超高速切削的发展现状

摘要：超高速切削技术已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。简述了超高速切削的机理与特点，介绍了该技术在国内外的发展及技术应用领域，分析了关键技术并展望了发展趋势。

关键词：超高速切削；先进制造技术；切削刀具；应用

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Abstract：Ultra high speed cutting is one of the main trends of cutting machinery and an

important development direction of advanced manufacturing technology.The mechanism and characteristic of ultra high speed cutting are introducted ,the development and the application realms at home and abroad are discussed ,the key technologies are analyzed ,and the develoment technology of ultra high speed cutting is prospected .

prospected

Key words: Ultra high speed cutting；ATM（Advanced manufacturing technology ）；Cutting tool；application

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目录

1超高速切削的机理与特点 .......................................................................................... - 2 -1.1超高速切削的机理............................................................................................... - 2 -1．2超高速切削的特点............................................................................................. - 2 -2超高速切削加工技术在国内外的发展和应用领域................................................... - 3 -2．1超高速切削加工技术的发展............................................................................. - 3 -2．1．1超高速切削技术在国外的发展............................................................... - 3 -2．1．2超高速切削技术在国内的发展............................................................... - 3 -2．2超高速切削加工技术的应用领域..................................................................... - 4 -2．2．1超高速切削技术在国外的应用............................................................... - 4 -2．2.2超高速切削技术在国内的应用................................................................ - 4 -3超高速切削加工技术的关键技术 .............................................................................. - 5 -3．1超高速主轴系统 ................................................................................................ - 5 -3．2快速进给系统 .................................................................................................... - 5 -3．3高速CNC控制系统............................................................................................. - 6 -3．4超高速切削刀具技术......................................................................................... - 6 -3．4．1超高速切削刀具材料和刀具结构........................................................... - 6 -3．4．2超高速切削刀柄系统............................................................................... - 6 -3．5超高速切削加工的安全防护与实时监控系统................................................. - 7 -4超高速切削加工技术的发展趋势展望 ...................................................................... - 7 -5结束语 .......................................................................................................................... - 8 -

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引言

机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削加工是应用最广泛的加工方法。近年来，超高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。

超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。

超高速切削是一种用比普通切削速度高得多的速度对零件进行加工的先进制造技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，有非常高的生产效率，超高速切削技术作为先进制造技术的重要组成部分，已被积极地推广应用。

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1超高速切削的机理与特点

1.1超高速切削的机理

近十年来，超高速切削加工理论基础研究取得新的进展。主要是锯齿状切削的形成机理，超高速切削加工钛合金时切屑的形成机理，机床结构动态特性及切削颤振的避免，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及超高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配，进一步证实大部分切削热被切屑所带走。

1．2超高速切削的特点

(1)随着切削速度提高，单位时间内材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积，（v×f×ap)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)在超高速切削加工范围内，随着切削速度提高，切削力随之减少，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切削加工。

(3)超高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在90％以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。

(4)从动力学的角度，超高速切削加工过程中，切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此超高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

(5)超高速切削加工可加工硬度HRC(45—65)的淬硬钢铁件，如超高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。

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2超高速切削加工技术在国内外的发展和应用领域

2．1超高速切削加工技术的发展

2．1．1超高速切削技术在国外的发展

工业发达国家对超高速切削加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的主要有德国、日本、美国和意大利等国家。1976年美国Lockheed飞机公司首先研究了铝合金的超高速铣削试验。在高速立式铣床上用直径25.4mm立铣刀，主轴转速从4000r／min提高到20000r／min，切深及每齿进给量保持不变时，切削力下降30％，然而材料切除率却增加3倍。1979年美国国防高技术研究部署发起了一项“先进加工研究计划”研究超高速切削的科学依据，经过四年努力，其研究结果指出：随着切削速度提高，切削力下降，加工表面质量提高；刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性。德国在超高速切削试验研究方面得到了国家研究技术部的支持。1984年拨款1160万马克，组织以由Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)为首的41家公司参加的两项联合研究计划。PTW所长舒尔茨教授为首的研究人员全面系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关工艺技术，对各种工件材料(钢、铸铁、铝合金、碳纤维增强塑料等)的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，其研究成果已在德国工厂广泛应用，取得了良好的经济效益。自20世纪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。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG4001ll型加工中心，主轴最高转速达36000 ~ 40000r／min，工作台快速移动速度为3640m／min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心，进给移动速度为60m／min。

2．1．2超高速切削技术在国内的发展

我国超高速切削加工技术研究起步较晚，与国外有较大的差距。20世纪80年代初期，山东大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了，基陶瓷刀具超高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损和破损理论、加工表面质量变化规律等[4]。之后，北京理工大学研究了超高速切削的刀具寿命与切削力，沈阳工业大学

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和重庆大学研究了超高速切削机理，天津大学和大连理工大学研究了超高速硬切削机理，上海交通大学与有关工厂研究了钛合金超高速铣削工艺、薄壁件超高速铣削精度控制、铝合金超高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金超高速钻削和铣削数据库等。广东工业大学研究了超高速主轴系统和快速进给系统，成都工具研究所研究了超高速切削刀具的发展和产业化。在超高速机床方面，目前我国与国外的主要差距在于机床的关键功能部件的研究开发落后于市场需求，如转速20000r/min以上的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的超高速加工中心基本上还是依赖进口，并已从国外引进了相当数量的超高速加工中心。在超高速切削刀具材料方面我国已取得了很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发超高速切削刀具的能力，但金刚石、立方氮化硼、TiCN基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、品种与国外差距很大，超高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成自己特色的超高速切削刀具制造体系。与国外相比。目前主要差距是我国的超高速切削加工用的高性能刀具材料(涂层材料、涂层技术)、刀具制造工艺技术、刀具安全技术等还处于初步阶段

2．2超高速切削加工技术的应用领域

2．2．1超高速切削技术在国外的应用

现在在工业发达国家，超高速切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等领域，并已取得了巨大的经济效益。模具制造工业中，德国、日本、美国等大约有30％～50％的模具公司，用超高速切削加工技术，加工放电加工(EDM)电极、淬硬模具型腔、塑料和铝合金模型等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90％，采用超高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用超高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。此外，超高速切削加工技术还应用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表等加工领域。

2．2.2超高速切削技术在国内的应用

我国超高速切削加工技术最早应用于轿车工业，20世纪80年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有90年代中期水平的一汽一大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了超高速切削加工技术。近年来，我国航天、航空、汽轮机模具等制造行业引

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进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用超高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。

3超高速切削加工技术的关键技术

3．1超高速主轴系统

超高速主轴系统是超高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在(15000 ~ 30000)r／rain的加工中心越来越普及，已经有转速高达(100000 ~ 150000)r／min 的加工中心。更高的超高速主轴系统也正在研制开发中。超高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形，超高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对超高速主轴提出以下性能要求：(1)结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监测系统。为了满足上述性能要求，超高速主轴多以高频变频调速电机直接驱动，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，即所谓“零传动”。

轴承是决定主轴寿命和负荷大小的关键部件。为了适应超高速切削加工，超高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。目前超高速主轴主要采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承等[5]。主轴轴承的润滑对主轴转速的提高起着重要作用，超高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。

3．2快速进给系统

超高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。为了适应进给高速化的要求，在超高速加工机床上主要采取了以下措施；1)采用新型直线滚动导轨；2)采用更先进、更高速的直线电机。3)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠。其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加／减速度。4)高速进给伺服系统数字化、智能化、软件化，使伺服系统与CNC系统在A／D与D／A转换中不发生数据丢失或信号延迟现象。5)高速进给机构采用碳纤维增强复合材料，使工作台重量减轻但不降低其刚度。

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3．3高速CNC控制系统

数控超高速切削加工要求CNC控制系统具有快速处理数据能力和高的功能化要求特性，以保证在超高速切削时，特别是在5轴坐标联动加工复杂曲面时仍具有良好的加工性能。超高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标[6]：一是单个程序段处理时间。为适应超高速，要求单个程序段处理时间短。为此需要采用强大功能的硬件配置。二是插补精度。为了确保超高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段预处理功能，此外还可以采用NURBS插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。

3．4超高速切削刀具技术

3．4．1超高速切削刀具材料和刀具结构

超高速切削常用的刀具材料有涂层WC和TiCN基硬质合金(金属陶瓷)、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。超高速切削刀具结构主要有整体和镶牙两类。镶牙刀具主要采取机夹结构。高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体重量尽量轻以减少离心力，如铝合金刀体的金刚石面铣刀。在高速切削的情况下，刀具与夹具平衡性能的优劣，不仅影响到加工精度和刀具寿命，而且也会影响到机床的使用寿命，因此高速回转刀具必须进行运动平衡试验，以满足平衡品质的要求。

3．4．2超高速切削刀柄系统

超高速切削加工时，采用常用的7:24锥度的单面夹紧刀柄系统出现了许多问题，主要表现为：刚性不足：ATC(自动换刀)的重复精度不稳定：受离心力作用的影响较大；刀柄锥度大，不利于快速换刀及机床的小型化。针对这些问题，为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应超高速切削加工技术发展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄主要有两类：一类是对现有的7:24锥度刀柄进行的改进性设计，如BIG—PLUS、WCU、ABSC等系统；另一类是采用新思路设计的l:10中空短锥刀柄系统，有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。

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3．5超高速切削加工的安全防护与实时监控系统

从总体上讲，超高速切削加工的安全保障包括以下几方面：

1）机床操作者及机床周围现场人员的安全保障；

2) 避免机床、刀具、工件有关设施的损伤；

3) 识别和避免可能引起重大事故的工况。

在机床结构方面，机床设有保护墙和门窗。刀片，特别是由抗弯强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由离心力作用下产生飞离倾向的保证外，还要做极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测以控制刀具磨损，机床功率监测可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监测以判别切削参数与进给系统间关系：刀具破损监测；主轴轴承状况监测；电器控制系统过程稳定性监测等。

4超高速切削加工技术的发展趋势展望

超高速切削加工是切削加工发展的方向，在2l世纪必将成为切削加工的主流。作为先进制造技术的一项全新的共性实用技术，超高速切削加工技术将继续克服当前存在的某些技术障碍，得到更快的发展，主要有：1)在超高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高转速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速高精度的数控系统的新型加工中心将会进一步快速发展。与其配套的高速轴承技术、高速电机技术、高速主轴的润滑基数、高频变频装置以及超高速加工中心的刀库技术和自动换刀装置以及监控技术等将随之快速发展。2)PCD、CBN陶瓷刀具、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等作为超高速切削刀具材料仍将起主导作用，并且日益广泛应用。但这些刀具材料将随着超高速切削加工技术发展的需要，得到新的发展。3)加工范围将扩大，将从铝合金超高速加工扩大到钢材的超高速加工，解决钢件超高速加工存在的技术难题。4)将从湿切削走向干切削，解决超高速加工使用大量冷却液造成的污染，并进一步研究开发出适合于干切削的新型刀具，研究开发干切削加工中心。5)超高速切削机理的理论研究、仿真研究、和虚拟研究等工作将得到进一步深入开展，超高速切削过程的物理本质与变化规律将被进一步弄清。

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5结束语

超高速加工是继数控技术之后,给制造技术带来第二次革命性变化的一项高新技术,是当代四大先进制造技术之一,是面向21世纪的一向系统工程。

采用超高速切削不但可以有效地减少加工机动时间,提高设备利用率和生产率,还可有效地改进质量。而且高速切削技术的发展和应用是一项复杂的系统工程，它涉及到刀具、机床、工艺、材料、敏捷生产、网络化、智能化和故障诊断等诸多领域的技术发展和创新。为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求，高速切削和高速加工技术必将在生产工艺离散型和混合型企业(如模具、船舶、汽车和航空航天等制造企业)中得到进一步发展和应用。

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参考文献:

[l] 艾兴．高速切削加工技术．国防工业出版社，2003．10．

[2] 李沪曾，郭重庆，王逸等．浅谈高速切削加工技术的发展一现代制造工程，2004(6)．

[3] H．舒尔茨著．高速加工发展概况．王志刚译．机械制造与自动化，2002(1)：4—8．

[4] 艾兴，萧虹．陶瓷刀具切削加工，北京：机械工业出版社，1998．4．

[5] 自立．轴承技术的发展．世界制造技术与装配市场(WMEM)，2002(2)：23—25．

[6] 孙季初．用于高速加工的数控系统。世界制造技术与装备市场(WMEM)，2000(3)：66-68．

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致谢:

感谢李老师对我们的严格要求，不但对些标准毕业论文有了一定的理解。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学及老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师-李紫辉老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢! 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

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