1、高速切削机理和实验1 切削加工的任务和重要性1.1 切削加工的任务是：（1）去除毛坯上的余量；（2 ）形成零件的表面；（3 ）保证零件所需的精度。1.2 切削加工的重要性：（1）制造业创造的财富占人类社会创造总财富的 6080%。（2）切削加工工作量占机械产品制造劳动量的 3040%。（3）切削加工是切除余量效率最高、成本最低的方法。（4）各种零部件经过切削加工，约有 10%的材料变为切屑。耗时、耗人工、耗资金很多，增产、节约的潜力也很大。（5）21 世纪的人类社会中，切削加工仍将发挥重要作用，且呈发展态势。前沿科学（工程），如材料科学、信息科学、能源工程、生物科学、宇航工程等，无一不与切削加
2、工密切相关。1.3 切削加工技术新发展：（1）难加工材料切削技术。（2）高效加工切削技术。（3）精密加工切削技术。（4）自动化加工切削技术。（5）绿色制造的切削技术。其中，高效切削中包含高速切削。2 提高切削加工生产率的措施一个零件加工的工时等于“切削时间”与“辅助时间”之和。以外园车削为例：切削时间 tm=（lw+y ）/(nf)（h/ap）(min)材料切除率 Q=apfv103(mm3/min)式中，lw零件被加工部分的长度（mm）；,y 零件加工时，刀具的切入和切出长度（mm）；n机床主轴或工件的转速（r/min）；v 切削速度（m/min）,v=(Dn)/1000；D 工件直径（mm
3、）；f 进给量（mm/r ）；ap 切削深度（ mm）；h工件的加工余量（mm）由此可见，加大切削深度 ap、进给量 f 和切削速度 v，是减少切削时间，加大材料切除率，即提高切削加工生产效率的途径。一般切削深度受毛坯余量的限制，故切削速度和进给量是提高加工效率的主要因素。实际上，高速切削或高效率的加工应包括提高切削速度（主轴转速）与进给量两个方面。人们如果只把注意力放在提高切削速度上，就带有一定的片面性。3 高速切削的定义及其发展过程在一百年前，当时高速钢刀具开始使用，加工普通钢材的切削速度仅为2530m/min。相对于碳素工具钢和合金工具钢而言，那种切削速度的加工即为“高速切削 ”。故“高
4、速钢” （high speed steel）得以命名。在高速钢刀具刚刚出现的年代，美国泰勒（Taylor F.W.）工程师做了很多切削加工理论与实践的工作，建立了 T-v 方程。他在切削技术与工业管理方面都做出了很大的贡献。50 年前，在二次世界大战结束后不久，硬质合金刀具开始普遍使用，那时用硬质合金刀具切削普通钢材，可用 80100m/min 的切削速度。当时称这样的切削速度为“高速切削” 。近半个世纪，机床与刀具有了很大发展，而人类社会对提高生产率又有了新的要求，于是切削速度进一步提高。由此可见，高速切削的“高速”是一个相对概念。在不同历史时期，对于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速
5、切削加工应用的切削速度并不相同。自20 世纪后期以来，关于界定高速切削，国际上有几种说法：（1）1978 年，国际生产工程研究会（CIRP）切削委员会提出当切削线速度达到 5007000m/min 的加工为高速切削。（2）对铣削加式而言，主轴转速达到 8000r/min 以上为高速切削加工。（3）德国 Darmstadt 工业大学认为速度高于（5 10）倍普通切削速度的切削加工为高速切削。（4）从主轴设计的观点，以沿用多年的 DN 值（主轴轴承孔真径 D 与主轴最大转速 N 的乘积）来定义高速切削加工。DN 值达到（52000）105mm?r/min 时为高速切削加工。德国舒尔茨（Schulz
6、 ）教授于 1992 年提出不同工件材料大致的切削速度区域划分如图 1 所示。按照 Schulz 的观点，切削钢材时线速度达到 400m/min 以上即为高速切削。时至今日，机床制造技术和刀具技术的长足进步已大大地提高了这个最小界限值。图 1 切削速度区域划分图4 高速切削的优越性（1）随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。（2）在高速切削速度范围，随切削速度的提高，切削力随之减小，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少 30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的加工。（3）从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高使切削系统的
7、工作频率远离机床低价固有频率，从而可减轻或消除振动。故高速切削加工可降低已加加工表面粗糙度，提高加工质量。（4）高速切削加工可加工硬度 HRC4565 的淬硬钢，实现以切代磨。（5）高速切削时随切削速度的提高，切削温度逐步升高，在低速度段，切削温度增幅较大；在高速度段，切削温度增幅减小。高速切削时切屑带走大部分热量，传入工件的热量很少。正由于高速切削加工具有诸多优点，高速加工技术已在诸多的制造业中被广泛应用。5 高速切削机理和实验研究5.1 高速切削切削区的材料变形刀具与工件间有相对运动，通过切削刃与刀面的作用切除工件材料的余量。图 2 錾子切除工件上的余量如图 2 所示，切削刃起 “切”和“
8、割”的作用，刀面起 “推挤”作用。“切”工件相对于切削刃无运动分量。“割”工件相对于切削刃有运动分量。“挤”主要是前刀面的推挤，后刀面也有一定的挤压。切除余量，是以上三者综合作用的结果。由于被切材料的强度高，刀具有较大的楔角，不可能很薄。“推挤”作用消耗的能量份额很大；而“切”、“割”起着分离被切材料、形成加工表面的重要作用。图 3 四个变形区如图 3 所示， 1 为基本变形区； 2 为前刀面摩擦变形区；3 为后刀面摩擦变形区；4 为刃前变形区。 1 区和 2 区消耗动力的主要部分，而 3 区和 4 区则对形成加工表面起着重要作用。如果切削刃锋利，则 4 区很小；如刀具后角大，则 3 区也较小
9、。1 区是主要的变形区。如切削速度高，则 1 区变得很窄，几乎成为一个面（如图 4 所示的一条线），称为剪切面。剪切面的方向与切削速度的方面之间的夹角是前切角 。图 4 剪切面与变形系数剪切角 的大约数值可用以下公式计算：M.E. Merchant（麦钱特）公式=/4-/2+o/2Lee and Shaffer（李和谢弗）公式=/4-+o式中， 为前刀面与切屑间的摩擦角， o为前角。当切削速度提得很高后，则被切材料来不及充分变形，剪切角 加大，变形量减小，从而切削力也减小。切削速度提高后，前、后刀面与切屑、工件间的摩擦系数减小，也有利于切削力减小。有一个衡量材料变形的简易方法，即通过测量计算出
10、“变形系数”。过去叫过“收缩系数”，二者是一回事。如图 4 所示，被切削层的原长度为 lc，形成切屑后的长度为 lch,则变形系数h=lc/ lch在切削过程中，被切削层材料变为切屑，是经过剪切滑移。根据材料力学的原理，用剪切应变量来衡量材料的变形程度是更为科学的。剪切应变 与变形系数之间有一定关系，经推算，=S/y =cos0/sin?cos（-0）=ctg+tg（-0）=（h2-2h?sin0+1 ）/（h?cos0）式中，o 为刀具前角。h和 增大，则表示材料变形大；反之亦然。显然，高速切削时，h 和 都减小，切削力下降。沈阳理工大学进行了 45 钢和铝合金 5A02 高速铣削的变形系数
11、试验，刀具为20mm的硬质合金立铣刀，切削 ap=0.51mm，进给量为fz=0.050.15mm/z，切削速度 v=2511256m/min。试验结果如图 5 和图 6。图 5 高速切削 45 钢的变形系数图 6 高速切削铝合金 5A02 的变形系数由图可见，当切削速度提高时，变形系数显著下降。5.2 高速切削的切削力以外圆车削为例，有三个切削分力：主切削力 Fc(Fz)，切深抗力 Fp(Fy)（又称径向力），进给抗力 Ff(Fx)（又称轴向力）。主切削力最重要，在忽略 Ff 消耗功率的情况下，切削功率为Pc=Fc.v103(kw)式中，Fc 和单位 N；v 的单位为 m/min。笔者早年进
12、行了高速切削时切削力的试验。如图 7 所示，在车切 45 钢（正火，HB187）时，当切削速度从 100m/min 提高到 270m/min，主切削力约下降了 7%。如图 8，在切削铸铝合金 ZL10(HB45)时，当切削速度从 100m/min 提高到720m/min，主切削力约下降了 50%。图 7 车削 45 钢时，切削速度对切削力的影响（ap=3mm f=0.25mm/r）图 8 车削 ZL10 时，切削速度对切削力的影响（ap=4mm f=0.3mm/r）山东工业大学用 LT55 陶瓷端铣刀切削 45 钢（调质，HRC35 40 ），切削力与切削速度的关系如图 9。由图 9 可见，切
13、削速度约在 300m/min 时切削力最大，旋即降低，切削速度达 500m/min 以上切削力变化不大。图 9 陶瓷刀端铣 45 调质钢时的切削力某高校做了调质钢（HRC30 32）与淬硬钢（HRC5052）的车削力试验。调质钢：ap=0.20.5mm , f=0.10.25mm/r, v=7001000m/min。淬硬钢：ap=0.150.5mm, f=0.1 0.25mm/r, v=100400m/min。建立了三向切削力的三因素公式（表 1）。表 1 高速切削车削力的三因素公式过去，苏联切削用量手册所列出的常速下车削中碳结构钢的切削力经验公式为Fz=Czap1f 0.75v -0.15F
14、y=Cyap0.90f 0.60 v -0.3Fx=Cxap1f 0.5v -0.4与表 1 相比，有很大差异。表 1 的公式可能有问题。与车削相比，铣削力公式要更复杂些，因为除切削用量三要素以外，还有铣刀齿数、铣刀直径和铣削宽度等因素。过去，苏联人和中国人都建立过端铣、立铣在一般切削速度下的切削力和切削功率的多因素经验公式。在现代高速切削下的铣削力公式尚属空缺。沈阳理工大学填补了这一空缺。做出了铣削力的三因素公式：在 ap=0.51mm, f=0.050.2mm/r, v =2511256m/min 范围内，Fc=5018ap0.344fz0.364v -0.394(切 45 钢)Fc=86
15、4ap0.384fz0.176 v -0.287(切铝合金 5A02)看来，试验所得的数据也不太理想，可供参考。山东大学用陶瓷刀具高速切削淬硬钢、高强度钢、硬镍铸铁做了有成效的切削力试验。（1） LT55（Al2O3TiC）陶瓷刀具车削淬硬 45 钢（HRC5055），v =30120m/min, ap=0.351.4mm, f=0.080.32mm/r, Fz=2525 ap0.99 f 0.80 v-0.01(N)（2） LT55 刀具车削超高强度钢 35CrMnSiA(HRC4548), 切削用量范围同上。Fz=2779 ap0.79 f 0.59 v -0.08(N)（3） SG-4(
16、Al2O3TiC,WC) 陶瓷刀具车削淬硬高碳工具钢（HRC55 62 ），切削用量范围同上。Fz=3444 ap0.88 f 0.65 v -0.12(N)（4） SG-4 刀具车削淬硬 45 钢（HRC5055），切削用量范围同上。Fz=2309 ap1.04 f 0.75 v -0.01(N)（5） AT6（Al2O3TiC）陶瓷刀具车削硬镍铸铁（ HRC5662 ）v =5070m/min, ap=1.52.3mm, f=0.090.16mm/r Fz=1210 ap0.73f 0.42v -0.09(N)山东大学所做的陶瓷刀具高速切削硬材料的切削力试验数据比较可信。5.3 高速切削的
17、切削热和切削温度在切削过程中，切削热的来源是剪切面区域材料变形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功，如图 10 所示。图 10 切削热的来源一部分切削热传到切屑中被切屑带走；一部分热传到工件中；还有一部分热传到刀具中（图 10）。据研究，当切削速度提高后，传入切屑而被切屑带走的热量份额加多，而传入工件和刀具的热量份额减小，故工件、刀具升温并不大。日本人用 P10 立铣刀，切削 45 钢和 A15025 铝合金，ap=2mm, f=0.12mm/r 。图 11 为切削热的分配比率。图 11 切削热分配比率华南理工大学做了类似的切削热分配比率曲线（图 12）。工件材料为 45 钢（热轧），车刀用 YT
18、15 刀片，ap=0.8mm, f=0.12mm/r, v =400800m/min 。如图 12 所示，当 v=400m/min 时，Rc=49.4%, Rw=46.7%, RT=3.9%。当v=800m/min 时, Rc=69.4%，Rw=28.7%, RT=2.3%。故在高速时 RW 与 RT 均显著减小。图 12 切削热分配比率Rc、Rw 和 RT 只能说明切削热分配比率，最重要的还是前刀面 切屑和后刀面工件界面上的切削温度或与之接近部位的温度。切削温度的测量很困难，常用的有自然热电偶、人工热电偶和红外线幅射法。某高校做了调质钢与淬硬钢的车削温度试验。调质钢：ap=0.20.5mm,
19、 f=0.2 0.5mm/r, v=7001000m/min 。淬硬钢：ap=0.15 0.3mm, f=0.1 0.25mm/r,v =100400m/min 。用红外测温仪测量温度，其结果如表 2 所示。表 2 高速车削切削温度经验公式看来，表 2 中的数据尚值得推敲。过去，在切削速度小于 200m/min 时车削 45 钢时，切削温度三因素公式为=C v0.41f 0.14ap0.04沈阳理工大学用人工热电偶法测量高速下的铣削温度，其结果如图 13、图 14所示：图 13 铣削温度（45 钢）图 14 铣削温度（铝合金 5A02）德国萨洛蒙（Carl J. Salomon）博士于 192
20、41931 年用大直径圆锯片对有色金属进行了铣锯切削试验。发现，当切削速度增加，切削温度提高，到一定的切削速度，切削温度最高；再提高切削速度，切削温度反而下降（图 15）。后来，又将此现象推广到其他工件材料。当时的试验数据后来全部丢失，工作人员已经无存，用什么方法测温也不清楚。很多人认为图中的曲线不可信。多数人认为，切削温度不存在一个最高值（峰点），切削速度提到很高时，切削温度仍应缓慢上升。图 15 Salomon 的高速切削温度曲线沈阳理工大学研制了一台高速锯床，用高速钢锯片（直径 200mm,厚3mm，60 刀齿），最高转速为 24000r/min,用以锯切低碳钢管（20mm,厚1.5mm
21、）和铝板（厚 10mm），进行了测力、测温的试验，最高切削速度达每分钟万米以上。因锯切切削面积不固定，切削时间很短，力、温测量不易测准，但是沈阳理工大学所做的工作仍是十分可贵的。山东大学用 SG-4 陶瓷工具端铣 T10A 淬硬工具钢（HRC5865），v=110177m/min, ap=0.10.5mm, fz=0.050.127mm/z, 铣削宽度B=40、70、100mm，铣刀直径 do=160、125、80mm，切削温度 =17.5 v 1.55 ap0.91 fz1.44 B0.46do-0.31（）。山东大学还做了陶瓷刀具车削几种硬材料的切削温度试验。5.4 刀具磨损与刀具寿命刀具
22、磨损有后刀面磨损（VB）、前刀面磨损（月牙洼 KT）、边界磨损（VN ）及刀尖磨损（VC）、径向磨损（NB）等。人们研究后刀面磨损 VB 最多。一般，以 VB 为刀具磨损标准。图 16 车刀磨损部位及形状刀具磨损的原因有：（1 ）磨粒磨损，（ 2）粘结（冷焊）磨损，（ 3）扩散磨损，（4）氧化磨损，（ 5）热电磨损等。图 17 为切削速度对刀具磨损强度的影响。由图 17 可见，当切削速度很高时，以扩散和氧化磨损为主。图 17 切削速度对刀具磨损强度的影响刀具典型磨损曲线如图 18 所示。图 18 刀具磨损曲线以后刀面磨损到一定大小为标准，可以建立刀具寿命 T 与切削速度 v 之间的关系式，即
23、T- v 曲线（即泰勒 Taylor 方程）：v =A/Tm , 或 T=c/ v z还可以建立扩大的泰勒方程：v =C v /(Tm、apx、f y)常速下，用 YT15 刀具车削 45 钢，一般 m=0.2，x=0.15，y=0.45高速切削下，人们在这方面做的试验工作很不够，较多地观察刀具磨损形貌，很少见磨损曲线和 T- v 曲线。扩大的泰勒方程则更加缺少。在高速切削中，刀具材料及刀具的制造质量、工件材料的性能、机床状况和工艺条件等不可能固定不变，而是随机变化，从而影响到刀具使用寿命。一般，正常磨损下刀具寿命的变化和分布服从正态分布（图 19）。破损情况下刀具寿命的变化和分布服从对数正态
24、分布或威布尔（Weibull）分布。高速切削中，应十分重视刀具寿命的稳定性，然而对刀具寿命的分布规律还没有认真研究。刀具正常磨损寿命的分布一般服从正态分布f ( T ) = 刀具破损磨损寿命的分布一般服从对数正态分布f ( T ) = 或威布尔分布f ( T ) = 图 19 刀具正常磨损下的寿命分布6 高速切削加工对机床的要求高速切削加工是一项综合性的高新技术。实现高速切削加工，机床的高速化是首要条件和最基本因素，高速加工机床是提供高速加工的主体。因此，开发和研制性能优良的可使机床执行部件带动刀具或工件获得极高工作速度的高速机床是发展高速切削加工的重中之重。现代数控机床和加工中心的高速化已成
25、为机床发展的主要方向。进入 20 世纪 90 年代以来，一批又一批高速切削加工机床陆续涌现并投入国际市场，并在制造业中迅速扩大其应用范围，创造出了巨大的经济效益和社会效益，标志着高速切削加工这一高新技术已从理论和实验研究进入工业应用的新阶段。6.1 对高速切削加工机床的要求高速切削加工机床与普通机床的主要区别在于高速 机床必须能够提供高的切削速度和满足高速切削加工下一系列的功能要求，主要包括如下几点。（1） 要有一个适合高速运转的主轴单元及其驱动系统高速主轴单元的设计，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，而且要有高的同轴度、高
26、的传递力矩和传动功率、良好的散热和冷却装置，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时间内实现升降速和在指定位置的准停。高速机床与普通机床的不同之处，反映在高速主轴单元上主要表现在如下几个技术参数的变化：主轴转速一般为普通机床主轴转速的 510 倍，机床的最高转速一般都大于 10000 r/min，有的高达 60000100000 r/min；主轴单元电机功率一般高达 2080 kW，以满足高速、高效和重载荷切削的要求；主轴单元从启动到达到选定的最高转速（或从最高转速到停止）需要的时间较短，一般只需 12 s即可完成。就是说，主轴
27、的加、减速度比普通机床高得多，一般比常规数控机床高出一个数量级，从而达到 18 g（g=9.81m/s 2）。高速加工机床的主运动一般是由电主轴来完成的。（2） 要有一个快速反应的进给系统单元部件和数控伺服驱动系统高速机床在高速切削加工时，随着主轴转速的提高，机床进给速度和其加、减速度也必须大幅度提高，以保证刀具每齿或工件每转进给量基本不变。同时机床空行程运动速度也必须大大提高。现代高速加工机床进给系统执行机构的运动速度要求达到 40120 m/min，进给加速度和减速度同样要求达到 18 g，亦即 9.8178.48 m/s2。为此，机床进给驱动系统的设计必须突破传统一般数控机床中的“旋转伺
28、服电机+ 普通滚珠丝杠”的进给传动方式。结构形式上采取的主要措施有：一是大幅度减轻进给移动部件的重量，为此，最有效的办法就是在结构上实现“零传动” ，即直接采用直线电机驱动；二是采用多头螺纹行星滚柱丝杠代替常规钢球式滚珠丝杠以及采用无间隙直线滚动导轨，实现进给部件的高速移动和快速准确定位；三是采用快速反应的伺服驱动 CNC 控制系统。（3） 要有高效、快速的冷却系统在高速切削加工条件下，单位时间内切削区域会产生大量的热量，如果不能使这些热量迅速地从切削区域传走，不但妨碍切削工作的正常进行，而且会造成机床、刀具和工具系统的热变形，严重影响加工精度和机床的动刚性。作为高速切削加工的配套技术，近年来
29、日本的三井精机和 J.E.公司共同开发了 HJH 系列高压喷射装置，把压力为 7MPa、流量为 60L/min 左右的高压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，消除切削产生的热量。另外有的加工中心则采用大量冷却液以瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，把大量的热切屑立即冲走，始终保持工作台的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证高的加工精度。高速“电主轴” 单元结构设计时，冷却系统的设计也是不可忽视的一个重要方面。为了防止主轴部件在高速运转过程中出现过热现象，支撑轴承必须考虑采用有效的强制冷却方法。就是说，对于高速切削加工机床，机床结构设计时必须考虑设计必要的冷却和散热装置。（4） 要有高刚性的床体结构
30、高速切削加工机床在高速切削状态下，一方面，产生的切削力作用在床体上；另一方面，因速度很高，还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床身受力较大。设计时必须要求其具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。高刚性和阻尼特性是高速加工中保证加工质量和提高刀具寿命的需要。（5） 要有安全装置和实时监控系统在高速切削加工过程中，若刀具断裂或破损，其初速将如同子弹一般，易于造成危险和人身伤害。为此，机床工作时必须用足够坚固的板材将切削区封闭起来，同时还要考虑便于人工观察切削区状况。除此之外，工件和刀具必须保证夹紧牢靠，必须采用主动在线监控系统，对刀具磨损、破损和主轴运行状况等进行在线识别和监控，确保人身和
31、设备安全。（6） 要有方便可靠的换刀装置通过新型换刀结构设计，保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷，换刀时间短。这也是高速切削加工机床要求所必需的。（7） 要有优良的热态特性和静、动态特性高速切削加工情况下，单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多，热变形较大。机床结构设计必须保证其在内部热源和外部热源作用下，不能产生较大的热变形。为此，高速切削加工机床上一般要采取特殊的冷却措施，来冷却主轴电机、主轴支撑轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。同时因高速切削加工下的动态力（惯性力、切削力、阻尼力等）和静态力（夹紧力等）较大，机床各支撑部件和其总体必须具有
32、足够的动、静刚度，不致产生较大的力变形，保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。总之，应考虑高速切削加工的特殊性，必须对实施高速切削加工的机床提出新的要求。只有这样才能实现高速、高效、高精度的平衡切削。6.2 高速切削加工机床的国内外现状日本、美国、德国、意大利等厂商是当今世界上高速机床的主要提供者。目前国际上提供高速加工中心和 NC 机床设备的主要厂商，其部分代表性产品主要技术性能参数所能达到的水平如表 3 所示。所列机床的主要性能指标都较普通机床大大提高，其到达额定的工作加速度一般都在 625 m/s2 之间，即达到g（g 为重力加速度）数量级的加速度，具有高的动态特性。德国 DECKE
33、L MAHO 公司生产的 DMC 85 V linear，采用先进的机床结构和超高速直线电机，使其拥有 2g (20m/s2)的加速度和 120m/min 的快移速度，每一轴的进给力也高达 8000N。表 3 国外几种主要高速加工中心当前，国产高速加工机床也在迅速发展，在近年来的 CIMT 中国国际机床展览会上可以看出（表 4）。除表 4 中所列的以外，沈阳机床股份有限公司还和德国 BW 公司合资生产了 BW60HS 型卧式加工中心，主轴最高转速16000r/min，快移速度达 60m/min, x、y 轴加速度 1g，z 轴加速度 1.3g，定位精度 10m，重复精度 5m，苏州三光集团与国
34、外合作生产的 MC60 小型加工中心，行程 600mm450mm450mm，主轴转速（1 10000 ）r/min，快移速度 50m/min,20 位刀库，换刀时间 1.21.4 s。表 4 国内几种高速加工中心近年，沈阳理工大学在国家科技部、兵器总公司和辽宁省科委的支持下，研制开发了 XS6380 型数控高速铣床。主轴转速达 30000r/min（无级），工作台各方向快速移动达 60m/min，主电机功率为 10kW，工作台尺寸为630800mm，主轴锥孔采用 HSKE40 系列。应该说，该机床具有较高水平。7 高速切削加工对刀具的要求在机床刀具夹具工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是很重要
35、、很活跃的因素。当机床确定之后，切削加工生产率、刀具寿命、加工成本和加工质量，在很大程度上取决于刀具的合理选择。在高速切削加工中，对刀具提出了更高的要求，主要是刀具材料、刀具结构、刀具几何形状、刀具系统及刀具平衡等方面。7.1 由于高速切削时产生热量较多，刀具切削部分温度高，对刀具材料高温性能的要求更高。用于高速切削的刀具材料应具有很好的高温硬度、高温强度、高温弹性模量以及高温耐磨性，还应有足够的韧性和抗冲击性。此外，刀具材料应具有良好的工艺性，价格不可过于昂贵。在高速切削中常用的刀具材料有：（1） 金刚石具有很高的硬度（天然金刚石达 10000HV）和很大的热导率（天然金刚石达 2000W.
36、m-1.K-1），弹性模量也很高，可用于有色金属和非金属材料的高速切削。例如，用人造 PCD 金刚石刀具和其他人造金刚石刀具，车削和铣削硅铝合金零件，当切削深度 ap=0.50.8mm,进给量 f=0.1mm/r 和fz=0.050.1mm/z 时，可用 10002000m/min 的切削速度。人造金刚石刀具加工纤维增强和颗粒增强复合材料，效果也很好。但是，金刚石刀具不能在高速下切削钢铁件或铁族元素的材料；在高温（700）下易产生石墨化。（2） 立方氮化硼立方氮化硼 PCBN 也具有很高的硬度（7500HV）和很好的热导率（ 1300W.m-1.K-1）弹性模量也高。热稳定性好，在大气中达 1
37、300也不分解，对铁族元素呈惰性。可用于淬硬钢和高硬度铸铁的高速切削。在采用较小的切削深度和进给量时切削淬硬钢和合金耐磨冷硬铸铁，可采用 80100m/min 的切削速度。（3） 氧化铝基和氮化硅基复合陶瓷这两种复合陶瓷用高于 50m/min 的切削速度，切削淬硬钢和高硬铸铁效果也很好。用它们切削未淬硬的普通钢材和铸铁，刀具寿命常高于硬质合金。但氮化硅基复合陶瓷刀具不能加工出长屑的未淬硬钢材。（4） 表面涂层硬质合金涂层材料种类很多，有 TiC、TiN、TiCN 、Al2O3、TiAlN 等，多用 CVD 涂层工艺，也有用 PVD 涂层工艺的。可以用单层涂覆；多层涂覆效果更佳。与未涂层的硬质合
38、金刀具相比，涂层硬质合金刀具可以成倍地提高刀具寿命；保持一定刀具寿命，涂层硬质合金刀具可提高切削速度 2030%。（5） TiCN 基硬质合金（金属陶瓷）一般硬质合金都是以 WC 为主要成分，称 WC 基硬质合金。与 WC 基相比，TiCN 基硬质合金刀具密度较小，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强。故切削速度可以适当提高。常用为高速切钢的刀具材料。现代刀具材料的发展仍嫌不足，限制了高速切削中速度的进一步提高。人们期待质量更高、更能适应高速加工的刀具材料问世。7.2 高速切削回转刀具（如铣刀）在很高的回转速度下工作，刀体和刀片都受到很大离心力的作用。故要求刀体材料尽可能
39、轻，避免采用贯通式沟槽、减小槽底尖角，减少夹紧零件，加大夹紧力与可靠性。高速回转刀具必须经过动平衡测试，应达到 ISO1940/1 规定的 G40 平衡质量等级。7.3 高速切削刀具的刀柄是一个关键部件，它传递机床的动力和精度。刀柄的一端是机床主轴，另一端是刀具，加工时既要保证加工精度和操作方便，又要保证安全可靠。故装夹的重复精度要好，装夹刚性要高。传统的 724 锥度的刀柄，在高速切削中暴露出刚性不足，换刀后刀具径向与轴向尺寸不稳定，端口处扩张造成刚度下降并影响动平衡。近年来，德国、美国、日本等国开发了不同的适合于高速切削的刀柄结构系统。用得最多的德国阿亨大学开发的 HSK 刀柄系列，已列入
40、了国际标准，锥度用 110 。美国肯纳金属公司开发了 KM 刀柄系列，也是用 110 锥度。日本开发了 BIG-PLUS 刀柄系列，属于 724 锥度的改进型。瑞典山特维克公司开发了 CAPTO 刀柄系列，是 120 的空心短锥结构。8 高速切削的研究和应用8.1 国外高速切削加工的研究和应用自提出高速切削的概念后，经过半个多世纪的探索和研究，才逐步用于生产。其发展过程经历了以下的几个阶段。（1）高速切削加工理论研究和探索阶段（1931 1971 年）自 20 世纪 30 年代 Salomon 理论提出后，20 多年没有什么重要进展，直到 50年代后期，高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开
41、始展开。美国、日本、法国、苏联、英国和澳大利亚等国才进行了一些高速切削的理论基础研究。由于当时还没有高速加工的机床，不能进行很高速度的切削加工实验，于是采用了弹射实验方法。这些实验有的是通过弹射快速滑动带动的刀具经过工件进行切削加工，有的是弹射工件使它经过静止的刀具切削刃进行切削。美国洛克希德（Lockheed）飞机公司 R.L.Vanghn 研究小组于 19581960 年进行了高速切削加工的切削力、切削温度、刀具磨损、切削振动和切屑形成机理等实验研究。切削实验的工件材料有 AISI4340（40CrNiMoA）钢、Ti-6Al-4A 钛合金、镍基高温合金和铝合金等。刀具材料包括高速钢、硬质
42、合金与史特莱合金（Stellite），切削速度 457073000m/min，切削深度 0.1271.10mm。这些研究表明：高速切削加工时，切屑形状与普通切削条件下不同，随着切削速度提高，逐渐形成不连续的切屑，切屑是由于脆性断裂而形成的。在低速切削时，切削力随切削速度提高而增大，但当切削速度大到一定程度后，切削力会下降。大量研究结果还表明，高速切削加工可以通过使用能承受工件材料熔点以上温度的刀具材料来实现。提高切削速度可以改善加工表面质量。高速切削加工铝合金是可行的，刀具磨损小；但高速切削加工 AISI4340 钢，刀具磨损严重。只要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动，可以大大提高生
43、产效率，显著降低生产成本。19471960 年苏联 V.D.Kuznetsov 进行了高速切削加工铝和杜拉明（Duralumin ，一种材料）的切削力、切屑变形、切屑硬度和加工硬化层深度的实验研究。切削速度 600042000m/min。研究结果表明，用6000m/min 切削速度切削加工铝和杜拉明是实际可行的。日本田中义信（Yoshinobu Tanaka）等人对高速切削加工进行了比较系统的实验研究，主要包括切屑形成机理、切削力、加工表面质理、切削温度和刀具磨损等，工件材料为铝、黄铜、软钢，刀具材料为高速钢、陶瓷与硬质合金，切削速度100045000m/min。研究结果表明，高速切削加工所形
44、成的切屑形状、刀具磨损和加工表面质量有显著特点，随切削速度提高，剪切角增加，刀屑接触长度减少，切削力降低，改善切削加工性能和表面质理，但刀具磨损加速。在切削速度 100010000m/min 范围内加工铝、黄铜和软钢时没有出现 Salomon理论中的“死区” 。1964 年，法国机床研究中心、法国机械研究中心和 Forest-Line 公司对钢和铸铁进行了高速切削加工实验。实验证明，铸铁的高速切削加工是可行的，但钢件的高速切削加工比较困难，主要是当时没有适合于高速切削加工钢件的刀具材料。（）高速切削加工应用基础研究探索阶段（19721978 年）美国洛克希德导弹与空间公司 R.L.King 研
45、究小组对铝合金和镍铝青铜合金进行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于实际生产的可行性。铣削实验研究表明，高速切削加工可以大幅度降低加工时间，而且由于切削力减小，可以提高加工零件的精度。因此，在生产环境中应用高速切削加工是经济可行的。该研究在实验和生产领域都取得了积极的进展。该公司为高速切削加工实验研究，改装成功一台数控铣削加工中心和一台数控立式六角车床。前者主轴转速可连续调整为 18000r/min，30000r/min 与 100000r/min，工作台进给速度为 4.93m/min;后者附加有一个 14.7kW（20HP ）、转速为 6000r/min 的铣头，最高切削速度可达 3
46、660m/min。在这期间，美国还为该公司研制一台带磨头附件的数控高速铣床，功率为 18.4kW（25HP ），其主轴转速可在180018000r/min 之间无级调速，进给速度达 7.6m/min。采用新设计的喷雾系统冷却主轴精密轴承。在这一阶段，还有美国、德国、澳大利亚和印度等国家的学者继续研究用高速钢、硬质合金刀具切削加工铝合金和碳钢的切屑形成机理、切削力和切削温度等。1977 年美国用切削速度高达 1800m/min 的铣床进行高速切削加工实验研究，证实了弹射高速切削加工实验的结果和理论分析结论。在这一期间的实验研究还发现高速切削加工时产生的热量大部分被切屑所带走。在 1978 年 C
47、IRP 年会上美国 Cincinati 金属切削组发表一篇“高速切削的可能性和需要”的主题报告，该文公布了 1971 1978 年间高速车、铣切削加工研究和生产数据，其中一部分来自参考文献，一部分来自于对 CIRP 会员的问卷调查，包括工厂企业和研究单位实验室。调查报告表明：生产上应用切削速度 305915m/min 切削加工铸铁和钢；6103660m/min 切削加工铝合金是可行的，但要加强研究开发刀具材料和具有快速装卸工件与更换刀具的高速加工机床。（3）高速切削加工应用研究阶段（1979 1989 年）1979 年美国国防高级研究工程局（Defense Advanced Research
48、Projects Agency,DARPA）开始一项为期 4 年的现代加工技术研究计划。该计划对高速切削加工基础理论、高速切削加工刀具技术、高速切削加工工艺、激光辅助加工以及经济可行性等进行了全面系统的研究。主要研究高速车削和铣削。工件材料包括钢、铸铁及铝、铜、铅与其合金和镍基合金等。刀具材料有碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷刀具和立方氮化硼等。切削速度在改装机床上达7600m/min 和弹射装置上达 73000m/min。该项研究统一了在此前研究中主要争论的问题。该研究结果明确指出：随切削速度提高，切削力降低，切削温度升高至工件材料熔点而没有出现降低情况，改善加工表面粗糙度但要注意加工中的
49、振动；除加工铝合金外，高速切削加工钢、铁及其合金、镍基合金等，刀具均发生严重重损，寿命降低；Merchant 剪切角方程可用于估算高速切削加工中切屑形成的剪切角。研究还指出，高速切削加工是经济可行的，等等。19791983 年在德国政府研究技术部（Ministry of Research and Technology）资助下，由 Darmstadt 工业大学生产工程与机床研究所（PTW）舒尔茨（Schulz H.）教授领导的研究组开展了一项合作研究，主要研究高速铣削加工过程的特点。1981 年研制由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，进行了高速铣削铝合金实验研究，并于 19841988 年间全面深入系统研究了高速铣削铁族和非铁族材料的基础理论、高速切削刀具和机床技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获得许多有重要价值的成果。这一阶段对高速切削加工理论和技术的卓有成效的研究为该项技术的发展和应用奠定了重要的基础。
