高速切削机理论文白兴龙

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1、 高速切削机理（沈阳理工大学机械工程学院 白兴龙 1101011305)摘要：高速切削加工技术是一种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新技术，高速切削加工可用于加工有色金属、铸铁、钢、纤维强化复合材料等，还可以用于切削加工各种难加工材料现在，高速切削技术已渐趋成熟，并开始在制造领域中大显身手。高速机床的单元技术和整机水平正在逐步提高。技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高精度的机床产品，并且在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造了惊人的效益。高速切削技术和高速加工机床越来越多地受到工业部门的青睐。关键词：超高速切削 切削刀具 切削机床0.0.前言前言高速

2、切削技术是近十年来迅速崛起的 一项先进制造技术。由于高速切削技术具 有切削效率高、加工质量高、能直接加工 淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、 汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制 造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相 应的更新换代。因此如同数控技术一样,高 速切削和高速加工已成为 21 世纪机械制造 业一场影响深远的技术革命。目前,适应 HSC 要求的高速加工中心和其他高速数控机 床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在 加快发展。1.1.高速切削技术高速切削技术高速切削加工的特点是高效、高精度 和低成本。在当今社会已经成为机械制造 领域的新秀和主要加工手段。高速切削技 术特征主要表现在如

3、下方面：与传统加工相比， 高速切削提高了切 削速度， 工件与前刀面的摩擦增大， 切 屑和刀具接触面温度急剧升高， 很容易达 到工件材料的熔点， 使得工件变软甚至液 化， 大大减小了对切削刀具的阻力， 使 得切削变得中国金属加工在线版权所有轻 快。由于加工产生热量的 70% 80%都集中 在切屑上， 而高速切屑的去除速度很快， 热量很难传导到工件上，从而提高了加工 精度和质量、提高了生产效率。因此，高速切削加工是一种在不增加设备数量的同 时，大幅度提高加工效率的一种高科技。 论文发表，高速切削技术。论文发表，高 速切削技术。2.2.高速切削刀具高速切削刀具高速切削技术的关键是高速切削刀具， 高速

4、切削刀具是实现高速加工技术的关键。 高速切削的切削速度很快,加工线速度主要 受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范 围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高 速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了 具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还 应突出表现在高速切削刀具具备更高的耐 热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能 及更高的可靠性。高速切削技术的发展在 很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及 发展。目前常用的高速切削的刀具材料包 括钛基硬质合金、涂层刀、陶瓷、聚晶立 方氮化硼、具及金刚石等。2.1 硬质合金刀具 硬质合金刀具有极 高的抗压强度，其材料性能全面提高钛基 硬质合金刀具的硬度，硬度、强度、

5、韧性 和抗崩刃性都能得到明显提高， 抗月牙洼 磨损和抗粘结能力也明显增强。 同时硬质 合金的性能在不断改进， 应用面不断扩大。 首先，是开发了细颗粒、超细颗粒硬质合 金材料， 强度和韧性显着提高， 用它制 造金属加工在线版权所有的整体硬质合金 刀具。其次， 开发和使用硬质合金加压烧结等新工艺提高了硬质合金的内在质量。 在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体 材料时， 开发了具有良好抗塑性变形能力 和韧性表层的梯度硬质合金， 提高了涂层 硬质合金刀片的切削性能和应用范围。涂层成为提高刀具性能的关键技术刀 具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发 展中起着十分重要的作用。采用涂层技术 可使切削刀具获得非

6、常优良的综合力学性 能， 不仅有效地提高刀具的使用寿命， 还能大幅中国金属加工在线版权所有度地 提高切削加工效率， 因此涂层刀具成为高 速切削技术中发展速度最快的刀具。2.2 涂层刀具 刀具的涂层技术是提高 刀具性能的关键技术，在现代切削加工和 刀具的发展中起着十分重要的作用。采用 涂层技术不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅度的提高切削加工效率， 因此 涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最 快的刀具， 在刀具中的比例已超过 50% . 涂层刀具的工艺主要应用在钻头、铰刀、 丝锥、滚刀、插刀和硬质合金刀片等。2.3 超硬刀具超硬刀具材料陶瓷的使用将明显增加 陶瓷刀具有氧化铝基 Al2O3 和

7、氮化硅基 Si3N4 两大类， 有很高的硬度和耐磨性， 耐热性高达 1200以上， 化学稳定性好， 与金属的亲和力小， 可提高切削速度 3 5 倍， 可以加工 65HRC 的高硬度材料。然而陶瓷的抗冲击韧性差， 所以对高 速切削时的平稳性要求较高， 即要求被加 工材料材质均匀， 对刀具接近工件的方向、 角度和速度都有很严格的要求。陶瓷和金 属陶瓷刀具材料在钢材、铸铁的精加工、 半精加工中代替硬质合金， 提高了加工效 率和产品质量。论文发表，高速切削技术。2.4 聚晶立方氮化硼刀具 聚晶立方 氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下 加入催化剂转化而成， 化学稳定性优于金 刚石， 硬度高达 8000

8、 9000HV,耐磨性好，耐热性高达 1400， 与铁元素的化学惰 性较大， 适宜于加工硬度较高的材料， 将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。2.5 金刚石刀具 用于生产切削的金刚石绝大多数是人 造金刚石。人造金刚石分为三种： 聚晶金 刚石 、化学气相沉积金刚石 和高温人工 合成的单晶金刚石。聚晶金刚石和单晶金 刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻 璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。3.3.高速切削刀具的具体应用高速切削刀具的具体应用高速切削的研究历史，可以追塑到 20 世纪 30 年代有德国 cal salomon 博士首次 提出的有关高速切削概念。50 年

9、代后期开 始，高速切削的试验又进入各种试验研究， 高速切削的机理开始被科学家们所认识。 在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转 变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不 再是切削力和切削热的主要来源之一；同 样由于切削速度的提高，后刀面处工件材 料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不 上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此 而减少，从而对降低切削力和切削热产生 有利的影响。因此在高速切削时，主要的 切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温 升都非常小，高速切削也被成为“冷态切 削” 。研究证明高速切削需要一种理想的刀 具。理想的刀具材料应具有较高的硬度和 耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的 热传导系数,

10、良好的机械性能和热稳定性能。 硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂 韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定 性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限 制。论文发表，高速切削技术。但细晶粒 和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬 质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质 相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在 硬切削中获得较广泛应用。 陶瓷刀具和立方氮化硼刀具是在高速 硬车削和端面铣削中最常用的刀具。它们 所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其 能够承受在硬切削过程中高的机械应力和 热应力负荷。论文发表，高速切削技术。为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高 的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具

11、材料所应具有的重要性质。因此,具有优良 综合性能的立方氮化硼刀具是最适合用于 高速硬切削的刀具。聚晶金刚石刀具的硬 度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温 下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易 引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。 4.4.高速切削加工的定义高速切削加工的定义高速切削加工是一种比常规切削速 度高得多的先进制造工艺 。它的巨大吸引 力在于不但可以大幅度提高零件的加工效 率、降低加工成本。而且可以使零件的表 面加工质量和加工精度达到更高的水平。 高速加工已在航空 、航天、汽车以及超精 密微细加工等领域获得了广泛的应用。资 料表明，一般模具和工具。有 6O的机加 工量可用高速切削

12、加工工艺来完成的。高 速切削概念起源于德国切削物理学家 Carl Salmon 的著名切削试验及其物理引伸。他 认为一定的工件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。切削温度随着切削速度的增大而提高， 但当切削速度提高到一定的程度时。切削 温度不但不升高反而会降低 。对每一种工 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 。即切削加工不可能进行，称该区为 “死谷” 。因此 。只有越过“死谷”才可 用现有的刀具进行高速切削。所以高速切 削是一个相对概念 。通常把采用比常规切 削速度高得多 (一般 为 5 一 l0 倍 )的切 削加工

13、称为高速切削。如当切削速度对钢 材达到 380mmin 以上 、铸铁 700 mrain 以上、铜材 1000mmin 以上 、 铝材 1100mmin 以上时称为高速切削加工。5.5.高速切削加工机床的选用高速切削加工机床的选用机床的基本结构有床身、底座和立柱 等，高速切削会产生很大的附加惯性力， 因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、和刚度和高水平的阻尼特性。很多高 速机床和立柱材料用聚合物混凝土你，这 种材料阻尼特性为铸铁的710倍，比重只 有铸铁的1/3.提高机床刚性的另一个措施 是改革床体结构，如将立柱和底座合为一 个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来 保持机床精度。高速主轴是实现

14、高速切削 加工最关键的技术之一。高速主轴由于转 速极高，主轴零件在离心力作用下产生振 动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电 机产生的热会引起高温和变形，所以必须 严格控制。为此对主轴提出如下性能要求：1.高转速和高转速范围；2.足够的刚性和 较高的回转精度；3.良好的热稳定性；4. 大功率；5.可靠的工具装卡性能；6.先进 的润滑和冷却系统；7.可靠的主轴监测系 统。除此之外机床还应具有高速进给结构； 高速切削时，为了保持刀具每齿进给基本 不变，随着主轴转速的提高，进给速度也 必须大幅度地提高。要实现并准确控制这 样的进给速度，对机床导轨。滚珠丝杠、 伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。 当

15、然高速CNC控制系统也是高速切削加工所 必须的；CNC控制系统具有快速数据处理能 力和高的功能化特性，以保持在高速切削 时仍具有良好的加工性能。在高速切削加 工时安全的问题也是至关重要的。高速切 削的速度相当的高，当主轴转速达 40000r/min时，若有刀片崩裂，掉下来的 刀具碎片就像出膛的子弹。因此，对高速 切削引起的安全问题必须注意。6.6.高速切削刀具材料的选用高速切削刀具材料的选用高速切削加工要求刀具材料与被加工 材料的化学亲合力要小，并具有优异的力 学性能、热稳定性、抗冲击和耐磨损。目 前国内外适用于高速切削的刀具材料主要 有：陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼 (CBN)刀具和涂层

16、刀具等。1.陶瓷刀具与硬 质合金刀具相比，它的硬度高、耐磨性好， 刀具寿命可比硬质合金高几倍以至十几倍。 陶瓷刀具在1200 以上的高温下仍能进行 切削，这时陶瓷的硬度与200600时硬质合金的硬度相当。陶瓷刀具优良的高温 性能使其能够以比硬质合金刀具高310倍 的切削速度进行加工。它与钢铁金属的亲 和力小，摩擦系数低，抗粘结和抗扩散能 力强，加工表面质量好。另外，它的化学 稳定性好，陶瓷刀具的切削刃即使处于赤 热状态也能长时问连续使用。2.金刚石是 碳的同素异构体，它是自然界已经发现的 最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、 高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非 金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在 铝和硅铝合金高速切削加工中，诸如轿车 发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等 的加工中，金刚石刀具是难以替代的主要 切削刀具。近年来，随着数控机床的普遍 应用和数控加工技术的迅速发展，可实现 高效率高稳定性、长寿命加工的金刚石刀 具的应用日渐普及，金刚石刀具已成为现 代数控加工中不可缺少的重要工具。3.