高速加工技术的发展和应用

洪**

（********材料与能源学院广东广州******）

摘要：论述了国内外高速加工研究的发展现状，介绍了国内外学者此方面的研究工作。对高速切削加工的优点及应用作了归纳与分析，展望高速加工技术未来的发展方向。 关键词：高速切削；加工技术；未来方向

Thedevelopmentandapplicationofhighspeedmachiningtechnology

Hong** ****************

Abstract:Thispaperpresentstheinformationondevelopmentactualityofstudyonhighspeedcuttingstabilityinallovertheworld,theworkresearchedbydomesticandforeignresearchersisintroduced.Theadvantagesandapplicationsofhighspeedmachiningaresummarizedandanalyzed,andthefuturedevelopmentdirectionofhighspeedmachiningtechnologyisalsoanalyzed. Keywords:high-speedcutting；processingtechnology；futuredirection

1前言

高速加工因切削力小、切屑导热快和切削效率高等优点在当今制造业具有广阔的应用前景，其中，高速加工关键技术研究作为高速加工技术应用的支撑显得十分重要；然而，高速加工技术的发展却受到加工机床技术、刀具技术和冷却液技术等的发展制约。高速切削加工在现代机械加工中得到越来越广泛的应用，被誉为21世纪机械制造业的一场技术革命。

刀具材料技术和刀具制造技术的发展以及高速电主轴在数控机床上的成功应用使得高速加工技术在机械制造中得到广泛应用，高速切削已经从试验研究阶段进入实际应用阶段，技术越来越成熟，应用越来越普及。高速切削被广泛用于加工金属材料和非金属材料工件，无论是加工有特殊表面形状的零件还是高硬度材料的零件，高速切削都体现出了独特的优势；同时，其在实际应用中更强调高速加工的实用性和综合性。高速切削(HSC)是近几年发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。高速切削是指采用超硬材料刀具和能实现高速运动的高精度、高自动化、柔性的设备,以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造技术。高速切削必将成为21世纪机械制造业一场具有深远影响的技术革命。

2发展现状

国外对高速切削的研究要追溯到20世纪30年代,德国切削物理学家CarlSolomon根据实验曲线提出了高速切削的概念,因此被后人誉为“高速加工之父”。但随后的20年,由于世界大战的原因,对高速切削技术研究较少。直到1952年2月,经过试验指出:高速切削条件下刀具的磨损比普通速度减少了95%,且几乎不受切削速度的影响,还推出对于常用材料,其理论切除效率可提高50～1000倍。

1976年美国的Vought公司首次推出1台有级高速铣床，该铣床采用Bryant内装式电机主轴系统，最高转速达20000r/min，功率为15kW。1977年美国宇航局和飞机制造业支持了从1977年开始的为期4年的研究项目，以研究用于加工轻型合金材料的超高速铣削技术。美国福特(Ford)汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机床已实际用于福特公司的生产线。

德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)从1978年开始系统地进行大量的超高速切削各种金属和非金属材料的切削机理研究，为此德国组织了多家企业并提供了大量的资金

支持PTW的H.Schuiz教授领导的研究工作。

日本对高速切削技术的研究始于20世纪60年代。田中义信利用来复枪改制的高速切削装置实现了高速切削，并指出高速切削的切屑形成完全是剪切作用的结果。Y.Tanaka研究发现在高速切削时，切削热大部分被切屑带走，工件基本保持冷态。

自从20世纪80年代以来，一些高速切削车床和加工中心陆续问世，并且逐步商品化，因此高速切削已经应用到了某些材料的全部零件生产过程中，基本实现了高速切削技术理论到工业化生产的转变。

我国对于高速切削技术的研究起步较晚,一些高校和科研院所陆续开始对高速切削机理和实践进行应用研究，南京航空航天大学对高速切削高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料进行了试验研究,发现切削变形为集中剪切滑移，且滑移区很窄，形成锯齿状不连续切屑，其变形机理完全不同于连续性切屑。山东大学比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等，建立了有关切削力、切削温度模型及刀具磨损与破损的理论。哈尔滨工业大学等用PCBN刀具对干式切削不同硬度轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性进行了切削试验研究，发

现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬度。在临界硬度附近切削时，刀具的磨损严重,加工表面质量最差。天津大学和大连理工大学也都对高速硬切削机理进行了研究。

也有不少企业陆续从国外引进一些高速切削机床进行合作研究，也取得了很大进步，但总体水平和国际技术相比存在一定的差距，因此高速切削技术被我国列为重点研究项目之一。

3高速切削加工的优点

3.1切削效率高

在当前技术条件下，国外一般认为，HSC切削速度是普通切削速度的5～10倍，钻削加工,一般认为,是普通钻削速度的2～5倍。当工件或刀具直径相同时，HSC机床主轴的最高转速便同样是普通机床的5～10倍。机床沿坐标轴直线进给的速度,与vc或n、进给量f以及刀齿Z有关,在其它参数不变的前提下，HSC加工直线进给的速度将随着切削速度或主轴转速同步提高。刀具相对于曲率半径为R的工件作轨迹运动,轨迹进给速度比普通加工进给速度提高4～9倍。可以降低切除单位体积材料的能耗，使单位功率的材料切除率提高大约30%～40%。

3.2.加工质量高

提高切削速度，提高进给速度而缩小走刀行距,可以直接提高工件尺寸和形状精度、降低表面粗糙度。HSC切削力大约可下降30%，有利于提高薄壁工件这类刚性差的工件的加工精度。由于切削热量主要被切屑带走，HSC加工中工件温度上升和热变形很小，同样利于提高加工精度。高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削温度被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），高速切削加工具有重要意义，切削速度或主轴转速高,使切削过程的激振频率很高而远离工艺系统的固有频率,减小了发生共振和切削自激振动的可能性,有利于提高被加工表面质量。

3.3扩大加工范围

采用HSC能够硬切削淬硬钢工件及高效地切削多种难加工材料如钛合金、镍基合金等。由于工件基本不发热,还可以加工低熔点的镁合金材料。HSC加工精度可与磨削媲美,工件表面质量好,不会出现磨削时容易产生的烧伤、裂纹等，也没有电火花加工时不可避免而产生的表面变质现象，并且没有磨削泥，对环境污染小。

3.4良好的经济性

HSC机床及其它工艺装备价格昂贵，投资显着增大。为降低加工成本，需要将计算机辅助设计/制造技术一体化集成应用，使新产品的开发、设计周期与制造周期大大缩短，后者包括生产准备、零件的机械加工、后续精整加工和装配等。通过这一途径，新产品的开发制造全周期甚至可以缩短40%。HSC加工可以突破传统切削加工的禁区，例如切削薄壁机身可降低民航机自重与耗油量。

3.5简化了加工工艺流程

常规铣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。高速铣可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除人工光整加工。

4 高速切削的应用

近年来，高速切削加工技术以其高效、优质的性能而广泛应用于航天、航空、汽车、模具、轴承、动力机械和机床等行业中。

4.1在采煤行业中的应用

采煤机中薄壁套类零件较多，如牵引部与截割部联接处的衬套，还有传动轴中的支承套、导向套等部件,如果采用传统的加工方法,工序较多且精度不能保证，效率也较低，采用高速切削技术可减少工序数目,且精度、效率较高。对一些形状较复杂、精度较高的零件，例如浮动密封内、外环、摆线轮齿形的加工，现多采用高速加工的方法，可以保证所需的加工精度。

4.2在汽车制造业中的应用

高速切削技术在汽车行业中被应用,发动机铝合金和铸铁缸体,采用高速切削加工技术,大大提高了效率，降低了成本。我国从德国引进的具有20世纪90年代中期水平的一汽大众捷达奥迪轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线,其中大量应用了高速切削加工技术。此外一些汽车公司的自动轿车生产线上高速机床占主导地位，高速切削加工技术发挥了重大作用。

4.3在航空工业中的应用

高速切削技术最早是在飞机制造业中得到了成功的应用。在飞机制造业中,把过去通过铆接或焊接起来的组合构件，合并成一个带有大量薄壁和细筋的复杂零件,对于这类零件的制造，金属切除量相当大，传统的切削加工费工费时，如果采用高速切削技术正好弥补这方面的问题，提高了效率。

4.4在模具行业中的应用

近几年高速切削技术逐渐应用到了模具加

工行业中，其优越性主要体现在加工效率高及加工质量高两个方面。这对模具加工传统工艺产生了很大的影响，改变了模具加工工艺流程。由于模具型面一般都是十分复杂的自由曲面，并且硬度很高，采用常规的切削加工方法难以满足精度和形状要求。

5高速切削技术的发展趋势

高速切削技术是未来切削加工的方向之一。它依赖于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件等基础技术的出现。它自身亦存在着亟待攻克的一系列技术问题，如刀具磨损严重，高速切削用刀具寿命较短、刀具材料价格贵重，铣、镗等回转刀具及主轴需要动平衡，刀具需牢靠夹持等。高速切削技术的发展方向归纳起来主要有如下几方面。

5.1新一代高速大功率机床的开发与研制

目前，大多数高速切削机床的结构是串联开链结构，组成环节多、结构复杂，并且由于存在悬臂部件和环节间的间隙，不容易获得高的总体刚度，难以适应高速切削加工进一步发展的要求。为解决上述问题，需开发适于高速切削加工的新一代数控加工中心，在基础理论和关键技术方面进行系统的研究；发展小质量、大功率、高转速的电主轴；研制适合于高速加工中心的高速高精度数控系统；开发快速进给系统等技术。

5.2高速切削动态特性及稳定性的研究

高速切削机床的动态特性对加工稳定性影响巨大，应尽快开展机床结构、控制方法、切削加工参数、刀具切入切出等对机床动态特性影响及动态特性对刀具寿命和工件加工质量影响的研究，为合理选择切削参数，减少振动提供理论依据。

5.3高速切削机理的深入研究

目前对高速切削机理的研究不够深入，难以为合理工艺规范制订及刀具设计制造提供充分的理论依据．通过高速切削实验，研究高速切削切屑变形机理以及切削力、切削温度、刀具磨损和破损等的变化规律，研究切削加工参数对加工效率、工件加工表面完整性、加工精度等的影响规律。

5.4新一代刀具材料的研制及结构的研究

虽然刀具材料（如陶瓷刀具和立方氮化硼刀具）可以抗高速切削时的高温，但常因抵抗不了高速切削加工时的热震而损坏。因此，研究开发新一代既耐高速切削时的临界温度值又耐高热震冲击的刀具材料是非常迫切且关键的问题。为推广高速切削加工技术，应开展刀具动平衡试验研究，进行刀具结构CAD设计、优化设计和安全可靠性设计，实现高速切削刀具的系列化、标准化。

5.5开发高速切削加工状态的监控技术

开发适于对高速切削加工切削力、切削熟、刀具状态及工件加工质量等进行监控的传感器技术，将高速切削加工过程中的切削力、切削热、刀具状态及工件加工质量等进行综合建模，开展刀具状态以及加工质量的预报研究。

6结语

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，研究各种材料

的高速切削机理，开发合理的高速切削技术是当务之急。

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