高速切削技术的发展及展望

高速切削技术的发展及研究展望切削加工技术是先进制造技术中的一项重要的共性技术，是机械制造业主导加工方法，在近二三十年中，机械制造业经历了成组技术、计算机辅助设计/计算机辅助工艺过程设计/计算机辅助制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等发展阶段，并继续向柔性化、集成化、智能化方向发展，使机械加工的辅助工时大大缩短，切削工时成为总工时的主要部分，因而提高切削加工效率已成为降低成本的关键所在。高速切削技术正是在这种形势下发展起来的，并以其极高的切削速度、进给速度、加工精度和表面质量被公认为现代制造技术的一大突破。

自从德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来，高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段。随着数控机床和刀具技术的进步，尤其是高速主轴系统的应用，本世纪初期，高速切削技术在工业发达国家已经成为切削主流。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利等生产的不同规格的各种商业化高速机床已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造。

切削加工的发展方向是高速切削。高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和应用将推动整个制造业的进步和效益的提高。应当指出：高速切削中的“高速”不仅是一个技术指标，而且是一个经济指标；对于工程而言，“高速”就是效益。随着计算机技术、自动化技术和智能控制技术的发展，以计算机控制的自动化生产技术成为国际生产工程的主流，工业发达国家机床的数控化率显著提高，已经逐步取代普通机床。

1高速切削的优点及其发展

1.1 高速切削的优点

高速切削是一个相对概念，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。与常规切削相比，高速切削由于速度高出一个数量级，切削机理随之发生变化，从而使零件加工产生一些优良的效果。生产实践表明，其主要有以下优点：

（1）单位时间内材料切除量可增加3～6 倍以上，提高进给速度从而较大提高生产率和降低生产周期，达到节省制造资源的目的。使切削力显著减少，尤其是径向切削力会大幅度减少。因此，可以加工普通切削无法加工的薄壁复杂工件，并有利于提高薄壁件和细长件的加工精度。

（2）提高切削速度和进给速度以减少进给量，加工过程平稳、振动小，改善工件的形状精度和表面粗糙度。高速切削时的激振频率很高，可以远离机床－刀具－工件系统的固有频率，因而工艺系统振动小，能加工出非常精密的零件。切屑带走大部分的热量，切削力和切削热影响小，至使工件表面残余应力小，从而能达到较高的表面质量。

（3）高速切削时，切屑以极高速度排出，95%以上的切削热被切屑带走，工件基本上保持冷态，因此特别适合加工容易产生热变形的零件，同时还减少了工件内应力的产生，可以部分实现干切削。相对于湿切削而言，不免是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺。

（4）采用高速切削，可降低机床需求种类，减少刀具使用种类，简化工艺流程，达到降低切削成本的目的。与常规切削相比，高速切削可一次完成粗加工、半精加工和精加工工序，大大减少了工序。部分零件经过高速切削加工后可作为最终产品，无需进行超精密加工。1.2 高速切削的发展

对高速切削机理的研究，目前主要集中在切屑成形机理、切削力和切削热变化规律上。

对黑色金属及其难加工材料的高速切削机理研究尚处于探索阶段，但对于铝合金的研究已经取得较为成熟的结论。高速切削工艺参数选择方面，目前还没有实用数据库可供参考，但在工件材料切削参数方面已取得一些进展。近年来，高速切削加工机床发展迅速，发达工业国家相继开发研制了各自的高速切削机床，均采用了高速电主轴部件，进给系统也大多采用滚珠丝杆或直线电机。特别是20世纪80年代以来，各工业国相继投入大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切削处理和冷却系统、安全装置以及高性能CNC控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术推广应用提供了基本条件。

2 高速切削的关键技术

高速切削是以主轴高速化为核心的多项先进制造技术的综合应用，它是一项复杂的系统工程。随着高速切削技术的迅速发展，各项关键技术也在不断跃上新水平。其关键技术主要有：高速切削机床、高速切削刀具、高速切削工艺技术、高性能数控系统、高效冷却润滑系统、安全装置与过程监控等，如图1所示。下面主要讲述关键技术中的高速切削机床与高速切削刀具。

2.1 高速切削机床

要实现高速切削加工，高速切削机床是必不可少的设备。机床要有良好的刚性，优良的吸振特性和热稳定性能。高速切削机床必须具备如下基本要求：高速旋转的主轴部件、快速的进给系统、优良的机床动态特性、稳定的机床结构。

（1）高速主轴。高速切削机床的主轴转速通常高达每分钟几万转甚至十几万转，为了提高机床的动、静态特性，保证其稳定性和结构紧凑性，目前高速切削机床无不采用电主轴结构，即将主轴电机与机床主轴合二为一。由于电主轴直接传动，减少了中间传动环节功耗，同时也消除了传动误差。一般说来，高速主轴单位包括主轴、动力源、轴承和机架四个部分，其中以轴承最为关键。随着轴承技术的发展和成熟，目前已有滚动轴承、空气静压轴承、陶瓷滚珠轴承、液体静压轴承以及磁悬浮轴承等应用于高速主轴。

（2）快速进给系统。实现高速切削加工，不仅要求很高的主轴转速，同时也必须保证很高的进给速度和运动加速度。否则，就无法发挥高速切削的优势，而且也会使刀具处于恶劣的工作条件下，进而影响进给系统的跟踪误差。在复杂曲面的高速切削中，当进给速度增加1 倍时，加速度增加4 倍才能保证轮廓的加工精度要求。因此高速切削机床的快速进给系统必须具备大加速度和高定位精度，进给速度要求达到40～120 m/min，加速度1～8g。传

统机床采用“旋转电机＋滚珠丝杆”进给方案，受螺母丝杆结构的限制和工作台惯性的影响，进给速度和加速度已不能达到前述要求。直线电机的出现解决了高速切削中进给的难题。它采用直接驱动模式，有如下优点：高进给速度，最高可达100～180 m/min；高加速度，最高可达2～10g；定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.01～0.1μm ；消除了机械传统系统的间隙和弹性变形，几乎有反向间隙；控制特性好，有较大的动、静态刚度，运行过程平稳。鉴于上述优点，直线电机驱动模式已经成为高速切削加工机床进给运动的基本形式。

（3）机床结构及动态特性。由于高速切削加工机床要同时满足高主轴速度、高进给速度和高加速度，又要求机床床身有很好的刚度、强度和热稳定性，因而机床在总体结构上尽可能将进给机构移出工作台，以最大限度的减少运动惯量。目前机床床身一般采用整体铸造结构，使用高阻尼特性材料，如聚合物混凝土。高速切削对机床支撑部件的静、动态特性要求高，为了使机床的固有频率远离切削激振频率，目前国内外大都采用高阻尼人造花岗岩作为支撑件，以获得良好的动态响应和工作稳定性。

2.2 高速切削刀具

刀具是高速加工的切削工具，高速切削时离心力大，刀具必须有良好的动平衡和安全性能，刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选择刀具材料，合理设计刀具几何参数，分析研究刀柄结构、刀夹装置对于延长刀具寿命、提高加工质量、降低加工成本至关重要。刀具检测技术对于保障高速切削安全性起着重要作用。

（1）刀具材料。切削刀具材料是高速切削得以实施的工艺基础，高速切削要求刀具材料具有良好的机械性能、抗冲击性能及热稳定性能。目前高速切削刀具通常采用硬质合金涂层材料，涂层材料主要有TiN、TiCN、TiALN。近年来，也出现一些新型涂层材料，如立方氮化硼、Al2O3、氮化碳等。涂层材料由一种发展为多种，涂层技术由单层涂层发展为多层涂层。高速切削刀具的另一个发展方向是超高硬度材料，如陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、聚金刚石刀具等。

（2）刀具几何参数。合理设计刀具的几何参数是高速切削刀具研究的重点之一。高速切削时的刀具前角一般比普通切削小10°，后角大5°- 8°。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大局部刀尖角，增大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀具材料体积，以提高刀具刚性和减少刀具破损率。

（3）刀柄结构。刀柄是高速切削的一个关键部件，它主要传递切削力和保障机床精度。高速切削时既要保证加工质量，又要保证高生产率，因此刀柄结构设计必须满足如下要求：高装夹重复定位精度；高夹紧刚度；运行时安全可靠性；刀柄制造几何精度。当主轴转速超过15000 r/min 时，由于离心力的作用，主轴锥孔扩张，刀柄与主轴的连接刚度会显著降低，径向跳动精度会急剧下降，甚至出现颤振。一种新型双定位刀柄已经应用在高速切削机床上，这种刀柄的锥部和端面同时与主轴保持面接触，因而大大提高了接触刚度和定位精度。（4）刀夹装置及刀具检测技术。广义上刀夹装置的装夹既包括刀片在刀体上的定位和夹紧，也包括刀具在机床（刀柄）上的定位和夹紧。刀具与刀柄间的装夹有多种形式，目前常用的有收缩夹头式、力膨胀夹头式和液压膨胀夹头式。以车刀为例，刀片在刀体上的装夹形式有锲块夹紧式、螺钉夹紧式、偏心轮夹紧式等。刀具监测技术对于高速切削加工的安全性十分重要，其主要体现在：通过传感器监测切削力以控制刀具磨损；监测刀具破损；提供测试控制和报警系统等。目前国内外对高速切削刀具监测技术尚处于发展阶段，未来有很大的研究空间。

高速切削工艺技术、高性能数控系统、高效冷却润滑系统、安全装置与过程监控等技术在高速切削中也占有十分重要的地位，对高速切削技术的发展也起着非常重要的作用。

3 高速切削技术的发展趋势

高速切削具有一系列不同于传统切削的优点，受到了航天、汽车、模具等行业的青睐。大型整体薄壁飞机结构件的加工将普遍采用高速铣削工艺，减轻整体重量，提高整机性能;模具制造业中将普遍采用高速、高精度加工中心，形成高切削速度、高进给速度，小切深、小走刀步距、能连续长路程切削的模具加工新工艺; 基于高速切削工艺的干式切削的绿色制造技术将会进一步发展; 高速切削工件材料将拓宽到模具钢、钛合金、不锈钢、高温合金等难加工材料;高速数控加工中心将同时具有组合机床的加工效率和FMS 的加工柔性。

另外，具有动平衡精度高、具有特定结构的满足高速切削要求的刀具将形成系列化、标准化;高速切削工艺范围将进一步扩大，高速切削机床能满足从粗加工到精加工，从刚性攻丝直至高速钻铣的全部加工要求;具有几何尺寸补偿动能的CNC 控制软件将被普遍应用。

目前我国的制造业面临着从计划经济向市场经济过渡和从粗放型经营向集约型经营发展的双重挑战。发展和应用高速切削技术一定要结合中国国情，在全国范围内全面规划，结合行业特点和地区特点，选择已具备基本研究试验条件的且已有相当技术成果的科研单位为基地，重点投资建立一套完整的高速切削基础理论体系和高速切削工艺数据库，同时一定要有实际生产应用部门的配合和支持，走“产、学、研”相结合的道路，争取在较短的时间内改变我国高速切削技术的落后面貌，从而全面振兴我国的机械制造业。

4 研究展望

高速切削加工是一套复杂的系统加工技术，离不开机床、刀具、夹具、控制软件的配合。高速切削发展历史并不长，该工艺的许多问题没有得到充分解决，其发展前景十分广阔。随着新型机床技术的日益成熟，特别是高速主轴的出现，切削速度将进一步提高。但也要追求高速切削转速和进给速度的最佳参数，简化工序，这样高速切削的“高速”才能充分发挥出来。刀具的磨损以及轴承技术将会是今后一段时间内制约高速切削发展的关键因素。刀具的磨损问题说到底就是刀具材料的研究与突破，而轴承技术主要表现在轴承的润滑和新型轴承的研究。在硬质合金涂层材料方面，目前主要是应用一些常规超硬材料，如钛合金，未来期望有新型材料出现，如纳米结构涂层等。可以预言，立方氮化硼和聚晶金刚石将在高速切削刀具材料方面起着先导的作用，轴承技术的研究将仍然是高速切削加工领域的重点。

5 总结

高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术，在理论和技术方面都还不是很成熟，尚有很大的研究和发展空间。它依赖于新颖构件、新型材料、计算机数控技术和冷却润滑技术等基础技术的支撑。高速切削技术对于机械制造业来说是一场深刻的技术进步，必将对机械制造业产生重要而深远的影响。目前国内对高速切削理论与应用研究的还很少，基本上还是处于起步阶段，因此对高速切削领域相关技术的研究，对于缩短同工业发达国家的差距具有重要现实意义。