高速加工技术的发展和应用

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1、作者简介：洪*（1990-），男，硕士在读，主攻材料科学与工程 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 The development and application of high speed machining technology Hong * * Abstract:This paper presents the information on development ac

2、tuality of study on high speed cutting stability in all over the world,the work researched by domestic and foreign researchers is introduced.The advantages and applications of high speed machining are summarized and analyzed, and the future development direction of high speed machining technology is

3、 also analyzed. Keywords: high-speed cutting；processing technology；future direction 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

4、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

5、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, 美国的R.L.Vaughn教授首 次主持超高速切削试验, 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501000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20

6、000r/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

7、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

8、，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

9、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 510倍，钻削加 工, 一般认为, 是普通钻削速度的 25 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 510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 49 倍。可以降低切

10、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

11、，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 显著增大。为降低加工成本，需要将计算机辅 助

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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