高速切削的概念与应用

摘 要：高速切削是一项面向21世纪的高新技术，采用高速切削加工，可显著提高加工效率，提高零件的精度和表面加工质量，降低加工成本。目前，在航空航天工业、模具制造、汽车制造等多个领域得到广泛的应用，取得了较好的经济效益，今后将在更为传统的制造行业中得到应用和发展。

关键词：高速切削技术 发展现状 优势与应用

切削加工是产品制造过程中的关键基础工艺，它的目标是为了提高加工质量，提高加工效率，降低加工成本。而高速切削速度能超过普通切削的5-10倍，能够大幅提高生产效率和单位时间内材料切除率，改善加工表面质量，降低加工费用。

高速切削的概念与高速切削技术

高速切削（HSM）的概念如何定义，目前有以下几种观点和方法：

 根据主轴转速定义，主轴转速高于6，000rpm为高速切削加工（ISO1940-1）

 根据主轴最高转速（rpm）与轴承孔径（mm）的乘积值“DN”衡量，“DN”值为（5-2，000）×10 以上为高速切削

 根据切削速度定义：相对常规切削而言，用高出很多的切削速度对工件进行切削，通常把切削速度是常规切削速度的5~10倍的切削称为高速切削（有时也称为超高速切削）

高速切削是一个相对的概念，不同的加工方法，有不同的高速切削范围：

 高速钻削（HSD）：200~1100m/min

 高速铣削（HSM）：300~6000 m/min

 高速车削（HST）：700~7000 m/min

 高速磨削（HSG）：150m/s以上

例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min以上才是高速切削，而400 m/min就定义为高速钻削。

而不同的工件材料，也有不同的高速切削范围：

图1 高速铣削的速度范围

高速切削的理论源于德国切削物理学家 Carl. J. Salomon 所提出的至今仍令人感兴趣的假设，他认为，被加工材料都有一个临界切削速度Vcr，当切削速度未达到临界切削速度之前，切削温度随切削速度增大而增大；当切削速度超过临界切削速度之后，切削温度反而随切削速度增大而减小。

图2 高速切削的理论

高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀具夹持系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，涉及机床、刀具材料、刀具夹持系统及切削机理等诸多方面。

对高速切削机床的要求

床身等固定部件的高刚度和高抗振性

主轴的高转速和高加速度

主轴轴承的高刚度和高抗振性

优化的切屑下落及运送系统

可靠的安全防护系统

与高速切削相适应的刀具材料

立方氮化硼（CBN）

聚晶金刚石（PCD）

陶瓷刀具

涂层硬质合金

对刀具夹持系统的要求

高刚性

高精度

传递高扭矩

换刀时的高度重复精度

高转速下的安全性

高速切削技术的发展现状

1931年，德国切削物理学家Carl.J.Salomon提出著名的高速切削理论；美、日在20世纪60年代开始开始高速切削实验和高速切削机理研究；德国自1984年开始系统研究高速切削技术；20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件；近年来，美、日、德、法、意、瑞士、加拿大等开发高速切削机床，并用于实际生产，发展迅速。

我国在高速切削技术方面的研究及应用起步较晚，但在20世纪90年代以来已普遍引起关注。高速机床的高档数控系统和开放式数控系统正在深入研究中，但目前主要还是依赖进口。目前国内正逐步开始推广应用高速切削技术，主要是应用在航空航天、模具和汽车工业，加工铝合金和铸铁较多，采用的刀具以进口为主。

高速切削技术的优势与应用

高速切削相对传统的加工方法具有显著的优越性：

1.可提高单位时间的切除率 缩短加工时间，节省制造资源

2.可提高加工表面质量 由于高的激励频率，远离系统的固有频率，避免了自激振荡，实现高精度、低粗糙度

3.可降低切削力 采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，切削力较小，减少加工变形

4.切削热由切屑带走 减少工件热变形

5.可减少后续工序 降低加工成本

高速切削是一项先进的制造技术，目前主要应用于以下领域：

1.航空航天工业轻合金的加工 飞机上零件通常采用整体制造法，其材料切除量大，采用高速切削可以大大缩短切削时间

2.模具制造业 型腔加工同样有很大的材料切除量，过去的加工方法效率低

3.汽车工业 对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工

4.精密零件的加工

5.薄壁易变形零件的加工

高速切削技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性，今后将在更为传统的加工行业中得到应用和发展。

参考文献:

[1] 艾兴，刘战强，黄传真.高速切削综合技术[J].航空制造技术，2002，（3）.

[2] 张伯霖.切削技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 冯平法.高速切削技术专题[OL].2010.