摘要：本文論述了高速切削的定義,高速切削加工機(jī)床的目前存在的幾點(diǎn)問(wèn)題,以及高速切削加工技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用現(xiàn)狀.并且通過(guò)綜合分析,總結(jié)了高速切削機(jī)床的要求及其特點(diǎn),并展望其發(fā)展趨勢(shì)。

一、前言 

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠加工零件的效率得到很大的提升，但是離人們的目標(biāo)要求還相差很多，因而高速切削加工成為了當(dāng)今火熱的技術(shù)。高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問(wèn)題，通過(guò)高速切削加工的應(yīng)用得到了解決。 

　　高速切削技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測(cè)量測(cè)試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展基礎(chǔ)之上綜合而成的。因此，高速切削技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是一個(gè)隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展而不斷發(fā)展的概念。 

　　高速切削技術(shù)不只是一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，它的發(fā)展和推廣應(yīng)用將帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的進(jìn)步和效益的提高。在國(guó)外，20世紀(jì)30年代德國(guó)Salomon博士提出高速切削理念以來(lái)，經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的探索和研究，隨數(shù)控機(jī)床和刀具技術(shù)的進(jìn)步，80年代末和90年代初開(kāi)始應(yīng)用并快速發(fā)展到廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造業(yè)加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級(jí)合金及碳纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。 

二、數(shù)控高速切削加工的含義 

　　在上世紀(jì)三十年代初，德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出了全新的高速切削理論。他通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：在正常的切削速度范圍內(nèi)，切削速度如果提高，會(huì)導(dǎo)致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損；然而，當(dāng)切削速度提高到某一定值后，只要超過(guò)這個(gè)拐點(diǎn)，隨著切削速度提高，切削溫度就不會(huì)升高，反而會(huì)下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過(guò)高而造成刀具磨損不利于切削的問(wèn)題，獲得良好的加工效益。  

　　后來(lái)隨著制造工業(yè)的發(fā)展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎(chǔ)上逐漸形成了數(shù)控高速切削技術(shù)研究領(lǐng)域，數(shù)控高速切削加工技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的研究相對(duì)較早，經(jīng)歷了理論基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究和發(fā)展應(yīng)用，目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段。 

　　關(guān)于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來(lái)看，認(rèn)為切削速度超過(guò)常規(guī)切削速度5－10倍即為高速切削。也有學(xué)者以主軸的轉(zhuǎn)速作為界定高速加工的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min即為高速加工。還有從機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的角度，以主軸直徑和主軸轉(zhuǎn)速的乘積DN定義，如果DN值達(dá)到（5～2000）×105mm.r/min，則認(rèn)為是高速加工。生產(chǎn)實(shí)踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應(yīng)不同。一般認(rèn)為車削速度達(dá)到（700～7000）m/min，銑削的速度達(dá)到（300～6000）m/min，即認(rèn)為是高速切削。 

另外，從生產(chǎn)實(shí)際考慮，高速切削加工概念不僅包含著切削過(guò)程的高速，還包含工藝過(guò)程的集成和優(yōu)化，是一個(gè)可由此獲得良好經(jīng)濟(jì)效益的高速度的切削加工，是技術(shù)和效益的統(tǒng)一。     

三、高速切削加工機(jī)床的特點(diǎn) 

1、生產(chǎn)效率得到了明顯的提高 

　　 高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當(dāng)加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。  

2、切削力降低了30% 

　　由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規(guī)切削相比，切削力至少可降低30%，這對(duì)于加工剛性較差的零件來(lái)說(shuō)可減少加工變形，使一些薄壁類精細(xì)工件的切削加工成為可能。  

3、加工質(zhì)量得到提高 

　　 因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)時(shí)刀具切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，實(shí)現(xiàn)了高精度、低粗糙度加工。  

　　從動(dòng)力學(xué)角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由于切削力產(chǎn)生的振動(dòng)（即強(qiáng)迫振動(dòng)）的振幅；轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的固有頻率，避免共振的發(fā)生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。  

4、降低加工能耗，節(jié)省制造資源 

　　由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時(shí)間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。  

5、加工工藝流程得到了簡(jiǎn)化 

　　常規(guī)切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過(guò)放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來(lái)的表面硬化問(wèn)題，減少或免除了人工光整加工。 

四、高速切削存在的問(wèn)題 

　　從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，人們對(duì)于高速切削的理解還是不是十分全面，因而技術(shù)也不是非常先進(jìn)完善的，還有許多問(wèn)題有待于解決缺乏合理的解決，即便在金屬切削機(jī)床水平先進(jìn)的瑞士、德國(guó)、日本、美國(guó)，對(duì)于高度切削加工新技術(shù)的研究應(yīng)用還在處在不斷發(fā)展的摸索研究之中，以下就分析一下高速切削在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題。 

1、加工參數(shù)不能合理選擇 

　　作為一種全新的切削力方式，目前上沒(méi)有完整的參數(shù)表可供選擇，也沒(méi)有許多加工實(shí)例可供參考。現(xiàn)在高速切削加工時(shí)大多數(shù)依然靠著以往的經(jīng)驗(yàn)，或者是大量的試驗(yàn)來(lái)選擇參數(shù)，并不能達(dá)到十分準(zhǔn)確的效果。因而如何選擇合理加工工藝參數(shù)，達(dá)到最好的切削效果，是當(dāng)今高速切削應(yīng)用的一個(gè)非常重要的問(wèn)題。同時(shí)因?yàn)楦咚偾邢饕笮纬傻牡毒呗窂綉?yīng)盡可能圓滑，少轉(zhuǎn)析點(diǎn)，無(wú)尖折點(diǎn)，程序算法應(yīng)保一證高速切削的特殊要求。 

　　碰到干擾能迅速調(diào)整，保證合理的進(jìn)給速度.避免刀具振動(dòng)等。而在目前的加工制造過(guò)程中，刀位路徑規(guī)劃方法沒(méi)有考慮高速切削的特殊性，因此對(duì)傳統(tǒng)的刀位軌跡必須進(jìn)行優(yōu)化以適合高速切削。 

2、合適的刀具及方案 

　　高速切削刀具技術(shù)是高速切削的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)今刀具材料的發(fā)展還不能滿足各領(lǐng)域需求的現(xiàn)狀，在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配問(wèn)題大大影響了高速切削的發(fā)展。缺乏合適的刀具選擇方案刀具是高速切削推廣應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于高速切削的切削機(jī)理與傳統(tǒng)的切削完全不同，加工的磨損機(jī)制與失效形式，刀具的受力狀況，形成的切屑形態(tài)等不盡相同。在高速切削中，其失效形式根據(jù)加工的條件及工件材料不同而完全不同，比如有刀尖破碎，前、后刀面同時(shí)磨損，刀桿折斷等各種形式，并且不同的刀具與不同的工件材料組合產(chǎn)生的效果也不一樣。如何選擇合理的高速切削刀具，盡可能延長(zhǎng)刀具使用壽命，以及最大限度地發(fā)揮刀具的性能，對(duì)高速切削應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。 

3、高精度控制代瑪及差補(bǔ)的研究 

　　高速切削加工復(fù)雜輪廓時(shí)，要求保持一種有規(guī)律的勻速，不允許有明顯的滯后現(xiàn)象，否則將會(huì)燒壞刀具，而一般的加工制造極其相關(guān)CAM軟件中，在處理輪廓的NC程序時(shí)，在曲率變化大的部分，為了保證插補(bǔ)精度，會(huì)有明顯的滯后現(xiàn)象。目前插補(bǔ)器中計(jì)算量與插補(bǔ)精度是一對(duì)無(wú)法調(diào)和的矛盾，一方面為了提高精度必須細(xì)化插補(bǔ)步長(zhǎng)，而插補(bǔ)步長(zhǎng)的細(xì)化又帶來(lái)了極大的計(jì)算量，限制了程序運(yùn)行 周期，降低了運(yùn)行速度。由于日前的直線與圓弧播補(bǔ)器無(wú)法浦足高精度的要求，必須開(kāi)發(fā)新型的CNC矯補(bǔ)器。 

　　除以上問(wèn)題，如高速切削機(jī)床總體的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性，刀具材料、幾何角度和刀具壽命間題，冷卻潤(rùn)滑液的選擇等，都是需要研究解決的難題，只有整體上考慮高速加工機(jī)床才能發(fā)揮高速切削的巨 大作用。 

五、高速切削技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 

　　國(guó)內(nèi)高速超高速磨削的發(fā)展自1958年，我國(guó)開(kāi)始推廣高速磨削技術(shù)。1964年，磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠合作進(jìn)行了50m/s高速磨削試驗(yàn)，在機(jī)床改裝和工藝 等方面獲得一定成果。1975年10月，河南省南陽(yáng)機(jī)床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年，上海機(jī)床廠、上海砂輪廠、鄭州磨料磨具磨削研究所等組成高速磨削試驗(yàn)小組對(duì)80、100m/s 高速磨削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 

　　1982年10月，湖南大學(xué)進(jìn)行了60 m/s高速?gòu)?qiáng)力凸輪磨削工藝試驗(yàn)研究，為發(fā)展高速?gòu)?qiáng)力磨削凸輪軸磨床和高速?gòu)?qiáng)力磨削砂輪提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。至1995年，漢江機(jī)床廠使用陶瓷CBN砂輪，進(jìn)行了200m/s的超高速磨削試驗(yàn)。廣西大學(xué)于1997年前后開(kāi)展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削試驗(yàn)研究工作。 

　　在2000年中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上，湖南大學(xué)推出了最高線速度達(dá)120m/s的數(shù)控凸輪軸磨床。從2002年開(kāi)始，湖南大學(xué)開(kāi)始針對(duì)一臺(tái)250m/s超高速磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行高速超高速研究，并在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了磁浮軸承設(shè)計(jì)。 

　　20世紀(jì)90年代至今，東北大學(xué)一直在開(kāi)展超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國(guó)第一臺(tái)圓周速度200m/s、額定功率55kw、最高砂輪線 速度達(dá)250m/s的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ?。東北大學(xué)先后進(jìn)行超高速磨削熱傳遞機(jī)制研究，高速單顆粒磨削機(jī)理研究，200m/s電鍍CBN超高速砂輪設(shè)計(jì)與制造，超高速磨削溫度場(chǎng)研究，磨削摩擦系數(shù)的研究，超高速磨削砂輪表面氣流的研究，超高速磨削機(jī)理分子動(dòng)力學(xué)的仿真等，取得了可喜的研究成果，部分研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 

　　高速機(jī)床的高檔數(shù)控系統(tǒng)和開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)正在深入研究中，但目前主要還是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)正逐步開(kāi)始推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)，主要是應(yīng)用在航空航天、模具和汽車工業(yè)，加工鋁合金和鑄鐵較多，但采用的刀具以進(jìn)口為主。 國(guó)內(nèi)刀具材料目前仍以高速鋼、硬質(zhì)合金刀具為主，先進(jìn)刀具材料(如涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)雖有一定基礎(chǔ)，但應(yīng)用范圍不夠廣泛?？偟膩?lái)說(shuō)，切削速度普遍偏低，切削水平和加工效率較低。高速切削基礎(chǔ)理論研究起步較晚，80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷刀具高速硬切削時(shí)的切屑形成、切削溫度、切削力、刀具磨損與破損、刀具壽命和加工表面質(zhì)量等規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并已在生產(chǎn)中得到較多應(yīng)用。 

　　自90年代以來(lái)，對(duì)高速切削鋁合金、鋼、鑄鐵、高溫合金、鈦合金等的切削力、切削溫度、刀具磨損與破損和刀具壽命進(jìn)行了一定研究和探討，但還沒(méi)有進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。對(duì)切削加工過(guò)程的監(jiān)控技術(shù)研究較多，但投入生產(chǎn)使用的較少。 

六、高速切削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 

　　高速切削技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)研究方向歸納起來(lái)主要有： 

(1)基于高速切削工藝，開(kāi)發(fā)推廣干式(準(zhǔn)干式)切削綠色制造技術(shù)； 

(2)高速切削動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性的研究； 

(3)高速切削機(jī)理的深入研究； 

(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長(zhǎng)的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結(jié)構(gòu)的研究； 

(5)進(jìn)一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍； 

(6)開(kāi)發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)；

(7)建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)以進(jìn)一步推廣高速切削加工技術(shù)； 

(8)基于高速切削，開(kāi)發(fā)推廣高能加工技術(shù)。 

七、結(jié)論 

　　從當(dāng)今的工業(yè)發(fā)展我們就能看出，工業(yè)水平越來(lái)越先進(jìn)，我國(guó)的制造業(yè)也變得越來(lái)越強(qiáng)，我們也逐漸成為了強(qiáng)大工業(yè)國(guó)家。高速切削技術(shù)是當(dāng)今非常先進(jìn)的技術(shù)，擁有者非常良好的前景，它能帶動(dòng)工業(yè)社會(huì)的全新發(fā)展。因而，對(duì)于高速切削的研究，我們要努力奮斗，只有不停的創(chuàng)新和改革，工業(yè)才能發(fā)展的更加迅速！