状和发展趋向，提出了在实现高速切削加工中应关注的主要问题。 【关键词】高速；加工机理；优势；推广价值 1.前言 高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用能够得到解决。“高速切削”的概念是由德国物理学家 carl.j.salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度与切削温度理论。该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。随后，高速切削技术的发展经历了4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段（193l—l971年），高速切削的应用探索阶段（1972-1978年），高速切削实用阶段（1979--1984年），高速切削推广阶段（20世纪90年代至今）。 对高速切削加工的界定有以下几种划分思路：一是以主轴转速作为界定高速切削加工的尺度，认为主轴转速在10000-20000r/min 以上即为高速切削加工；二是以主轴直径d和主轴转速n的乘积dn 来界定，当dn值达到（5～2000）×105mm.r/min，则认为是高速
切削加工，新近开发的加工中心主轴dn值大都已超过100万；三是以切削速度高低来区分，认为切削速度跨越常规切削速度5至10倍即为高速切削加工。 2.数控高速切削加工的优势 随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的“量小速快”使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，十分有利于刚性差和薄壁零件的加工。高速切削加工中，主轴转速的提高使切削系统的工作频率远离了机床的低阶固有频率，提高了切削系统的刚性，进而使产品表面质量获得提高。 数控高速切削加工和常规切削相比的主要优势可归纳为：第一，生产效率可提高3～10倍。第二，切削力可降低30%以上。第三，切削热95%被切屑及时带走，特别适合加工容易热变形的零件。第四，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，适合加工精密零件。第五，经济效益明显。 3.数控高速切削加工的应用 数控高速切削工艺的应用，能使制造成本降低20%左右，产生新的经济增长点。以某锻造厂加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工→仿形铣粗加工型槽→热处理→外形精加工→数控电火花粗、精加工型槽→钳工打磨抛光型槽→表面强化处理。而采用高速切削加工后的工序为：外形粗加工→热处理→外形精加
高速切削加工技术 在现代机械切削加工技术中，高速切削正在越来越多地被人提及，其技术已开始被使用，随之而来的，首先是高速机床，那么，高速切削与传统切削技术究竟有什么不同? 其实现的条件是什么? 实现它有哪些益处? 其适用性怎么样呢? 本文将试图回答这些问题，并且尽可能结合目前在世界上居领先水平的瑞士MIKRON公司的机床的结构、特点来分析，用它同目前国内仍在普遍应用的传统的加工方法和切削理论相比较，促进高新技术在国内的应用和普及。 缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量，是我们提高劳动生产率、实现经济性生产的一个重要的目标。有人认为，一提高速加工，就是主轴转速要几万转；只要主轴转速一达到几万转，就可以实现高速切削，这其实是不全面的。 随着科学技术的发展，现代机床已经具备了下面的条件，也只有具备这些条件，才会使得高速切削成为可能。 1.机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到0～42000r/min，甚至更高。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可*性提高，甚至机床的成本也下降了。噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。MIKRON公司便采用了本集团“STEP－TEC”公司生产的电主轴，这种电主轴采用了其特别的、最先进的矢量式闭环控制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主轴在全部工作时间内温度衡定。 何为矢量式闭环控制呢？其实就是借助数/模转换，将交流异步电动机的电量值变换为直流电模型，这样，既可实现用无电刷的交流电机来实现直流电机的优点，即在低转速时，保持全额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和制动。以UCP710机床切削45#钢为例，用STEP-TEC 的主轴铣削，铣刀直径?63mm, 主轴转速为1770r/min，金切量为540cm3/min；在无底孔钻孔时，钻头直径?50mm, 转速1350r/min，可一次钻出，而无需常用的先打中心孔,而后钻孔再扩孔的方法。 2.机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。用手一推就可以将几百公斤甚至上千公斤的重工作台推动。其特有的双Ｖ型结构，大大提高了机床的抗扭能力；同时，由于磨损近乎为零，导轨的精度寿命较之过去提高几倍。又因为配合使用了数字伺服驱动电机，其进给和快速移动速度已经从过去最高的6m/min，提高到了现在的20～60m/min，MIKRON公司的最新型机床使用线性电机，进给和快移速度可达80m/min。 3.目前最先进的数控系统已经可以同时控制8根以上的轴，实现五轴五联动，甚至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms；同时，均配置功能强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干预，随时修改。外接插口，数据传输速度快，甚至可以与以太网直联；加上全闭环的测量系统，配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现1～2g的加速和减速运动。 4.机床床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动，考虑到刀具重量的变化极小，这样，在工件乃至工作台不进行快速线性移动的情况下，机床快速线性移动的部件的重量近乎常量，因此，更容易实现快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动态平衡，减少由于动态冲击所带来的
高速切削加工技术 许磊 （合肥学院机械工程系13机制（1）班 1306011031） 摘要：高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，与传统加工技术相比是质的飞越，具有高生产效率、小切削力、高加工精度、低能耗等特点。可以解决在模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题，有着强大的生命力和广阔的应用前景。 关键词：高速加工工艺、高速加工应用、高速加工趋势。 引言：对于某种机械零件而言，高速加工就是以较快的生产节拍进行加工。一个生产节拍：零件送进 →定位夹紧→刀具快进→刀具工进（在线检测）→刀具快退→工具松开、卸下→质量检测等7个基本生产环节。而高速切削是指刀具切削刃相对与零件表面的切削运动（或移动）速度超过普通切削5～10 倍，主要体现在刀具快进、工进及快退三个环节上，是高速加工系统技术中的一个子系统。对于整条自动生产线而言，高速加工的表征是以简捷工艺流程，以较短、较快的生产节拍的生产线进行生产加工。这就要求突破机械加工传统观念，在确保产品质量的前提下，改革原有加工工艺（方式），尽可能地缩短整条生产线的工艺流程。对于某一产品而言，高速加工也意味着企业要以较短的生产周期，完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈相关信息。 一、高速切削工艺 加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。 1．切削参数的选择 在高速切削加工中，必须对切削参数进行选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣）等． 2．切削路径的选择 切削路径的选择与优化在高速切削加工中，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，还要采取不同的切削路径才能得到较好的切削效果。切削路径优化的目的是提高刀具耐用度，提高切削效率，获得最小的加工变形，提高机床走刀利用率，充分发挥高速加工的优势。主要包括: 1)走刀方向的优化在走刀方向的选择上，以曲面平坦性为评价准则，确定不同的走刀方向选取方案；对 于曲率变化大的曲面以最大曲率半径方向为最优进给方向，对曲率变化小的曲面，以单条刀轨平均长度最长为原则选择走刀方向。 2)刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化，尽量走直线，路径尽量光滑的要求选择加工策略，选择合适 的插补方法，保证加工面残留高度的要求，采用过渡圆弧的方法处理加工干涉区，这样在加工时就不需要减速，提高加工效率。 3)柔性加减速和断刀的几率。选取合适的加减速方式，减少启动冲击，保持机床的精度，减少刀具颤振。 3．刀具材料的选择 刀具材料的合理选择遵循以下原则: 1)切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配，主要指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能相 匹配，具有优良高温力学性能的刀具尤其适合高速切削加工。对于硬脆刀具（如硬质合金和陶瓷）的磨损起决定作用的主要因素是其力学性能。 2)切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配，主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、 热膨胀系数、抗热冲击能力等物理参数要相匹配。加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。对于精密加工则要选用热膨胀系数小的刀具材料（金刚石等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热
毕业设计(论文)外文资料翻译 学院(系)：机械工程系 专业：机械工程及自动化 姓名： 学号： 外文出处：High-speed machining and demand For the development 附件：1.外文资料翻译译文;2.外文原文
附件1：外文资料翻译 高速切削加工的发展及需求 高速切削加工是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有高效率、高精度及高表面质量等特征。本文介绍此技术的定义、发展现状、适用领域以及中国的需求情况。 高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得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。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。高速切削加工的优点主要在于：提高生产效率、提高加工精度及降低切削阻力。 有关高速切削加工的含义，目前尚无统一的认识，通常有如下几种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5-10倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同；切削过程中，刀刃的通过频率(Tooth Passing Frequency)接近于“机床－刀具－工件”系统的主导自然频率(Dominant Natural Frequency)时，可认为是高速切削。可见高速切削加工是一个综合的概念。 1992年，德国Darmstadt工业大学的H. Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵盖的范围，如图1所示。认为对于不同的切削对象，图中所示的过渡区(Transition)即为通常所谓的高速切削範围，这也是当时金属切削工艺相关的技术人员所期待或者可望实现的切削速度。 高速切削加工对机床、刀具和切削工艺等方面都有一些具体的要求。下面分别从这几个方面阐述高速切削加工技术的发展现状和趋势。 现阶段，为了实现高速切削加工，一般釆用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床。这些设备的共同之处是：必须同时具有高速主轴系
目录 摘要 (1) 1 引言 (1) 2 超高速加工技术简介 (1) 2.1 超高速加工技术概况 (1) 2.2 超高速加工技术分类 (2) 2.3 超高速加工技术特点 (2) 3 超高速加工技术现状 (3) 3.1 超高速加工技术现状简述 (3) 3.2 国外超高速加工技术发展 (4) 3.3 国内发展情况 (5) 4 超高速加工技术发展趋势 (5) 谢辞 (8)
超高速加工技术的应用和发展趋势 摘要：本文介绍了超高速加工技术的概念、内容和发展现状，并分析了其发展动向。 关键词：高速加工技术、机械制造、应用、发展 1 引言 当前机械制造业为实现高生产率和追求利润,先进制造技术的应用越来越广泛而深入。超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分,也已被积极地推广使用。20世纪20年代德国人Saloman最早提出高速加工(High Speed Cutting, 简称HSC)的概念,并1931 年申请了专利。50年代末及60年代初,美国和日本开始涉足此领域,在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展,使得刀具切削速度得到很大提高,70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在80年代初期,因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊 零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。自80年代中后期以来, 商品化的超高速切削机床不断出现,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。超高速磨削技术在近20年来也得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司在1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kW强力立方氮化硼(CBN)砂轮磨床,Vs达到140~ 160m/s。当今, 超高速加工已经在汽车、航空航天等领域获得应用。 2 超高速加工技术简介 2.1 超高速加工技术概况 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 超高速加工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。可以说,超高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为 1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为 2000~9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削 300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。
高速切削加工技术的现状和发展(1) 中国工程院院士、山东大学艾兴教授 一、概述 机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150～1500cm3/min，超硬刀具材料硬度达3000～8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10um到0.1um。干（准）切削日益广泛应用。随切削速度提高，切削力降低大致为25～30％以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低1～2级；生产效率提高，生产成本降低。 高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。 不同材料的高速切削加工速度范围 高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。 二、高速切削加工理论基础 (1) 切屑形成特征 不同材料在不同状态下的切屑形态: (a) 供货状态，切削速度127.2m/min （b）硬度325HB，切削速度125.5m/min
高速切削加工技术 高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。 近年来，在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。 我国有关汽车模具高速切削加工技术的研究起步较晚。据国际模协秘书长罗百辉介绍，我国众多模具企业相继从美国、德国、法国、日本等国家购买了大量高速加工设备及切削刀具，并在实践中摸索汽车模具高速切削加工的工艺技术，取得了一些成功经验。但是，一方面，引进设备不等于引进技术。高速切削尤其是大型汽车覆盖件模具的高速切削方面，没有成功的经验可供借鉴，怎样使引进的设备尽快发挥出应有的作用是摆在企业管理者和工程技术人员面前的一大课题；另一方面，技术人员在工作中边学习边应用，摸索、积累了一定的高速切削加工实例、工艺参数和工作经验，怎样将这些宝贵的经验和教训总结保存供其他技术人员借鉴、避免多走弯路也是一项难题。 高速切削加工技术在国内外汽车模具制造行业得到了广泛的应用，并且已取得了巨大的效益，但是高速切削加工的机理和相关理论至今仍不完善，针对汽车模具的高速切削数据库尚未建立。国内外企业选择高速切削刀具参数和高速切削加工参数的方式仍以传统的“试
切”法和“经验”法为主，在加工某一新型材料时，往往需要使用多种刀具进行重复切削试验，研究分析刀具的磨损、破损方式及其原因，从中找出一组最佳的刀具材料和加工参数，如此反覆多次，盲目性大，并且浪费大量的人力、财力和资源。而针对特种材料如合金铸铁、高强度合金钢、超级合金（如钛合金）等材料的高速切削加工，如何根据材料特性选择合适的切削刀具，如何设计合理的切削参数，目前仍在研究和发展中。 通过国内外汽车模具制造行业的高速切削加工技术实践应用，高速切削加工技术具有如下优势： 1、高速切削加工提高了加工速度 高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。 2、高速切削加工生产效率高 用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓“一次过”技术（One Pass Machining）。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。 3、高速切削加工可获得高质量的加工表面 由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。 4、简化加工工序
长春汽车工业高等专科学校 继续教育学院 毕业论文（设计）中文题目：高速切削加工技术及其应用的研究 英文题目：High speed cutting technology and its application 毕业专业：汽车机械制造技术 学生姓名：高越 准考证号：290414100432 指导教师：穆春燕 二零一五年八月 独创性声明
本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得长春汽车工业高等专科学校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本论文作者完全了解长春汽车工业高等专科学校有关保留、使用论文的规定。特授权长春汽车工业高等专科学校可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 （保密的论文在解密后适用本授权说明） 论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日
目录 前言 (05) 1．高速切削概念、内容及特点 (06) 1．1高速切削概念 (06) 1．2高速切削的研究内容 (06) 1．3高速切削特点 (07) 2.高速切削的技术体系 (08) 3．高速切削的技术关键及目前解决方案 (08) 3．1高速切削的技术关键 (08) 3．2高速切削关键技术解决方案 (09) （1）高速切削机床 (09) （2）高速切削刀具 (11) （3）C A D／C A M (11) （4）高速切削的数控编程 (11) 4．高速切削加工技术的应用 (12) 4.1高速切削在航空航天工业中的应用 (12) 4.2 高速切削在纤维增强塑料中的应用 (12) 4.3高速切削在模具制造业中的应用 (12) 4.4 高速切削在汽车制造业中的应用 (12) 5.高速切削加工技术的发展前景与展望 (12) 6.答谢辞 (14) 7.参考文献 (14)
一、高速切削的原始定义1931年，德国切削物理学家萨洛蒙 (Carl.J.Salomon)博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利(Machine with high cutting speeds)的所罗门原理： 被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。 切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。 实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。 二、现代高速切削技术的概念所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。 到目前为止，其原理仍未被现代科学研究所证实。 但这一原理的成功应该不只局限于此。 高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。 这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等等。 事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。
学号：1145522222 整理人：建国 专业：机制 高速切削加工刀具材料术 摘要：论述了高速切削的概念和优越性，介绍了高速切削加工所使用的先进刀具材料和刀具如：瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具、涂层刀具的性能特点及其应用，探讨了高速切削刀具材料的发展前景和研究方向。 关键词高速切削刀具材料性能特点瓷CBN 金刚石
高速切削(High Speed Machining简称HSM)概念的起源可以追溯到20世纪20年代末，德国切削物理学家Carl．J．Salomon博士1929年进行的超高速切削模拟试验，并于1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削的设想。Salomon指出：在常规的切削围，切削温度随着切削速度的增大而提高(图l中的区域A)。但是，当切削速度增大到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出峙之值与工件材料的种类有关，对于每一种工件材料，存在一个速度围由于切削温度太高，高于刀具材料所允许的最高温度，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个围被称之为“死谷”。但是当切削速度进一步提高，超过这个速度围后，切削温度反而降低，同时切削力也会大幅度降低（如区域C）。他认为对于一些工件材料应该有一个临界的切削速度，在该切削速度下切削温度最高。在高速切削区进行切削，有可能用现有的刀具进行，从而成倍地提高机床的生产率。几乎每一种金属材料都有临界切削速度，只是不同材料的速度值不同而已。
高速切削是一个相对的概念。由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削围，所以很难就高速切削的速度围给出确切的定义。高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。切削条件不同，高速切削速度围亦不同。1992年在CIRP会议上发表了不同材料大致可行的和发展的切削速度围。可以说，目前各国的切削速度仅在高速阶段， 尚未达到CIRP(国际生产工程科学院)所界定的超高速切削阶段。 1 高速切削的优越性 与传统的切削加工方法相比，高速切削具有无可比拟的优越性。 第一、切削力低。由于切削速度高，导致剪切变形区狭窄、剪切角增大、变形系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小、切削力降低。尤其是法向切削力，比常规切削低30％--一90％。刀具耐用度可提高70％，特别适合细长类、薄壁类以及刚性差的工件加工。 第二热变形小。在高速切削时，90％～95％以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件累积热量极少，工件基本上保持冷态，因而不会
2012年第11卷第15期 产业与科技论坛2012. （11）.15Industrial &Science Tribune 数控机床中高速切削加工技术的应用探讨 □吴卫军 【内容摘要】目前高速切削技术以其高效率、低磨损的技术特点，在制造行业内的应用正不断增强，尤其是在精密仪器的制造 上，更是离不开高速切削的技术支持。这一技术对其运行设备要求严格，目前，数控机床是高速切削技术应用的最好平台，该技术也对数控机床设备提出了一定的要求。 【关键词】数控机床；高速切削；电主轴；刀具【作者单位】吴卫军，江苏省东台中等专业学校 当前，社会的发展对制造领域提出了更高的要求，随着生产力的不断提升，高效率、高质量、高节能的机械加工水平已经成为了整个数控加工行业的共同追求。二十世纪三十年代，随着高速切削理念的提出和发展，时至今日，在加工效率和加工质量上兼具优势的高速切削技术已经成为数控机床的首要选择。高速切削是一个相对概念，并且随着时代的进步而不断变化。一般认为高速切削或超高速切削的速度 为普通切削加工的5 10倍［1］ 。在汽车制造、航空航天技术、船舶加工以及模具的制造等需要精密加工的领域几乎都能看到高速切削技术的应用，这也反映了高速切削技术在数控机床中占据的位置必将越来越重要的发展趋势。 一、高速切削的效益优势1931年，德国切削物理学家萨洛蒙（Carl．j．Salomon ）博士研究成果得出：被加工材料都有一个临界切削速度，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的五至十倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损 随切削速度增大而减小［2］ 。高速切削技术这一特性为切削过程带来了必然的高效益，具体表现如下： （一）生产率上的优势。高速切削首先带来了切削速度的提升，速度的改变使相同时间内的切削量至少提高四倍，这就使得加工工序的高度集中变为了可能。常规的切削过程经常要把工件按加工的精细程度进行划分，分工序进行分别加工，这种情况需要占用一定的工件装卸和搬运时间。采用高速切削技术后，可以将繁复的加工工序简单化，以前要分工进行的步骤都可以集中在同一道工序内进行加工，而且基本上不会对工件的精度和质量造成影响。此外，由于高速切削技术的引入，切削刀具的使用寿命大大地延长了，在另一方面也能够减少刀具替换和托盘交换的时间，从而极大地提高工件的生产率。 （二）加工精度上的优势。高速切削技术不仅不会降低工件的加工精度，反而能够做到工件质量的提升，这不得不说是高速切削的魅力所在。 1．工件所受切削力变小。高速切削的技术原理不同于常规的切削技术，在切削时运行速度高，切削力却比较小，切削速度的提高和切削力的减小，使得工件因夹压受力导致形状 异化的可能性大大降低， 故而大大地提升了工件的合格率，这种切削技术尤其适用于一些较细长、较纤薄的精密部件的加工。 2．工件受热降低。在常规切削加工中，由于切削带来的高温也是导致部分工件变形的主要原因之一。采用高温切削技术以后，由于切削热量的降低及切屑的迅速散热效果，工件受热量大大降低，这也基本上避免了由于高温受热所造成的工件变形。 由于高速切削在这两方面的技术优势，制造出来的工件 往往在尺寸要求、 表面平整性、光滑性等方面具有较高的精度，这是常规切削工艺所难以比拟的。 二、高速切削加工技术对数控机床提出的要求 高速切削技术对使用设备在运行速度、设备精度及稳定程度上都有较高的要求。目前，数控机床是最符合高速切削加工技术要求的加工设备。然而， 当前的数控机床还存在提升和进步的空间，在“软件”和“硬件”两方面都有待于进一步 的改善和提升，以便更好地适应先进的高速切削技术的内在要求。具体如下： （一）采用电主轴作为数控机床的主轴。主轴单元的设计，是实现高速加工的最关键的技术领域之一，同时也是高速加工机床最为关键的部件，它不仅要能在很高的转速下旋转， 而且要有很高的同轴度，高的传递力矩和传动功率、良好的散热或冷却装置，要经过严格的动平衡矫正，主轴部件的设计要保证具有良好的动态和热态特性，具有极高的角加减速度来保证在极短的时间内实现升降速和指定位置的准停［3］ 。而电主轴能够保证机床主轴和发电机的转子轴合二为一，在运行的平稳性上达到更好的效果。并且电主轴在温度的保持上具有一定的独到之处，对于温差的控制水平更为先进，在轴承支撑和润滑方面采用了最新的技术，保证了主轴的使用寿命和高性能。 （二）改善伺服单元的性能。切削速度的提升需要与之配套的进给，才能更好地体现先进的高速切削技术的工作水平。由于主轴转速的提高，机床进给速度也必须大幅提高（60m /min 以上），以保持刀具每齿或每转进给量基本不变，从而保证加工表面质量和刀具寿命。每故而在数控机床伺服单元的性能上，应尽量采用响应速度较高的配套设施。在 · 57·