1、 高速切削机理（沈阳理工大学机械工程学院 白兴龙 1101011305)摘要：高速切削加工技术是一种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新技术，高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等，还可以用于切削加工各种难加工材料现在，高速切削技术已渐趋成熟，并开始在制造领域中大显身手。高速机床的单元技术和整机水平正在逐步提高。技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高精度的机床产品，并且在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造了惊人的效益。高速切削技术和高速加工机床越来越多地受到工业部门的青睐。关键词：超高速切削 切削刀具 切削机床0.前言高速切削技术
2、是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为 21 世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应HSC 要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发展。1.高速切削技术高速切削加工的特点是高效、高精度和低成本。在当今社会已经成为机械制造领域的新秀和主要加工手段。高速切削技术特征主要表现在如下方面：与传统加工相比， 高速切削提高了切削速度，
3、工件与前刀面的摩擦增大， 切屑和刀具接触面温度急剧升高， 很容易达到工件材料的熔点， 使得工件变软甚至液化， 大大减小了对切削刀具的阻力， 使得切削变得中国金属加工在线版权所有轻快。由于加工产生热量的 70% 80%都集中在切屑上， 而高速切屑的去除速度很快， 热量很难传导到工件上，从而提高了加工精度和质量、提高了生产效率。因此，高速切削加工是一种在不增加设备数量的同时，大幅度提高加工效率的一种高科技。论文发表，高速切削技术。论文发表，高速切削技术。2.高速切削刀具高速切削技术的关键是高速切削刀具，高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。高速切削的切削速度很快,加工线速度主要受刀具限制,在目前机
4、床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出表现在高速切削刀具具备更高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及更高的可靠性。高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。目前常用的高速切削的刀具材料包括钛基硬质合金、涂层刀、陶瓷、聚晶立方氮化硼、具及金刚石等。2.1 硬质合金刀具 硬质合金刀具有极高的抗压强度，其材料性能全面提高钛基硬质合金刀具的硬度，硬度、强度、韧性和抗崩刃性都能得到明显提高， 抗月牙洼磨损和抗粘结能力也明显增强。 同时硬质合金的性能在不断改进， 应用面不断扩大。
5、首先，是开发了细颗粒、超细颗粒硬质合金材料， 强度和韧性显着提高， 用它制造金属加工在线版权所有的整体硬质合金刀具。其次， 开发和使用硬质合金加压烧结等新工艺提高了硬质合金的内在质量。在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时， 开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金， 提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。涂层成为提高刀具性能的关键技术刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。采用涂层技术可使切削刀具获得非常优良的综合力学性能， 不仅有效地提高刀具的使用寿命， 还能大幅中国金属加工在线版权所有度地提高切削加工效率， 因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速
6、度最快的刀具。2.2 涂层刀具 刀具的涂层技术是提高刀具性能的关键技术，在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。采用涂层技术不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅度的提高切削加工效率， 因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具， 在刀具中的比例已超过 50% .涂层刀具的工艺主要应用在钻头、铰刀、丝锥、滚刀、插刀和硬质合金刀片等。2.3 超硬刀具超硬刀具材料陶瓷的使用将明显增加陶瓷刀具有氧化铝基 Al2O3 和氮化硅基Si3N4 两大类， 有很高的硬度和耐磨性， 耐热性高达 1200以上， 化学稳定性好， 与金属的亲和力小， 可提高切削速度 3 5 倍， 可以加工 65HRC
7、的高硬度材料。然而陶瓷的抗冲击韧性差， 所以对高速切削时的平稳性要求较高， 即要求被加工材料材质均匀， 对刀具接近工件的方向、角度和速度都有很严格的要求。陶瓷和金属陶瓷刀具材料在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金， 提高了加工效率和产品质量。论文发表，高速切削技术。2.4 聚晶立方氮化硼刀具 聚晶立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成， 化学稳定性优于金刚石， 硬度高达 8000 9000HV,耐磨性好，耐热性高达 1400， 与铁元素的化学惰性较大， 适宜于加工硬度较高的材料， 将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。2.5 金刚石
8、刀具 用于生产切削的金刚石绝大多数是人造金刚石。人造金刚石分为三种： 聚晶金刚石 、化学气相沉积金刚石 和高温人工合成的单晶金刚石。聚晶金刚石和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。3.高速切削刀具的具体应用高速切削的研究历史，可以追塑到 20世纪 30 年代有德国 cal salomon 博士首次提出的有关高速切削概念。50 年代后期开始，高速切削的试验又进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹
9、性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削也被成为“冷态切削” 。研究证明高速切削需要一种理想的刀具。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。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。论文发表，高速切削技术。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
10、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。 陶瓷刀具和立方氮化硼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。论文发表，高速切削技术。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立方氮化硼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。 4.高速切削加工的定义高速切削加工是一种比常规切削速度高得多的先进
11、制造工艺 。它的巨大吸引力在于不但可以大幅度提高零件的加工效率、降低加工成本。而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。高速加工已在航空 、航天、汽车以及超精密微细加工等领域获得了广泛的应用。资料表明，一般模具和工具。有 6O的机加工量可用高速切削加工工艺来完成的。高速切削概念起源于德国切削物理学家 Carl Salmon 的著名切削试验及其物理引伸。他认为一定的工件材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。在常规切削范围内。切削温度随着切削速度的增大而提高，但当切削速度提高到一定的程度时。切削温度不但不升高反而会降低 。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
12、削温度过高，刀具材料无法承受 。即切削加工不可能进行，称该区为“死谷” 。因此 。只有越过“死谷”才可用现有的刀具进行高速切削。所以高速切削是一个相对概念 。通常把采用比常规切削速度高得多 (一般 为 5 一 l0 倍 )的切削加工称为高速切削。如当切削速度对钢材达到 380mmin 以上 、铸铁 700 mrain 以上、铜材 1000mmin 以上 、铝材 1100mmin 以上时称为高速切削加工。5.高速切削加工机床的选用机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、和刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床和立柱材料用聚合物混凝
13、土你，这种材料阻尼特性为铸铁的710倍，比重只有铸铁的1/3.提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。高速主轴是实现高速切削加工最关键的技术之一。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，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对主轴提出如下性能要求：1.高转速和高转速范围；2.足够的刚性和较高的回转精度；3.良好的热稳定性；4.大功率；5.可靠的工具装卡性能；6.先进的润滑和冷却系统；7.可靠的主轴监测系统。除此之外机床还应具有高速进给结构；高速切削时，为了保持刀具每齿
14、进给基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。要实现并准确控制这样的进给速度，对机床导轨。滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。当然高速CNC控制系统也是高速切削加工所必须的；CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保持在高速切削时仍具有良好的加工性能。在高速切削加工时安全的问题也是至关重要的。高速切削的速度相当的高，当主轴转速达40000r/min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。因此，对高速切削引起的安全问题必须注意。6.高速切削刀具材料的选用高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的力学性能、热稳定性、抗冲击
15、和耐磨损。目前国内外适用于高速切削的刀具材料主要有：陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和涂层刀具等。1.陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，它的硬度高、耐磨性好，刀具寿命可比硬质合金高几倍以至十几倍。陶瓷刀具在1200 以上的高温下仍能进行切削，这时陶瓷的硬度与200600时硬质合金的硬度相当。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高310倍的切削速度进行加工。它与钢铁金属的亲和力小，摩擦系数低，抗粘结和抗扩散能力强，加工表面质量好。另外，它的化学稳定性好，陶瓷刀具的切削刃即使处于赤热状态也能长时问连续使用。2.金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具
16、具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，诸如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来，随着数控机床的普遍应用和数控加工技术的迅速发展，可实现高效率高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及，金刚石刀具已成为现代数控加工中不可缺少的重要工具。3. CBN在硬度和热导率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000也不发生氧化。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可以广泛用于钢铁制品的加工。由于CBN具有超硬特性、高热稳定性、高化学稳定性而引起广泛关注。立方
17、氮化硼刀具既能胜任淬硬钢(4565HRC)、轴承钢(6062HRC)、高速钢(62HRC)、工具钢(5760HRC)和冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的切削加工，大幅度提高加工效率。被加工材料的硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优越性。4.涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。涂层刀具是在具有高强度和韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料。涂层材料及基体材料之间要求粘结牢固，不易脱落。涂层刀具可以提高加工效率，提高加工精度，延长刀具使用寿命，降低加工成本。7.高速切削
18、加工工艺7.1 高速切削加工工艺高速切削加工工艺和常规切削加工工艺有很大的不同。常规切削认为高效率应由低转速、大切深、缓进给、单行程等要素决定。而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程等要素实现高效率。在高速切削加工中，必须对切削用量参数进行合理的选择，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等。工艺路径的拟定是制定加工工艺的总体布局，目前主要考虑是如何选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序等。拟定工艺路径时，先确定各个表面的加工方法，根据零件的实际情况保证加工精度与表面质量，再根据最优化原则，确定最短的走刀路线和最少的换刀次数，以减少加工辅助时间。当然切削刀具
19、的选择也是加工工艺必须的程序。切削刀具现状已由传统的切削工具时代过渡到了高效率、高精度、高可靠性和专用化的数控刀具时代，实现了向高科技产品的飞跃。而选用合理的切削刀具，即在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具的耐用度，从而达到提高切削效率，节约时间，提高加工效率的目的，以满足高速切削加工的需求。在高速切削加工中会产生大量的高温热，切削必须及时的将它从工作台上清楚掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。合理的选择冷却润滑方式是保证加工质量的先决定条件。由于在高速切削加工时常规的冷却液很难进入加工区域，所以，目前干切削和微量油雾冷却是在高速加工过程中使用较多的工艺方法。7.2 高速切削刀具刀具是机
20、械加工重要的技术装备之一。由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大，高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。目前基本采用HSK 形式和系列，需要根据机床主轴参数来确定刀柄参数，使它们相符吻合。由于切削和进给速度高，HSC 加工中刀具的寿命一般会降纸，需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施，尽可能减少寿命的降低。HSC 刀具与普通刀具前后角相比，一般HSC 比普通切削的前角约小 10，后角约大 58。同时 HSC 刀具的切削部位应尽量短，以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。HSC 刀具需选用能适应高速切削的材料。为了获得较
21、高的工件加工质量及最佳寿命时间，除硬质合金、金属陶瓷、涂层切削材料和切削陶瓷外，还采用了单晶体和多晶体的切削材料。这些切削材料除技术要求外，还应满足占有重要位置的经济和环保性能的要求。在 HSC 加工中，选用PKD（多晶体金刚石）和 CBN（立方氮化硼）可显著提高加工效率。除选择合适的刀具材料外，在刀具设计过程中，首先应考虑在离心力作用下刀具构件固定的可靠性，并注意符合“平衡”的结构。需要对刀具进行最高转速的试验。此外，在制造刀具时，其良好的工艺性也是很重要的。有价值的和可靠的制造方法，对从刀具的预处理直至刀刃的制作都具有决定性的意义，特别是对带有 PKD 或 CBN刀片的刀具更是如此。为了使
22、在应用 HSC 刀具时达到最高加工质量和最佳经济性能，不仅应考虑刀具本身，同时也应考虑刀具和夹紧系统的接口部分，即主轴和刀具连接面及工件安装的稳定性。对接口部分和接长杆而言，特别重要的是径向摆动精度、悬臂长度、振动性能和可换性。为了达到圆柱刀柄在精加工时对径向摆动精度的要求，首先选用液压夹头、收缩夹头和力压缩夹头的连接方式，这些夹头和 HSC 接口相配时，其径向摆动精度可以达到 0.003mm。7.3 HSC 机床的配套装备1为了缩短辅助工时，绝大多数 HSC机床都配有 1530 刀位以上的刀具库和自动换刀装置，成为 HSC 加工中心；2冷却润滑系统是不可少的配套装备，其中包含自动对机床各部进
23、行冷却润滑的功能和排屑功能；3电子手轮和 CAD/CAM 系统与高速CNC 系统的接口，是影响到机床操作控制性能的必要配套装置；4能够自动测量刀具的直径、长度和进行破损检测的激光或红外线系统；5测头能够安装到主轴上用以探测工件轮廓型面的红外线测量装置；6为了减少发生故障后，停机等待修复的时间，在机床台数多、利用率高的情况下，备用一根高速主轴。HSC 机床的安全防护装置，包括硬件和软件，要保证即使在发生刀具破裂而高速弹飞出来的极端情况下，仍然能够可靠地保护操作使用者的人身安全，并且能够预防机床部件、刀具、工件之间产生意外的干涉碰撞。参考文献1王先逵制造技术的未来J中国机械工程，1994，（5）.2张根保先进制造技术M重庆：重庆大学出版社，1996. 3机械工程手册编辑委员会机械工程手册（第 2 版）M北京：机械工业出版社，1997.4哀峰等。高速切削技术的发展与研究J.机床与液压，2005.5左敦稳。现代加工技术。北京：北京航空航天大学出版社。2005.3.6倪小青等。高速切削的关键技术与研究展望J机械，2007.
