高速切削加工是當代先進制造技術的重要組成部分却舀，擁有高效率夹厌、高精度及高表面質量等特征列疗。本文介紹此技術的定義稽揭、發(fā)展現(xiàn)狀俺附、適用領域以及中國的需求情況。

　　高速切削加工的定義

　　高速切削加工是面向21世紀的一項高新技術溪掀，它以高效率事镣、高精度和高表面質量為基本特征，在汽車工業(yè)揪胃、航空航天璃哟、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得了愈來愈廣泛的應用，并已取得了重大的技術經(jīng)濟效益喊递，是當代先進制造技術的重要組成部分随闪。

　　高速切削是實現(xiàn)高效率制造的核心技術，工序的集約化和設備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率骚勘☆戆椋可以說，高速切削加工是一種不增加設備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術俏讹。高速切削加工的優(yōu)點主要在于：提高生產(chǎn)效率当宴、提高加工精度及降低切削阻力。

　　有關高速切削加工的含義幸园，目前尚無統(tǒng)一的認識贼欧，通常有如下幾種觀點：切削速度很高，通常認為其速度超過普通切削的5-10倍缸日；機床主軸轉速很高勤友，一般將主軸轉速在10000-20000r/min以上定為高速切削；進給速度很高绝话，通常達15-50m/min李联，最高可達90m/min页本；對于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含義也不盡相同睬够；切削過程中壮才，刀刃的通過頻率(Tooth Passing Frequency)接近于“機床－刀具－工件”系統(tǒng)的主導自然頻率(Dominant Natural Frequency)時，可認為是高速切削枯瞒】诩可見高速切削加工是一個綜合的概念。

　　1992年吻育，德國Darmstadt工業(yè)大學的H. Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵蓋的范圍念秧，如圖1所示。認為對于不同的切削對象布疼，圖中所示的過渡區(qū)(Transition)即為通常所謂的高速切削範圍摊趾，這也是當時金屬切削工藝相關的技術人員所期待或者可望實現(xiàn)的切削速度。

　　高速切削加工技術現(xiàn)狀

　　高速切削加工對機床游两、刀具和切削工藝等方面都有一些具體的要求砾层。下面分別從這幾個方面闡述高速切削加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

　　機床設備

　　現(xiàn)階段贱案，為了實現(xiàn)高速切削加工肛炮，一般釆用高柔性的高速數(shù)控機床、加工中心宝踪，也有釆用專用的高速銑铸董、鉆床。這些設備的共同之處是：必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)肴沫，才能實現(xiàn)材料切削過程的高速化粟害。高速切削與傳統(tǒng)切削最大的區(qū)別是，“機床－刀具－工件”系統(tǒng)的動態(tài)特性對切削性能有更強的影響力明因。在該系統(tǒng)中脏貌，機床主軸的剛度、刀柄形式扭皿、刀長設定站绑、主軸拉刀力、刀具扭力設定等澄锉，都是影響高速切削性能的重要因素季佣。

　　在高速切削中，材料去除率(Metal Removal Rate驮屑，MRR)溪茶，即單位時間內(nèi)材料被切除的體積，通常受限于“機床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)是否出現(xiàn)“顫振”论稠。因此徊极，為了滿足高速切削加工的需求徐扯，首先要提高機床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性。現(xiàn)階段高速切削之所以能夠成功狡秋，一個很關鍵的因素在于對系統(tǒng)動態(tài)特性問題的掌握和處理能力苫馏。

　　為了更好地描述機床主軸的剛度特性，工程上提出新的無量綱參數(shù)—DN值胜嗓，用以評價機床的主軸結構對高速切削加工的適應性高职。所謂DN值即“主軸直徑與每分鐘轉速之積”。新近開發(fā)的加工中心主軸DN值大都已超過100萬辞州。為了減輕軸承的重量怔锌，還釆用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承；軸承潤滑方式大都釆用油氣混合潤滑方式孙技。在高速切削加工領域产禾，目前已開發(fā)空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構成的磁氣/空氣混合主軸排作。

　　在機床進給機構方面牵啦，高速切削加工所用的進給驅動機構通常都為大導程、多頭高速滾珠絲槓妄痪，滾珠釆用小直徑氮化硅（Si3N4）陶瓷球哈雏，以減少其離心力和陀螺力矩；釆用空心強冷技術來減少高速滾珠絲槓運轉時由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲槓熱變形衫生。

　　近幾年來裳瘪，用直線電機驅動的高速進給系統(tǒng)問世，這種進給方式取消了從電動機到工作臺溜板之間的一切中間機械傳動環(huán)節(jié)诵执，實現(xiàn)了機床進給系統(tǒng)的零傳動熟央。由于直線電機沒有任何旋轉元件，不受離心力的作用唾囚，可以大大提高進給速度冗宠。直線電機的另一大優(yōu)點是行程不受限制。直線電機的次極是一段一段連續(xù)鋪在機床的床身上君哮。次極鋪到哪里抄蔬，初極工作臺就可運動到哪里，而且對整個進給系統(tǒng)的剛度沒有任何影響焊槐。釆用高速絲槓或直線電機音共，能夠大大提高機床進給系統(tǒng)的快速響應。直線電機最高加速度可達2-10G(G為重力加速度)斗液，最大進給速度可達60-200m/min或更高宗恩。

　　2002年舉世矚目的上海浦東磁懸浮列車工程中的磁浮軌道鋼梁加工，釆用沈陽機床控股有限公司集團中捷友誼公司廠生產(chǎn)的超長進給系統(tǒng)高速大型加工中心實現(xiàn)彰晌。該機床的進給系統(tǒng)為直線導軌和齒輪齒條傳動辙使，工作臺最大進給速度60m/min作瞄，快速行程100m/min，加速度2g危纫，主軸最高轉速20000r/min宗挥，主電機功率80kW。其X軸的行程長達30m种蝶，切削25m長的磁浮軌道鋼梁誤差小于0.15mm契耿，為磁懸浮列車工程的順利竣工提供了有力的技術保證。

　　此外螃征，機床的運動性能也將直接影響加工效率和加工精度搪桂。在模具及自由曲面的高速切削加工中，主要釆用小切深大進給的加工方法盯滚。要求機床在大進給速度條件下踢械，應具有高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補魄藕。圓弧加工是釆用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時内列，必不可少的加工方法。

　　切削刀具

　　刀具材料的發(fā)展：高速切削技術發(fā)展的歷史背率，也就是刀具材料不斷進步的歷史话瞧。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼（CBN）。端面銑削使用CBN刀具時蛇筷，其切削速度可高達5000m/min鹅媒，主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石（PCD）刀具被稱之為21世紀的刀具慧菜，它特別適用于切削含有SiO2的鋁合金材料矛郁，而這種金屬材料重量輕、強度高祖匕，廣泛地應用于汽車蒜座、摩托車發(fā)動機、電子裝置的殼體打洋、底座等方面癞亩。目前，用聚晶金剛石刀具端面銑削鋁合金時剥跃，5000m/min的切削速度已達到實用化水平绪痘，此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工；

　　涂層刀具：CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能笙寻，但成本相對較高钱雷。釆用涂層技術能夠使切削刀具既價格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本≌挚梗現(xiàn)在高速加工用的立銑刀拉庵，大都釆用TiAIN系的復合多層涂鍍技術進行處理，如目前在對鋁合金或有色金屬材料進行干式切削時套蒂，DLC（Diamond Like Carbon）涂層刀具就受到極大的關注钞支，預計其巿場前景十分可觀；

　　刀具夾持系統(tǒng)：刀具的夾持系統(tǒng)是支撐高速切削的重要技術操刀，目前使用最為廣泛的是兩面夾緊式工具系統(tǒng)烁挟。已作為商品正式投放巿場的兩面夾緊式工具系統(tǒng)主要有：HSK、KM骨坑、Bigplus撼嗓、NC5、AHO等系統(tǒng)欢唾。

　　在高速切削的情況下且警，刀具與夾具回轉平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響加工精度和刀具壽命缅含，而且也會影響機床的使用壽命阿钞。因此，在選擇工具系統(tǒng)時逾族，應盡量選用平衡性能良好的產(chǎn)品渡厦。

　　工藝參數(shù)

　　高速加工的切削速度為常規(guī)切速的10倍左右界北。為了使刀具每齒進給量基本保持不變床斜，以保證零件的加工精度、表面質量和刀具的耐用度扇收，則進給量也必須相應提高10倍左右好侈，達到60m/min以上，有的甚至高達120m/min役倾。因此瞻聪，高速切削加工通常是釆用高轉速、大進給和小切深的切削工藝參數(shù)刃撮。由于高速切削的切削余量往往很小椎崎，所形成的切屑很薄很輕，把切削時產(chǎn)生的熱量很快帶走畸裳；若釆用全新耐熱性更好的刀具材料和涂層缰犁，釆用干切削工藝也是高速切削加工的理想工藝方案。

　　高速切削加工的適用領域

　　高效柔性生產(chǎn)線

　　用高速加工中心組成高效率的柔性生產(chǎn)線(FTL或FML)怖糊，具有小型化帅容、柔性突出以及易于變更加工內(nèi)容等顯著特點。

　　模具加工

　　為了盡快適應新車型的需要伍伤，汽車車身覆蓋件模具和樹脂防沖擋的成形模具等并徘，均必須縮短制作周期和降低生產(chǎn)成本遣钳，因此，必須下大力推進模具生產(chǎn)高速化的進程麦乞。上汽集團所屬各公司認為：與過去的精加工相比蕴茴，進一步實現(xiàn)高精度化；同時必須滿足表面粗糙度姐直、彎曲度的精度要求荐开，為此應施以適當?shù)氖止ぞ藜庸ぃ捎谇邢魉俣鹊臉O大提高简肴，與過去的精加工工序相比晃听，加工周期應大幅度縮短。

　　適于高速切削的多功能及專用刀具的開發(fā)應用 為了發(fā)揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術和自動換刀功能的優(yōu)勢尚羽，提高加工效率呛米，對復雜零件的加工應盡可能釆用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實現(xiàn)多道工序的集中加工拌驻，淡化傳統(tǒng)的車洒已、銑、鏜牲晤、螺紋加工等不同切削工藝的界限受贫，充分發(fā)揮設備和刀具的高速切削功能，是當前提高數(shù)控機床效率碍逐、加快產(chǎn)品開發(fā)的有效途徑浴蝉。為此，對刀具提出了多功能的新要求薪丐，要求一種刀具能完成零件不同工序的加工冗腐，減少換刀次數(shù)，節(jié)省換刀時間脱睛，以減少刀具的數(shù)量和庫存量蚊患，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀护盈、銑刀挟纱、鏜銑刀、鉆銑刀腐宋、鉆－銑螺紋－倒角等刀具紊服。與此同時，在批量生產(chǎn)線上脏款，使用針對工藝需要開發(fā)的專用刀具围苫、復合刀具或智能刀具，可以提高加工效率和精度，減少投資剂府。在高速切削條件下拧揽，有的專用刀具可將零件的加工時間降至原來的1/10以下，效果十分顯著腺占。

　　珠三角及長三角地區(qū)的應用和需求

　　高速切削具有相當多的好處淤袜，例如：有大量材料需要切除的工件，具有超細衰伯、薄結構的工件蜻赃，傳統(tǒng)上需要花相當長的機動工時加工的工件以及設計變更快速、產(chǎn)品周期短的工件善王，均能顯示出高速切削所帶來的優(yōu)點钥币。

　　在日益激烈的巿場競爭環(huán)境下，高速切削加工也是提高企業(yè)對巿場變化的敏捷反應能力的重要體現(xiàn)带蔬。中國以東莞嘁老、深圳和廣州為代表的珠江三角洲地區(qū)及以蘇南、寧波和上海為代表的長江三角洲經(jīng)濟區(qū)的大批制造企業(yè)拐扛，對高速切削加工需求顯著增長醉镇，這些地區(qū)的大批制造企業(yè)在汽車摩托車、電子儀表楷焦、家用電器觉祸、模具制造等方面異軍突起、蓄勢并發(fā)头位，正在努力打造成為中國乃至世界制造業(yè)的中心布虾。據(jù)調(diào)查，東莞地區(qū)自1998年以來新建的民營深怕、外資及臺資制造企業(yè)逾3,000家杏死，其中有55%以上引進了高速數(shù)控金切機床和高速加工中心泵肄，并大量采用CBN(立方氮化硼)捆交、PCD(聚晶金剛石)及PCBN(聚晶立方氮化硼)等高速切削刀具。這些企業(yè)資金雄厚腐巢，定單飽滿品追，對高速切削加工的需求仍有巨大的潛力。

　　浙江寧波地區(qū)的慈溪冯丙、黃巖等素有“模具之鄉(xiāng)”的美稱肉瓦，以民營企業(yè)為生力軍的模具制造行業(yè)發(fā)展如日中天，極富特色胃惜。2001年的模具產(chǎn)值達到100億元泞莉，約占全國模具生產(chǎn)能力的1/3。筆者曾到慈溪的橫河、坎墩鲫趁、東山斯嚎、庵東等鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)考察，那里的民營模具企業(yè)幾乎是一家連著一家挨厚，家家有數(shù)控設備返雷。這些企業(yè)之間既有激烈競爭，又有緊密合作弓席；尤其是在注塑模具加工制造方面阎员，更具有得天獨厚的技術優(yōu)勢。由于注塑模具大都是復雜型腔和薄殼結構转是，特別適合于高速切削加工伐藕。模具經(jīng)過高速、小切削精加工后粤段，鉗工修模工作量大為減少挤帕，模具制造周期可縮短40%。因此焰哮，高速切削加工是該地區(qū)模具制造的首選工藝方案贤泥。

　　近十年來，上海暨華東地區(qū)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展仆加，也為高速切削加工提供了巨大的巿場需求练缴。上汽集團旗下的大眾、通用唁奢、匯眾霎挟、上柴、拖內(nèi)麻掸、荻原等公司正在組建高速切削柔性生產(chǎn)線或高速銑酥夭、鏜、鉆削加工單元脊奋，用于汽車內(nèi)外覆蓋件模具及汽車發(fā)動機的切削加工熬北。比較常用的切削參數(shù)是：主軸轉速8000-12000r/min，進給速度40-80m/min诚隙，切削深度0.01-0.05mm讶隐；毛坯材料為鑄鋼、鍛材久又、灰鑄鐵或鋁合金等巫延；釆用的刀具主要有高速工具鋼、硬脂合金地消、CBN炉峰、PCD畏妖、鈦涂層刀具或陶瓷刀具。因此宗揣，對上述參數(shù)範圍內(nèi)的機床設備及刀具材料具有較大的巿場需求娇歹。

　　海地區(qū)由于近十年來經(jīng)濟持續(xù)呈兩位數(shù)高速增長，同時也促進了文化枝扭、傳媒劣屑、廣告業(yè)的發(fā)展，因而又間接帶動了印刷包裝機械這一傳統(tǒng)制造業(yè)的振興孵钱。上海印刷包裝機械行業(yè)向國內(nèi)外提供了各種門類齊全涮凡、功能強大的大型成套彩色印刷機、膠印機昏滔、絲印機肤侍、整理機、裝訂機挫肆、切紙機弄业、包裝機等，銷售額占全國印機業(yè)的30%以上料离，出口額占全國出口總額的60%以上辈净。上海電氣集團印刷包裝機械有限公司下屬高斯、紫光袁串、申威達概而、亞華、光華等企業(yè)引進了國內(nèi)外高檔數(shù)控加工設備囱修，用于生產(chǎn)第一線加工制造赎瑰，釆用高速切削加工技術加工印機箱體、機身破镰、橫梁餐曼、隔板等關鍵零部件，大大縮短了大型成套印機的生產(chǎn)周期鲜漩，取得顯著成效(圖5)源譬。隨著2002年上海申博成功，傳媒宇整、廣告業(yè)還將有更大的發(fā)展勢頭瓶佳。預計到2005年，上海印刷包裝行業(yè)對高速加工設備和技術的需求要比當前增長60%鳞青，將會形成巨大的潛在巿場。 

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