一、高速切削的原始定義

　　1931年，德國切削物理學家薩洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一個假設轻黑，即同年申請了德國專利(Machine with high cutting speeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個臨界切削速度V0檐嚣，在切削速度達到臨界速度之前助泽，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當切削速度達到普通切削速度的5～6倍時嚎京，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低嗡贺，刀具磨損隨切削速度增大而減小。 切削塑性材料時鞍帝，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”诫睬，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大帕涌，但進給速度低摄凡，切削力大。實踐證明隨著切削速度的提高蚓曼，切屑形態(tài)從帶狀蘑慕、片狀到碎屑狀演化袒忿，所需單位切削力在初期呈上升趨勢，而后急劇下降蕊欣，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快蓖桅，兩者的機理也不同。

　　二愈秕、現(xiàn)代高速切削技術的概念

　　所羅門原理出發(fā)點是用傳統(tǒng)刀具進行高速度切削舍稽，從而提高生產率。到目前為止矿钩，其原理仍未被現(xiàn)代科學研究所證實劫丧。但這一原理的成功應該不只局限于此。高速切削技術是切削技術的重要發(fā)展方向之一蛀家，從現(xiàn)代科學技術的角度去確切定義高速切削浊待，目前還沒有取得一致，因為它是一個相對概念馅溉，不同的加工方式缔类，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劲阎、高速硬切削绘盟、高速濕切削和高速干切削等等。

　　事實上悯仙，高速切削技術是一個非常龐大而復雜的系統(tǒng)工程龄毡，它涵蓋了機床材料的研究及選用技術，機床結構設計和制造技術锡垄，高性能CNC控制系統(tǒng)沦零、通訊系統(tǒng)，高速货岭、高效冷卻路操、高精度和大功率主軸系統(tǒng)，高精度快速進給系統(tǒng)千贯，高性能刀具夾持系統(tǒng)屯仗，高性能刀具材料、刀具結構設計和制造技術搔谴，高效高精度測試測量技術魁袜，高速切削機理，高速切削工藝逸渤，適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關的硬件和軟件技術危晕。只有在這些技術充分發(fā)展的基礎上，建立起來的高速切削技術才具有真正的意義蕴节。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能饼尾，必須是CAD/CAM系統(tǒng)挽沧、CNC控制系統(tǒng)、數(shù)據通訊谐昌、機床糙官、刀具和工藝等技術的完美組合。

　　三筒啄、高速切削技術的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點

　　自所羅門原理申請專利以來鱼催，高速切削技術的發(fā)展歷經理論探索階段，應用探索階段贤方，初步應用階段和較成熟應用階段见毒。特別是20世紀70年代后，各工業(yè)發(fā)達國家相繼投入大量的人力献甘、物力吴攒、財力研究開發(fā)高速切削技術及相關技術，發(fā)展日新月異砂蔽，德國洼怔、美國、瑞典左驾、瑞士镣隶、英國和日本等制造強國走在了世界前列。近幾年诡右，隨著科學技術的突飛猛進和經濟發(fā)展的強大推動安岂，高速切削機床、刀具技術和相關技術迅速進步帆吻，使高速切削(HSC-High Speed Cutting)技術以其高效率域那、高質量應用于航天、航空桅锄、汽車、模具和機床等行業(yè)中样眠，各種切削方式友瘤、各種材料幾乎無所不能，尤其是高速銑削和高速車削發(fā)展神速肩蹬。該技術為“輕切削”方式虏向，每一刀切削排屑量小，切削深度小深酗，即ap與ae很小皇腮，但切削線速度大，為傳統(tǒng)的3～5倍汁恍，進給速度大据值，為傳統(tǒng)的5～10倍铛邦。其優(yōu)點在于：

　　加工時間短，效率高瘾歉。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍紫鳄。

　　刀具切削狀況好，切削力小沧宠，主軸軸承灸蛤、刀具和工件受力均小。由于切削速度高蕾奴，吃刀量很小险毁，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小们童，切削力降低大概30%~90%畔况。同時，由于切削力小病附，讓刀也小问窃，提高了加工質量。

　　刀具和工件受熱影響小完沪。切削產生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走域庇，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度覆积。

　　工件表面質量好听皿。首先ap與ae小，工件粗糙度好宽档，其次切削線速度高尉姨，機床激振頻率遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動很小吗冤，十分容易獲得好的表面質量卓召。

　　高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走沐虐，可進行高速干切削伶摄，不用冷卻液，減少了對環(huán)境的污染阴些，能實現(xiàn)綠色加工历劣。

　　可完成高硬度材料和硬度高達HRC40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層(TiAlN)的硬質合金刀具佣深，在高速根丈、大進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倍抹寿，而且獲得十分高的表面質量(Ra0.4)券听，基本上不用鉗工拋光。

　　四厦嘹、高速切削系統(tǒng)

　　高速切削系統(tǒng)主要由高速切削CNC機床隐户、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具姐赡、高速切削CAM系統(tǒng)軟件等幾部分組成莱预。

　　高速切削CNC機床

　　(1) 高穩(wěn)定性的機床支撐部件 高速切削機床的床身等支撐部件應具有很好的動、靜剛度项滑，熱剛度和最佳的阻尼特性依沮。大部分機床都采用高質量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料枪狂，有的機床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土危喉，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，不但保證機床精度穩(wěn)定州疾，也防止切削時刀具振顫辜限；采用封閉式床身設計，整體鑄造床身严蓖，對稱床身結構并配有密布的加強筋薄嫡，如德國Deckel Maho公司的橋式結構或龍門結構的DMC系列高速立式加工中心，美國Bridgeport公司的VMC系列立式加工中心颗胡，日本日立精機VS系列高速加工中心毫深，使機床獲得了在靜態(tài)和動態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中缩毯，還采用模態(tài)分析和有限元結構計算径以，優(yōu)化了結構，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠察遇。

　　(2) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術最重要的關鍵技術夺疹，也是高速切削機床最重要的部件。要求動平衡性很高遍挚，剛性好应康，回轉精度高，有良好的熱穩(wěn)定性炊撕，能傳遞足夠的力矩和功率宠宗，能承受高的離心力饮协，帶有準確的測溫裝置和高效的冷卻裝置秦物。高速切削一般要求主軸轉速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kW。通常采用主軸電機一體化的電主軸部件啰价，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動猿文，電機大多采用感應式集成主軸電動機聂映。而隨著技術的進步，新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機棚贾，該電機能更高效窖维，大功率地傳遞扭矩，且傳遞扭矩大妙痹。易于對使用中產生的溫升進行在線控制铸史，且冷卻簡單，不用安裝昂貴的冷卻器怯伊，加之電動機體積小琳轿，結構緊湊，所以大有取代感應式集成主軸電動機之勢耿芹。最高主軸轉速受限于主軸軸承性能崭篡，提高主軸的dn值是提高主軸轉速的關鍵。目前一般使用較多的是熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承和液體動吧秕、靜壓軸承以及空氣軸承琉闪。潤滑多采用油-氣潤滑、噴射潤滑等技術砸彬。最近幾年也有采用性能極佳的磁力軸承的颠毙。主軸冷卻一般采用主軸內部水冷或氣冷。

　　(3) 高精度快速進給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度稀渊、高進給率和小切削量的組合战凿，進給速度為傳統(tǒng)的5～10倍。這就要求機床進給系統(tǒng)很高的進給速度和良好的加減速特性铐跷。一般要求快速進給率不小于60m/min媒龟，程序可編輯進給率小于40m/min，軸向正逆向加速大于10m/s2(1g)涧兜。機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程病囱、大尺寸、高質量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠筹飒。隨著電機技術的發(fā)展继蚪，先進的直線電動機已經問世，并成功應用于CNC機床葡债。先進的直線電動機驅動使CNC機床不再有質量慣性杨朴、超前、滯后和振動等問題蓝垢，加快了伺服響應速度挑乓，提高了伺服控制精度和機床加工精度。不僅能使機床在f=60m/min以上進給速度下進行高速加工，而且快速移動速度達f=120m/min创译，加速度達2g抵知，提高了零件的加工精度。但直線電動機在使用中存在著承載力小软族、發(fā)熱等問題刷喜，有待改進。

　　(4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機床的主軸立砸、滾珠絲杠 掖疮、導軌等產生大量的熱，如不進行有效的冷卻颗祝，將會嚴重影響機床的精度氮墨。大多采用強力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)吐葵，使用溫控循環(huán)水或其他介質來冷卻主軸電動機规揪、主軸軸承、滾珠絲杠温峭、直線電動機妥抬、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芍惦，對機床主軸蔓摇、刀具和工件進行冷卻。日本日立精機公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液固鹏，達到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器崩绑。為了避免導軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出Eeo-Eeo的導軌潤滑脂鹰个，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好寂疏，無有害物質，能進行自動潤滑及不需專用設備等特點骏拱。日立精機機床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤滑脂忱徙，具有良好的使用及經濟效果。

　　(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)據的能力难圣，來保證高速加工時的插補精度缭慈。一般要求程序段傳送速率 1.6～20ms，RS232系列數(shù)據接口 19.2 Kbit/s(20ms)们豌，Ethernet數(shù)據傳送 200Kbit/s(1.6ms)涯捻。 新一代的高性能CNC控制系統(tǒng)采用32位或64位CPU，程序段處理時間短至1.6ms望迎。 近幾年網絡技術已成為CNC機床加工中的主要通訊手段和控制工具障癌，相信不久的將來狂打，將形成一套先進的網絡制造系統(tǒng)，通訊將更快和更方便混弥。大量的加工信息可通過網絡進行實時傳輸和交換，包括設計數(shù)據对省、圖形文件蝗拿、工藝資料和加工狀態(tài)等，極大提高了生產率蒿涎。但目前用得最多的還是利用網絡改善服務哀托，給用戶提供技術支持等等。美國Cincinati Machine公司研制開發(fā)出了網絡制造系統(tǒng)劳秋，用戶只要購買所需的軟件仓手、調制解調器、網絡攝像機和耳機等玻淑，即可上網董纺，無需安裝網絡服務器，通過網上交換多種信息宫氛，生產率得到了提高吆律。日立精機機床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式CNC系統(tǒng)，能將機床CNC操作系統(tǒng)軟件和因特網連接间渐，進行信息交換妈务。

　　(6) 高安全性 機床安全門罩高速切削機床普遍采用全封閉式安全門罩，高強度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施东哀，來保證機床操作者及機床周圍現(xiàn)場人員的安全钓宗，避免機床、刀具和工件等有關設施受到損傷尘斧。一些機床公司還在CNC系統(tǒng)中開發(fā)了機床智能識別功能构胰，識別并避免可能引起重大事故的工況，保證產品的產量和質量派男。

　　(7) 高精度憾擒、高速度的傳感檢測技術 這包括位置檢測、刀具狀態(tài)檢測塑崖、工件狀態(tài)檢測和機床工況監(jiān)測等技術七冲。

　　高性能的刀具

　　夾持系統(tǒng)高速銑床的刀具夾持系統(tǒng)要求其有很高的動平衡性，要求主軸具有30000r/min之上的動平衡能力规婆，且具有絕對的定心性澜躺。主軸、刀柄抒蚜、刀具三者在旋轉時應具有極高的同心度掘鄙，這樣才能保證高速耘戚、高精度加工。否則轉速越高離心力越大操漠，當其達到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)將會使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振收津，其結果是加工質量下降，刀具壽命縮短浊伙，加速主軸軸承磨損撞秋，嚴重時會使刀具與主軸損壞。刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔應結合緊密嚣鄙，現(xiàn)在刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時接觸的雙定位錐柄吻贿。如日本的BBT刀柄，德國的HSK空心刀柄幔时。刀具夾持裝置一般用經動平衡處理的彈簧卡頭萎丘，不過現(xiàn)在已有效果更好的液壓真空裝刀，強力銑卡頭裝刀茉油。

　　高速切削刀具

　　刀具技術和機床制造另款，從一開始就相輔相成共同發(fā)展，可以毫不夸張的說桨农，只有刀具技術和機床技術的不斷發(fā)展蒸咏，才推進了高速切削技術。高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩(wěn)定性蝉蛙，即具有良好的抗沖擊悬坎、耐磨損和抗熱疲勞的特性。其采用的刀具材料主要是硬質合金傅笨，并且普遍采用刀具涂層技術伸义，涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等等篮啦。涂層技術由單一涂層發(fā)展為多層胯恤、多種涂層材料的涂層。這一技術已成為提高高速切削能力的關鍵技術之一绰姻。世界各大硬質合金刀具制造商一般都將銷售收入的3～11%投入到研發(fā)中枉侧，其中相當一部分用于硬質合金和涂層材料的基礎研究。高速切削鋼材時狂芋，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質合金榨馁、涂層硬質合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復合刀具材料(WBN)等帜矾。切削鑄鐵翼虫，應選用細晶粒的K類硬質合金進行粗加工，選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復合刀具進行精加工屡萤。精密加工有色金屬或非金屬材料時珍剑，應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具掸宛。選擇切削參數(shù)時，針對圓刀片和球頭銑刀招拙，應注意有效直徑的概念唧瘾。高速銑削刀具應按動平衡設計制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小别凤，后角略大禀丁。主副切削刃連接處應修圓或導角，來增大刀尖角薇兆，防止刀尖處熱磨損。應加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積捅腋，提高刀具剛性肯矾。刀具材料與被切削材料應具有較小的化學親和力。高速銑削大多采用硬質合金刀具绊寞。在保證安全和滿足加工要求的條件下界赦，刀具懸伸盡可能短，刀體中央韌性要好条赚。刀柄要比刀具直徑粗壯焰箩，連接柄呈倒錐狀，以增加其剛性递思。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔影晋。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要盡量短毕删，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復雜曲面镜会，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復雜曲面。

　　高速切削機理

　　對高速切削機理的研究终抽，總的來說還處于一種邊探索邊應用之中戳表。高速切削機理主要包括高速切削中切削力、切削熱變化規(guī)律昼伴，刀具磨損的規(guī)律匾旭，切屑的成型機理以及這些規(guī)律和機理對加工的影響。目前對鋁合金的高速切削機理的研究與應用比較成功圃郊，但對黑金屬和難加工材料的高速切削機理的研究與應用尚處于不斷探索之中价涝，應用也是在不成熟的理論指導下進行。另外持舆，高速切削機理的研究與應用已進入鉆鉸飒泻、攻絲等的切削方式中，但還處于探索階段吏廉。隨著科學技術的發(fā)展泞遗，對高速切削的切削力惰许、切削熱、切屑成型史辙、刀具磨損胜玖、刀具壽命、加工的精度和表面質量等的變化規(guī)律將做更加深入的分析與研究鹏愚。

　　高速切削的CAM系統(tǒng)軟件

　　高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求竿疫，除了要有高速切削機床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的味羡。一個優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應具有很高的計算速度胃争，較強的插補功能，全程自動過切檢查及處理能力院蜘，自動刀柄與夾具干涉檢查所讶、繞避功能，進給率優(yōu)化處理功能纳傍，待加工軌跡監(jiān)控功能妄温，刀具軌跡編輯優(yōu)化功能，加工殘余分析功能等等拧亡。數(shù)控編程可分為幾何設計(CAD)和工藝安排(CAM)瓷莽，在使用CAM系統(tǒng)進行高速加工數(shù)控編程時，除刀具和加工參數(shù)根據具體情況選擇外谤碳，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關鍵溃卡。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應該同時也是一名合格的設計與工藝師，他應對零件的幾何結構有一個正確的理解蜒简，具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設計的知識和概念塑煎。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)臭蚁，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命最铁；最后要盡量使刀具載荷均勻，這會直接影響刀具的壽命垮兑。

　　另外冷尉，在國內外眾多的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軟件模塊系枪，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)雀哨，以色列的Cimatron軟件，美國PTC公司的Pro/ENGINEER軟件私爷，國內北航海爾華正軟件有限公司的CAXA-ME軟件等雾棺。

　　五、高速切削加工技術的應用

　　目前國際上高速切削加工技術主要應用于汽車工業(yè)和模具行業(yè)痒仇，尤其是在加工復雜曲面的領域然那，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領域邀敲，顯示了強大的功能。其高效涝沈、高質量為人們所推崇珍媚。國內高速切削加工技術的研究與應用始于20世紀90年代，應用于模具侍醇、航空尼布、航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機床子历、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主朦舟。隨著我國社會主義市場經濟的蓬勃發(fā)展，作為制造業(yè)的重要基礎的模具行業(yè)迅速發(fā)展稻便，這為高速銑削技術的應用和發(fā)展提供了廣闊的空間投湿。高速銑削加工技術加工時間短，產品精度高哄谆，可以獲得十分光滑的加工表面褥民，能有效地加工高硬度材料和淬硬鋼季春，避免了電極的制造和費時的電加工(EDM)時間洗搂，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。同時载弄，模具表面因電加工(EDM)產生白硬層消失了耘拇，扭變絕跡了，這樣就提高了模具的壽命宇攻，減少了返修惫叛。因為電極的制造工作不需要了，所以模具改型只需通過CAD/CAM逞刷，使改型加快嘉涌。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件，高速銑削可又快又好完成夸浅。而且在高速銑削CNC加工中心上仑最，模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優(yōu)點在資金回轉要求快帆喇、交貨時間緊急警医、產品競爭激烈的今天是非常適宜的。所以高速銑削得到了快速而廣泛的推廣馁雏。反過來酱晾，這又促進了高速銑削技術的發(fā)展。

　　六托俯、結束語

　　高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一赠飞，它會隨著CNC技術拼固、微電子技術、新材料和新結構等基礎技術的發(fā)展而邁上更高的臺階捻钢。但我們也應清醒的看到绞艘，高速切削技術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理稻续、刀具在載荷變化過程中的破損妈削、建立高速切削數(shù)據庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術和綠色制造技術等等滔菠。同時高速切削所用的CNC機床逮碾，車、銑批斯、鉆等刀具辞槐，CAD/CAM軟件等技術含量高，價格昂貴粘室，使得高速切削投資大榄檬，這在一定程度上制約了高速切削技術的推廣應用。

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