高速切削加工工艺及应用（论文集）.docx

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1、高速切削的技术装备内容摘要: 高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源于德国切削物理学家Carl Salomn的著名切削实验及其物理引伸。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。 在常规切削范围内切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降(见图1C区)，所以越过B区，在高速区C区进行切削，则可用现有的刀具进行高速切削，从而大大地减少切削工时，成倍提高机床的生产率，同时提高加工质量管理，并可用于切削各种硬、韧性、难加工材料的工件。 1 高速切削机床 为了适应粗精加工，轻重切削和快速移动，同时

2、保证高精度(定位精度0.005mm)，性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。 高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源于德国切削物理学家Carl Salomn的著名切削实验及其物理引伸。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，其切削温度最高。 在常规切削范围内切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高，当切削速度到达临界切削速度后，切削速度再增大，切削温度反而下降(见图1C区)，所以越过B区，在高速区C区进行切削，则可用现有的刀具进行高速切削，从而大大地减少切削工时，成倍提高机床的生产率，同时提高加工质量管理，并可用于切削各种硬、韧性、难加工材料的工件。因此，自上世

3、纪80年代以来，国外在制造业的模具、航空、航天、汽车、精密机械、光学和家电等许多部门中，开始广泛应用该先进技术、取得了很大的成效。目前，面对日益加剧的国际竟争，国内广大企业迫切需要对HSC加工技术有比较全面的了解，以便能正确选购有关技术装备，并充分发挥其作用，获得予期的经济效益。 1 高速切削机床 为了适应粗精加工，轻重切削和快速移动，同时保证高精度(定位精度0.005mm)，性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。其关键技术有以下几项： 1.1 高速主轴 高速主轴是高速切削机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代

4、之的是一种新颖的功能部件电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温，一般可控制在2025范围内某一设定温度，精度为 0.7，同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。 1.2 高速精密轴承 高速轴承是高速切削机床的核心，是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件。 1.2.1 磁悬浮轴承 它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其转速可达45000r/min，功率为20kW，精度高，易实现实时诊断和在线监控，是理想的支承元件，但其价格较高。 1.2.2

5、液体动静压轴承 采用流体动、静力相结合的办法，使主轴在油膜支撑中旋转，具有径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好，适于粗、精加工，寿命长的优点。但其无通用性，维护保养较困难。 1.2.3混合陶瓷轴承 用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r/min，它的标准化程度高，便于维护，价格低。 1.3 高速伺服系统 为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件，否则会造成刀个的急剧磨损与升温，破

6、坏工件加工的表面质量。 1.3.1 直线电机伺服系统 直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1g的情况下，是伺服系统的唯一选择。 高速切削加工工艺及应用 内容摘要: 1高速切削工艺 加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。 (l）切削参数的选择 在高速切削加工中，必须对切削参数进行选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角

7、度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣）等 (2）切削路径的选择与优化在高速切削加工中，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，还要采取不同的切削路径才能得到较好的切削效果 切削路径优化的目的是提高刀具耐用度，提高切削效率，获得最小的加工变形，提高机床走刀利用率，充分发挥高速加工的优势。 1高速切削工艺 加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。 (l）切削参数的选择 在高速切削加工中，必须对切削参数进行选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程（

8、顺铣还是逆铣）等 (2）切削路径的选择与优化在高速切削加工中，除了刀具材料和刀具几何参数的选择外，还要采取不同的切削路径才能得到较好的切削效果 切削路径优化的目的是提高刀具耐用度，提高切削效率，获得最小的加工变形，提高机床走刀利用率，充分发挥高速加工的优势。主要包括: 走刀方向的优化在走刀方向的选择上，以曲面平坦性为评价准则，确定不同的走刀方向选取方案；对于曲率变化大的曲面以最大曲率半径方向为最优进给方向，对曲率变化小的面，以单条刀轨平均长度最长为原则选择走刀方向。 刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化，尽量走直线，路径尽量光滑的要求选择加工策略，选择合适的插补方法，保证加工面残留高度的要求，采

9、用过渡圆弧的方法处理加工干涉区，这样在加工时就不需要减速，提高加工效率。 柔性加减速和断刀的几率。选取合适的加减速方式，减少启动冲击，保持机床的精度，减少刀具颤振 (3）刀具材料的选择 刀具材料的合理选择遵循以下原则: 切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配，主要指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能相匹配 刀具材料的硬度大小顺序为PCDPCBN)AIO基陶瓷si3N基陶瓷TIC(N）基硬质合金WC基超细晶粒硬质合金高速钢（HSs) 刀具材料的抗弯强度的大小顺序为：HSSWC基超细晶粒硬质合金合金siN基陶瓷Al。基陶瓷PCDPCBN。 断裂韧性的大小顺序为HSS)WC基超级晶粒硬质合金）

10、TIC(N）基硬质合金）PCBNPCD51,N基陶瓷A12O基陶瓷。 具有优良高温力学性能的刀具尤其适合高速切削加工。对于硬脆刀具（如硬质合金和陶瓷）的磨损起决定作用的主要因素是其力学性能。 切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配，土要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击能力等物理参数要相匹配。加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。对于精密加工则要选用热膨胀系数小的刀具材料（金刚石等）。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性，要求刀具材料熔点高、导热性能好、氧化温度高、耐热性好

11、、抗热冲击性强。 切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能相匹配。各种刀具材料所适合加工的工件材料如表2.所列。 (4）干式（准干式）切削技术高速加工中不采用切削液或采用微量的切削液可以带来大量的好处低切削过程对环境的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成本、降低切削过程对环境的危害、提高切屑的回收利用率等。 (5）加工误差综合动态补偿技术 高速切削加工中误差产生的主要原因有伺服系统的滞后、加减速引起的滞后、插补周期引起的形状误差、数控系统的轮廓误差等 目前采用的补偿技术有：温度补偿、象限补偿、丝杠误差补偿、使用非均匀有理B样条(

12、NuRBs）插补、纳米插补、加减速预测及控制伺服电机最佳加减速转矩、进行前瞻性控制、刀具长度补偿、刀具中心点及半径补偿、冲击控制等 高速切削工艺研究是一项很有意义的工作。实践证明如果只有高速机床和刀具而没有良好的工艺作指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用高速切削的工艺和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。这一点在高速机床使用中应特别加以注意. 2高速切削加工的应用 由于高速切削具备一系列显著优点，因而首先受到航空航天、模具、汽车等行业的青睐航空部门大型整体薄壁飞机结构件加工将普遍采用高速铣削工艺，减轻整机重量，提高飞机整机性能。模具制造业中普遍采用高速加工中

13、心，形成高切削速度、高进给速度、小切深、小走刀步距、能连续长路程切削的模具加工新工艺，对淬硬钢的高速铣削成为缩短模具开发周期、降低制造成本的主要途径。汽车制造业将更加积极地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生产。 飞机机体材料60%-70为铝合金，而且绝大多数坯料的去除需要切削加工，零件通常采用“整体去除”法制造，即在整块毛坯上去除大量材料后形成高精密度的铝合金复杂构件，其切削时间占整个零件制造总工时的比例很大。对这样的大型、壁薄、加强肋复杂的铝合金零件进行高精度、高效率加工是切削加工技术中的一个难题。采用高速切削加工，可大幅度提高生产效率，切削效率是传统切削的25-28倍，并可节省经费，降

14、低制造成本。MarwmProductlonSystem，公司生产的机床Automa可加工规格达5mx25m的整体铝合金薄壁航空零件而专门加工飞机蒙皮的机床长度可达87m，能同时加工6件空中客车的机冀蒙皮板目前在航空工业中，使用高速铣削铝合金已经比较普遍，收到了缩短制造周期、提高飞机性能的双重功效。 高速切削加工主耍应用于车削和铣削工艺。随着各类高速切削机床的开发，高速切削艺范围将进一步扩大，高速切削将涵盖所有的传统加工范畴，包括从粗加工到精加工，从钻到徨削、拉削、钦削、攻丝、滚齿等。下面主要介绍一下高速硬车削、高速钻削、高速铣削。 (1）高速硬车削对淬硬钢材料进行高速车削加工叫高速硬车削高速硬

15、车削主要作为对悴硬钢零件的终加工或精加工。淬硬钢加工的传统方法主要是磨削 和磨削加工相比，硬车削的特点是： 加工效率高采用高转速、大切深切削，金属切除率通常是磨削加工的3一10倍床一次装夹，可完成多工序加工，如粗、精加工在一台设备上一次完成；多表面加工，如精切圆、内孔、切槽外圆、内孔、切槽等，加工位置精度高 洁净加工大多数情况下，高速硬车削不用或不便使用切削液。一方面，硬车削是过使剪切部分材料变软退火而形成切屑，冷却速率过高会降低这种效果，加大机械磨损，缩刀具寿命；另一方面，高速切削所使用刀具的抗热冲击能力差，在高速下切削，切削液不容易 达切削表面，而使刀具温度变化决，容易使刀具碎裂。所以，采

16、用少量冷却液或干切削是高速硬车削的特点之一，千切削可以省去与切削液有关的装置，简化生产系统，降低生产成本，同形成的切屑干净清洁，便于回收处理. 减少设备有利于柔性生产和敏捷生产。一方面车床的投资比磨床少占地面积小辅助费用低，另一方面，在生产线上应用硬车削技术，更适应产品的改型，提高了生产线的性，使产品适应市场的能力增强，符合敏捷制造的要求。与磨削加工相比，硬车削能更好地应多品种、短周期、小批量的产品生产。 零件整体加工精度高高速硬车削中产生的大部分热量被切屑带走，不会像磨削加那样容易产生表面烧伤和裂纹，可以得到更好的加工精度、表面质量和加工的位置精度，特减少了零件的装夹次数. 可以采用硬车削替

17、代磨削加工的场合很多，如汽车曲轴加工、轴承加工、淬硬螺纹加工等目前的应用还处于初级阶段，人们对于高速硬车削代替磨削加工的认识不足，昂贵的硬车削具、缺乏深人的切削机理研究和切削工艺试验研究等，都是制约高速硬车削技术迅速推广应的不利条件。就目前的应用情况，高速硬车削的加工尺寸精度还达不到磨削的水平，但在一精度范围内，硬车削具有非常大的优越性，而且，随着硬车削技术的提高和普及，采用这种新工艺的加工精度也会逐渐提高.（2）高速钻、铰和攻螺纹 高速钻、铰和攻螺纹也是高速切削技术的重要 高速切削工艺 一、高速切削技术概述 1931年4月德国物理学家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High

18、Speed Cutting）的理论，并于同年申请了专利。他指出：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。由于实验条件的限制，当时高速切削无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示。 高速加工技术经历了理论探索，应用探索，初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广。特别是20世纪80

19、年代以来，航空工业和模具工业的需求大大推动了高速加工的应用。飞机零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、长桁、框等，它们有很薄的壁和筋，加工中金属切除率很高，容易产生切削变形，加工比较困难；另外，飞机制造厂方也迫切要求提高零件的加工效率，从而缩短飞机的交付时间。在模具工业和汽车工业中，模具制造是一个关键，缩短模具交货周期，提高模具制造质量，也是人们长期努力的目标。高速切削无疑是解决这些问题的一条重要途径。自20世纪90年代起，高速加工逐步在制造业中推广应用。目前，据统计，在美国和日本，大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国，这个比例高于40%。在飞机制造业中，高速切削已经普遍用于零件的加工。 目前

20、高速切削已经有了一定的应用，但要给高速铣削下一个确切的定义还较困难，高速切削的切削速度范围较难给出。高速切削是一个相对概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的510倍。对常用材料，一些资料给出了大致数据：铝合金15005500 m/min；铜合金900 5000 m/min；钛合金1001000 m/min；铸铁7504500 m/min；钢600800 m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为225m/min。二、高速切削技术的优势 高速切削之所以得到工业界越来越广泛的应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以

21、下特点：1.可提高生产效率 高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高510倍，单位时间材料切除率可提高36倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。 2.降低了切削力 由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，参见图1。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。 3. 提高了加工质量 因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性

22、，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。 4.加工能耗低，节省制造资源 由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。 5. 简化了加工工艺流程 常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。图2为某模具制造中采用常规加工与高速切削加工的工序比较。三、高速铣削加工工艺 安全、高效和高质量是高速切削的主要目标

23、。高速加工按目的分为两种情况：以实现单位时间最大材料去除量为目的的高速加工和以实现单位时间最大加工表面积为目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。 由于高速铣削要求切削载荷均匀，没有剧烈的变化，因此除铝合金和非铁合金外，通常粗加工可采用有较高金属切除率的常规铣削。精加工时由于余量较均匀，采用高速铣削能达到很高的走刀速度，切削更多的表面积。对小的零件，从粗加工到精加工都可采用高速铣削。在粗加工后的半成品工件上，怎样用半精加工方法获得余量比较均匀的半成品毛坯，为精加工采用高速铣削创造条件；另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和设置切削参数，采用先进的走刀方法等，这些都是要考虑的重要问题

24、。对于一个高速铣削加工任务来说，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体考虑，设计出一个合理的加工方案，从总体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势，这就是高速铣削工艺设计的原则。 1.粗加工 粗加工的目标是追求单位时间的最大切除量，表面质量和轮廓精度要求不高，重要的是让机床平稳地工作，避免切削方向和载荷急剧变化。 为了防止切削时速度矢量方向的突然改变，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角。所有进刀、退刀、步距和非切削运动的过渡也都尽可能圆滑，如在平面铣削中，可采用螺旋或倾斜方式（倾角为5左右）的垂直进退刀运动、圆弧方式的水平进退刀运动；而在曲面轮廓铣中，使用切圆弧的进退

25、刀运动等。 刀具通常采用球头铣刀和平底圆角铣刀，采用2.5轴加工方式，加工时充分利用主轴的加工功率。 为了平稳地加工硬化了的材料，步距通常不得大于刀具直径的6%8%，深度不超过刀具直径的10%。分层切削能控制切削载荷均匀，在粗加工中常采用此法。 2.半精加工 半精加工的目的是把前道工序加工后的残留加工面变得平滑，同时去除拐角处的多余材料，在工件加工面上留下一层比较均匀的余量，为精加工的高速铣削做准备。半精加工应沿着粗加工后的棱状轮廓进行铣削，以便使切入过程稳定，并减小切削力波动对刀具的不利影响。另外，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁地进退刀。 以前的CAM系统（包括目前的一般系统）基本

26、上没有基于残留模型的编程功能。粗加工以后，不是针对残留材料作后续加工，而是以一个假设的、估计的“毛坯”作为加工对象，来进行半精加工的刀位轨迹计算。这样得到的加工指令，在实际切削过程中会出现空切现象，造成切削状态不连续，引起刀具震动或撞击，缩短了刀具寿命，并容易造成加工缺陷。现在，一些顶尖的CAD/CAM系统已推出了这项技术。如在UG中，粗加工后可生成工件的残留材料模型（IPW），然后以该残留材料模型为毛坯，生成半精加工操作。这样可去除空刀，减小刀具切入/切出材料时的冲击，延长刀具寿命，并可获得较为均匀的加工余量，为高速铣削精加工创造条件。 3. 精加工 精加工的目的是按照零件的设计要求，达到较

27、好的表面质量和轮廓精度。精加工的刀位轨迹紧贴零件表面，要求平稳、圆滑，没有剧烈的方向改变。精加工中除需对工艺参数进行优化外，还建议采用下面的加工顺序：外轮廓加工、凸起规范几何体的加工、自由型面的加工、阶梯层面加工、平面加工和凹陷规范几何体的加工等。四、结论 在高速切削加工中，机床、夹具、刀具、数控系统及软件等只是必要装备，加工工艺方法及参数设定等因素才是直接影响加工是否成功的重要因素。这些因素需要经验的积累及反复实践和总结，才能真正发挥高速切削加工的优势。高速切削加工技术的现状和发展(1) 一、概述机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家

28、，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达1501500cm3/min，超硬刀具材料硬度达30008000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10um到0.1um。干（准）切削日益广泛应用。随切削速度提高，切削力降低大致为2530以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低12级；生产效率提高，生产成本降低。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

29、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。不同材料的高速切削加工速度范围高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度100200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。 但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工

30、技术，并取得很好的经济效益。二、高速切削加工理论基础 (1) 切屑形成特征不同材料在不同状态下的切屑形态:(a) 供货状态，切削速度127.2m/min连续带状切屑（D.LEE） （b）硬度325HB，切削速度125.5m/min锯齿状切屑(c)硬度325HB，切削速度250m/min 锯齿状切屑(d)硬度325HB，切削速度2600m/min即将分离的锯齿状切屑 高速切削不同状态AISI4340钢（40CrNiMoA）时的切屑形态（纵截面微观照片）（b）、（c）、（d）从komarduri）切削渗碳淬硬20CrMnTi钢（HRC6062）在100110m/min时的切屑形貌 工件材料及其性能

31、和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性的影响。 一般低硬度和高热物理性能KC（导热性K、密度和比热容C的乘积）的工件材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等，在很大切削速度范围内容易形成连续带状切屑。硬度较高和低热物理特性KC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。 (2) 切削力学图中Fs为剪切力，Fm为高速切削时切屑动量改变所需的作用力；Ff为作用在后刀面上的摩擦力。 直角切削时剪切角和前刀面受力简图 剪切角和摩擦系数（tg）的关系可用Merchant公式估算

32、 实验证明在高速切削时计算的角与测量的结果有良好的一致性高速切削4340钢（40CrNiMoA）时剪切角的计算值与测量值的比较（Recht） 在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角增大，切削力降低。 Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力 （3）切削热和切削温度 切削时的热量主要来自剪切变形功、刀屑和刀工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1。 切削时热的产生与传出立铣铝合金时，流入各部分的切削热量Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10A（HRC5865）时的切削温度 切削速度对切削温度的影响试验结果。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快

33、，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。 (4)表面粗糙度 随V增加，加工表面粗糙度有所减少。实验用的ACEV500加工中心最高转数为10000r/min，其一段和二阶固有频率分别为50Hz（3000r/min）和113Hz（6780r/min）。 涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响 1 2 3 下一页 高速切削加工技术的现状和发展(2)中国工程院院士、山东大学 艾兴教授三、高速切削刀具材料(1) 高速切削刀具材料 金刚石 天然金刚石 聚晶金刚石(PCD) 人工合成单晶金刚石 金刚石涂层 立方氮化硼(PCBN) 陶瓷刀具：有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)

34、基两大类 TiC(N)基硬质合金（金属陶瓷） 涂层刀具优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。 a)硬涂层：CVD的TiCN+Al2O3+TiN；TiCN+Al2O3； TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3和TiCN、TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等 b)软涂层：硫族化合物（MoS2，WS2）涂层的高速钢刀具 超细晶粒硬质合金：细晶粒(0.2-0.5um)的WC基硬质合金，添加TaC、NbC等 粉末冶金高速钢（PM HSS）和高性能高速钢HSSE (2) 高速切削刀具材料的合理应用 高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料

35、和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。 刀具材料性能硬度大小：金刚石PCD立方氮化硼 PCBNAl2O3基Si3N4基TiC(N)基硬质合金WC基超细晶粒硬质合金高速钢HSS。抗弯强度大小：HSSWC基TiC(N)基Si3N4基Al2O3基PCDPCBN。断裂韧性大小：HSSWC基TiC(N)基PCBNPCDSi3N4基Al2O3基。 耐热性：PCD700-800；PCBN1400-1500；陶瓷1100-1200；TiC(N)基900-1100；超细晶粒硬质合金WC基800-900；HSS600-700。高速切削刀具材料合理应用 加工铝合金：金刚石最适于高速

36、切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。加工钢和铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。 加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si3N4基陶瓷刀具（如SiC晶须增韧）和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层

37、刀具。 加工钛合金：一般可用 WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。四、高速切削加工的刀柄系统 BT系统：刀柄锥度7：24，单面接触。 HSK系统：刀柄锥度1：10，双面接触。 BT刀柄（7：24）BT刀柄与主轴接合图HSK刀柄（1：10）HSK刀柄与主轴接合图刀柄与主轴接触 不同刀柄系统，高速加工时，离心力有很大影响。 BT主轴/刀柄联结 主轴转速达到某一极限值 (n=15000r/min，F=15kN) 时，主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极大地降低了刀柄在主轴锥孔内的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可

38、靠性。 (a)联结面间的间隙(单位:m) (b)联结面间的接触应力(单位:N/m2) BT刀柄与主轴的联结(转速n=15000r/min, 轴向拉力F=15kN) (a)联结面间的间隙(单位:m) (b)联结面间的接触应力(单位:N/m2) HSK-A63主轴/刀柄的联结 (n=10000r/min) (a) BT 40(b) HSK-A63 旋转速度对径向间隙的影响 高速切削加工技术的现状和发展(3)中国工程院院士、山东大学 艾兴教授五、高速切削加工的安全技术(1)高速旋转刀具的平衡高速切削旋转刀具系统必须平衡，但应根据其使用速度范围予以平衡，以达到最佳经济条件。一般在6000rpm以上必须

39、平衡，以保证安全。要求G2.5, G为平衡品质(mm/s)，即反映刀具平衡量与转速关系的参数。e偏心（gmm/Kg） M刀体质量（Kg）角速度（r/s） m不平衡量（g）N转速（rpm） r不平衡半径（mm）U残余不平衡量（gmm） 残余不平衡量 U= m r 动平衡线图SHENCK动平衡仪高速切削刀具的安全性：防止离心力造成刀体与夹紧零件破坏和刀片的夹紧不可靠。 高速切削刀具破坏实例：在5000 rpm时刀片甩出的面铣刀 在36700 rpm时爆碎的面铣刀36000 rpm时弯曲与折断的直径12 mm的带柄立铣刀 （2）可转位刀具安全性 （a）立装可转位铣刀 （b）平装可转位铣刀螺钉分析 可

40、转位面铣刀刀片外移和螺钉弯曲 旋转速度对刀具变形的影响金属去除率对螺钉最大等效应力的影响不同装夹方式下的螺钉极限转速分析结果表明：从安全性看，对可转位面铣刀刀具，旋转离心力造成刀片夹紧，螺钉的破坏和刀体的变形有最主要的影响，立装铣刀优于平装铣刀。 （3）整体硬质合金（0.5um）立铣刀的安全性10mm立铣刀（三齿）仅受离心力作用的应力图(n=10,000r/min)10mm立铣刀（三齿）刀具受离心力、切削力作用的应力图(n=10,000r/min,Q=39 cm3/min)金属去除率对10mm刀具应力的影响对于小直径整体式硬质合金铣刀而言，旋转离心力对刀具的变形、应力分布影响很小，完全可以忽略

41、不计。其应力水平的高低是由切削力决定的。 六、高速切削加工技术的应用实例陶瓷刀具车削淬硬钢（HRC6062）30D箱体加工示意图七、高速切削加工技术展望 高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流 切削速度目标： 铣加工铝及其合金10000m/min；铣加工铸铁5000m/min；铣加工普通钢2500m/min。 钻削铝及其合金30000r/min，钻削铸铁20000r/min，钻削普通钢10000r/min。 进给速度目标2050m/min，进给量1.01.5mm/齿。 铝及其合金等

42、有色金属和碳纤维增强塑料等非金属材料的切削速度主要受限于机床主轴最高转速和功率。在高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速精密数控系统，以及配套的高速轴承及其润滑技术、刀库技术和自动换刀装置及监控技术等正在迅速发展，可望达到更高的加工水平。 铸铁、钢及其合金、钛及钛合金、高温耐热合金等超级合金以及金属基复合材料的高速切削加工目标主要受刀具寿命困扰，发展新型高温力学性能（硬度、强度与断裂韧性）和高抗热震性能更高的高可靠性的刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。 现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍

43、将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料（包括自润滑刀具材料），特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点。金刚石刀具领域，人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层刀具具有更好的优越性，随技术日益成熟和成本降低，可望成为高速切削有色金属和非金属材料比较理想的刀具材料。陶瓷刀具有独特优越性，可望通过多种强韧化机理（如微纳、纳纳等）大幅度提高其性能，它将成为高速切削钢、铁材料的最有前途的刀具材料之一。 涂层刀具在高速切削加工技术领域具有巨大潜力，通过深入研究涂层技术和涂层物质，如高强度的硬质合金粉末表面涂层、CBN涂层，

44、纳米涂层等进一步提高其性能，可望成为高速切削加工最具有诱人吸引力的刀具材料。 在发展高速切削加工技术领域，开发高效复合切削技术和高性能切削技术及其多功能与专用刀具，是提高切削效率和加工质量十分有效的方法之一，如下图所示，它是高效切削加工技术的重要发展方向。 侧铣和面铣复合加工刀具 钻镗复合的多功能刀具叶根轮专用槽铣刀高速切削过程的机床、刀具和工件质量的智能监控技术将得到更加重视和发展。八、结束语高速切削加工技术是一项全新的、正在发展之中的先进实用技术，在工业发达国家已得到广泛的应用，取得巨大的经济和社会效益。在我国高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究、开发工作需要进行。但国内已进口了大批高速加工设备，也开发了多种高速机床和加工中心，还有许多可供应高速切削刀具系统的工具企业，只要充分认识高速切削加工技术的优越性和诱人的巨大经济效益的潜力，完全有可能迅速把我国高速切削加工技术的应用推进到一个新水平高速切削加工工艺及应用 1高速切削工艺 加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。 (l）切削参数的选择 在高速切削加工中，必须对切削参数进行选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣）等