高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它會(huì)隨著cnc技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。但我們也應(yīng)清醒的看到，高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問題，如高硬度材料的切削機(jī)理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等等。同時(shí)高速切削所用的cnc機(jī)床，車、銑、鉆等刀具，cad/cam軟件等技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴，使得高速切削投資大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。
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l 一、高速切削的原始定義
`'pfBVBz 1931年，德國切削物理學(xué)家薩洛蒙(carl.j.salomon)博士提出了一個(gè)假設(shè)，即同年申請(qǐng)了德國專利(machine with high cutting speeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個(gè)臨界切削速度v0，在切削速度達(dá)到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5～6倍時(shí)，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小。 切削塑性材料時(shí)，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但進(jìn)給速度低，切削力大。實(shí)踐證明隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀演化，所需單位切削力在初期呈上升趨勢，而后急劇下降，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機(jī)理也不同。
,<TJh[TzC6 二、現(xiàn)代高速切削技術(shù)的概念
JYLAu4s6 所羅門原理出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行高速度切削，從而提高生產(chǎn)率。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學(xué)研究所證實(shí)。但這一原理的成功應(yīng)該不只局限于此。高速切削技術(shù)是切削技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的角度去確切定義高速切削，目前還沒有取得一致，因?yàn)樗且粋�(gè)相對(duì)概念，不同的加工方式，不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數(shù)。這里包含了高速軟切削、高速硬切削、高速濕切削和高速干切削等等。
drp< f1`l8 事實(shí)上，高速切削技術(shù)是一個(gè)非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涵蓋了機(jī)床材料的研究及選用技術(shù)，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高性能cnc控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統(tǒng)，高精度快速進(jìn)給系統(tǒng)，高性能刀具夾持系統(tǒng)，高性能刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高效高精度測試測量技術(shù)，高速切削機(jī)理，高速切削工藝，適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關(guān)的硬件和軟件技術(shù)。只有在這些技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，建立起來的高速切削技術(shù)才具有真正的意義。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能，必須是cad/cam系統(tǒng)、cnc控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、機(jī)床、刀具和工藝等技術(shù)的完美組合。
59V8cO+qH 三、高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點(diǎn)
ifmX<'(9 A 自所羅門原理申請(qǐng)專利以來，高速切削技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)理論探索階段，應(yīng)用探索階段，初步應(yīng)用階段和較成熟應(yīng)用階段。特別是20世紀(jì)70年代后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼投入大量的人力、物力、財(cái)力研究開發(fā)高速切削技術(shù)及相關(guān)技術(shù)，發(fā)展日新月異，德國、美國、瑞典、瑞士、英國和日本等制造強(qiáng)國走在了世界前列。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)，高速切削機(jī)床、刀具技術(shù)和相關(guān)技術(shù)迅速進(jìn)步，使高速切削(hsc-high speed cutting)技術(shù)以其高效率、高質(zhì)量應(yīng)用于航天、航空、汽車、模具和機(jī)床等行業(yè)中，各種切削方式、各種材料幾乎無所不能，尤其是高速銑削和高速車削發(fā)展神速。該技術(shù)為“輕切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap與ae很小，但切削線速度大，為傳統(tǒng)的3～5倍，進(jìn)給速度大，為傳統(tǒng)的5～10倍。其優(yōu)點(diǎn)在于：
w~n+ hhMF 加工時(shí)間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍。
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b<V 刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%~90%。同時(shí)，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質(zhì)量。
FQ/z,it_i WGUd@lC~ 刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。
s2#}@b6'. 工件表面質(zhì)量好。首先ap與ae小，工件粗糙度好，其次切削線速度高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動(dòng)很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。
eXkpU7w; 高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動(dòng)的切屑所帶走，可進(jìn)行高速干切削，不用冷卻液，減少了對(duì)環(huán)境的污染，能實(shí)現(xiàn)綠色加工。
,5x9 o"N! 可完成高硬度材料和硬度高達(dá)hrc40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層(tialn)的硬質(zhì)合金刀具，在高速、大進(jìn)給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工(edm)的3~6倍，而且獲得十分高的表面質(zhì)量(ra0.4)，基本上不用鉗工拋光。
LDDt=HEY4 四、高速切削系統(tǒng)
_ ?XR;2 ] 高速切削系統(tǒng)主要由高速切削cnc機(jī)床、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、高速切削cam系統(tǒng)軟件等幾部分組成。
UUvR >5@n 高速切削cnc機(jī)床
'"6*C*XS (1) 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件 高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，不但保證機(jī)床精度穩(wěn)定，也防止切削時(shí)刀具振顫；采用封閉式床身設(shè)計(jì)，整體鑄造床身，對(duì)稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋，如德國deckel maho公司的橋式結(jié)構(gòu)或龍門結(jié)構(gòu)的dmc系列高速立式加工中心，美國bridgeport公司的vmc系列立式加工中心，日本日立精機(jī)vs系列高速加工中心，使機(jī)床獲得了在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門在設(shè)計(jì)過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
1 =^| (2) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)，也是高速切削機(jī)床最重要的部件。要求動(dòng)平衡性很高，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準(zhǔn)確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。高速切削一般要求主軸轉(zhuǎn)速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kw。通常采用主軸電機(jī)一體化的電主軸部件，實(shí)現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，電機(jī)大多采用感應(yīng)式集成主軸電動(dòng)機(jī)。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機(jī)，該電機(jī)能更高效，大功率地傳遞扭矩，且傳遞扭矩大。易于對(duì)使用中產(chǎn)生的溫升進(jìn)行在線控制，且冷卻簡單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動(dòng)機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以大有取代感應(yīng)式集成主軸電動(dòng)機(jī)之勢。最高主軸轉(zhuǎn)速受限于主軸軸承性能，提高主軸的dn值是提高主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵。目前一般使用較多的是熱壓氮化硅(si3n4)陶瓷軸承和液體動(dòng)、靜壓軸承以及空氣軸承。潤滑多采用油-氣潤滑、噴射潤滑等技術(shù)。最近幾年也有采用性能極佳的磁力軸承的。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。
/5Yl, P (3) 高精度快速進(jìn)給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削量的組合，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的5～10倍。這就要求機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)很高的進(jìn)給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進(jìn)給率不小于60m/min，程序可編輯進(jìn)給率小于40m/min，軸向正逆向加速大于10m/s2(1g)。機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問世，并成功應(yīng)用于cnc機(jī)床。先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使cnc機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。不僅能使機(jī)床在f=60m/min以上進(jìn)給速度下進(jìn)行高速加工，而且快速移動(dòng)速度達(dá)f=120m/min，加速度達(dá)2g，提高了零件的加工精度。但直線電動(dòng)機(jī)在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問題，有待改進(jìn)。
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G _ (4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機(jī)床的主軸、滾珠絲杠 、導(dǎo)軌等產(chǎn)生大量的熱，如不進(jìn)行有效的冷卻，將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的精度。大多采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動(dòng)機(jī)、液壓油箱等。yamazen公司將壓力為6.8mpa的冷卻液通過主軸中心孔，對(duì)機(jī)床主軸、刀具和工件進(jìn)行冷卻。日本日立精機(jī)公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液，達(dá)到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導(dǎo)軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出eeo-eeo的導(dǎo)軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)，能進(jìn)行自動(dòng)潤滑及不需專用設(shè)備等特點(diǎn)。日立精機(jī)機(jī)床公司vs系列cnc高速銑就采用此潤滑脂，具有良好的使用及經(jīng)濟(jì)效果。
31p7oRzr (5) 高性能cnc控制系統(tǒng) 高速切削加工要求cnc控制系統(tǒng)有快速處理數(shù)據(jù)的能力，來保證高速加工時(shí)的插補(bǔ)精度。一般要求程序段傳送速率 1.6～20ms，rs232系列數(shù)據(jù)接口 19.2 kbit/s(20ms)，ethernet數(shù)據(jù)傳送 200kbit/s(1.6ms)。 新一代的高性能cnc控制系統(tǒng)采用32位或64位cpu，程序段處理時(shí)間短至1.6ms。 近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為cnc機(jī)床加工中的主要通訊手段和控制工具，相信不久的將來，將形成一套先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，通訊將更快和更方便。大量的加工信息可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和交換，包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、圖形文件、工藝資料和加工狀態(tài)等，極大提高了生產(chǎn)率。但目前用得最多的還是利用網(wǎng)絡(luò)改善服務(wù)，給用戶提供技術(shù)支持等等。美國cincinati machine公司研制開發(fā)出了網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，用戶只要購買所需的軟件、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和耳機(jī)等，即可上網(wǎng)，無需安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過網(wǎng)上交換多種信息，生產(chǎn)率得到了提高。日立精機(jī)機(jī)床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式cnc系統(tǒng)，能將機(jī)床cnc操作系統(tǒng)軟件和因特網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換。
WHRBYq_ (6) 高安全性 機(jī)床安全門罩高速切削機(jī)床普遍采用全封閉式安全門罩，高強(qiáng)度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施，來保證機(jī)床操作者及機(jī)床周圍現(xiàn)場人員的安全，避免機(jī)床、刀具和工件等有關(guān)設(shè)施受到損傷。一些機(jī)床公司還在cnc系統(tǒng)中開發(fā)了機(jī)床智能識(shí)別功能，識(shí)別并避免可能引起重大事故的工況，保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
>Hd!o"I (7) 高精度、高速度的傳感檢測技術(shù) 這包括位置檢測、刀具狀態(tài)檢測、工件狀態(tài)檢測和機(jī)床工況監(jiān)測等技術(shù)。
~6[3Km|2 高性能的刀具
]zI*}(adu 夾持系統(tǒng)高速銑床的刀具夾持系統(tǒng)要求其有很高的動(dòng)平衡性，要求主軸具有30000r/min之上的動(dòng)平衡能力，且具有絕對(duì)的定心性。主軸、刀柄、刀具三者在旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)具有極高的同心度，這樣才能保證高速、高精度加工。否則轉(zhuǎn)速越高離心力越大，當(dāng)其達(dá)到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)將會(huì)使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振，其結(jié)果是加工質(zhì)量下降，刀具壽命縮短，加速主軸軸承磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使刀具與主軸損壞。刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔應(yīng)結(jié)合緊密，現(xiàn)在刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時(shí)接觸的雙定位錐柄。如日本的bbt刀柄，德國的hsk空心刀柄。刀具夾持裝置一般用經(jīng)動(dòng)平衡處理的彈簧卡頭，不過現(xiàn)在已有效果更好的液壓真空裝刀，強(qiáng)力銑卡頭裝刀。
9zpOp-K6 高速切削刀具
:GM3n$ 刀具技術(shù)和機(jī)床制造，從一開始就相輔相成共同發(fā)展，可以毫不夸張的說，只有刀具技術(shù)和機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，才推進(jìn)了高速切削技術(shù)。高速切削刀具應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。其采用的刀具材料主要是硬質(zhì)合金，并且普遍采用刀具涂層技術(shù)，涂層材料為氮化鈦(tin)、氮化鋁鈦(tialn)等等。涂層技術(shù)由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層。這一技術(shù)已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。世界各大硬質(zhì)合金刀具制造商一般都將銷售收入的3～11%投入到研發(fā)中，其中相當(dāng)一部分用于硬質(zhì)合金和涂層材料的基礎(chǔ)研究。高速切削鋼材時(shí)，刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強(qiáng)度高的p類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(cbn)與cbn復(fù)合刀具材料(wbn)等。切削鑄鐵，應(yīng)選用細(xì)晶粒的k類硬質(zhì)合金進(jìn)行粗加工，選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(pcnb)復(fù)合刀具進(jìn)行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時(shí)，應(yīng)選用聚晶金剛石pcd或cvd金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時(shí)，針對(duì)圓刀片和球頭銑刀，應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動(dòng)平衡設(shè)計(jì)制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы�，來增大刀尖角，防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。刀具材料與被切削材料應(yīng)具有較小的化學(xué)親和力。高速銑削大多采用硬質(zhì)合金刀具。在保證安全和滿足加工要求的條件下，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。
l_ LH!Tu 高速切削機(jī)理
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gxN' z 對(duì)高速切削機(jī)理的研究，總的來說還處于一種邊探索邊應(yīng)用之中。高速切削機(jī)理主要包括高速切削中切削力、切削熱變化規(guī)律，刀具磨損的規(guī)律，切屑的成型機(jī)理以及這些規(guī)律和機(jī)理對(duì)加工的影響。目前對(duì)鋁合金的高速切削機(jī)理的研究與應(yīng)用比較成功，但對(duì)黑金屬和難加工材料的高速切削機(jī)理的研究與應(yīng)用尚處于不斷探索之中，應(yīng)用也是在不成熟的理論指導(dǎo)下進(jìn)行。另外，高速切削機(jī)理的研究與應(yīng)用已進(jìn)入鉆鉸、攻絲等的切削方式中，但還處于探索階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高速切削的切削力、切削熱、切屑成型、刀具磨損、刀具壽命、加工的精度和表面質(zhì)量等的變化規(guī)律將做更加深入的分析與研究。
IY hn* 高速切削的cam系統(tǒng)軟件
- R`nitf 高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具，具有合適的cam編程軟件也是至關(guān)重要的。一個(gè)優(yōu)秀的高速加工cam編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度，較強(qiáng)的插補(bǔ)功能，全程自動(dòng)過切檢查及處理能力，自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能，進(jìn)給率優(yōu)化處理功能，待加工軌跡監(jiān)控功能，刀具軌跡編輯優(yōu)化功能，加工殘余分析功能等等。數(shù)控編程可分為幾何設(shè)計(jì)(cad)和工藝安排(cam)，在使用cam系統(tǒng)進(jìn)行高速加工數(shù)控編程時(shí)，除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關(guān)鍵。一名出色的使用cad/cam工作站的編程工程師應(yīng)該同時(shí)也是一名合格的設(shè)計(jì)與工藝師，他應(yīng)對(duì)零件的幾何結(jié)構(gòu)有一個(gè)正確的理解，具備對(duì)于理想工序安排以及合理刀具軌跡設(shè)計(jì)的知識(shí)和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命。
?VyiR40-Cx 另外，在國內(nèi)外眾多的cad/cam軟件中并不是都適用于高速切削數(shù)控編程。這其中比較成熟適用于高速加工編程的有：英國delcam公司的powermill軟件模塊，日本makino公司的ffcut軟件(其ff加工模塊已集成到美國ugs公司的cam軟件中)，以色列的cimatron軟件，美國ptc公司的pro/engineer軟件，國內(nèi)北航海爾華正軟件有限公司的caxa-me軟件等。
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