高速切割的关键技术

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1、高速切割的关键技术内容摘要：机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造方向发展。机械加工技术中，切削加工是应用最广泛加工方法。近年来，高速切削技术蓬 勃发展，已成为切削加工主流和先进制造技术一个重要发展方向。目前，高速切 削技术航空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获广泛应用，并产生了巨大经 济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高速 切削作为一种新切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。关键词：高速切削，关键技术，系统一、 关于高速切割高速切削(HighSpeedCutting)是一个相对概念，迄今尚未有一个确切界 定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速

2、度高出5倍10倍切削加工，也 称为超高速切削(Ultra2 high Speed Cutting )。也有将主轴转速达到 10000r/min60000r/min，快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min 以上，加速度大于 1g 切削加工定义为高速切削。不同工件材料和加工工艺，高 速切削速度(切削加工线速度，单位m/min)范围同。按工件材料划分，当切削 速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝 材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适高速切削速度范围； 按加工工艺划分，高速切削速度范围为：车削

3、700m/min7000m/min，铣削 300m/min 6000m/min， 钻削 200m/min 1100m/min， 磨削 5000m/min 10000m/min。高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)于1931年提出， 现人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。他认为，常规切削速度范围内，切削温度切 削速度提高而升高，一定工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高， 但当切削速度超过临界值后，切削温度不升下降。每一种工件材料，都存一个速 度范围，该范围内，切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这 个范围称之为“死谷”。切削速度能越过“死谷”，高速区

4、工作，则有可能用现有 刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，大大减少切削工时，大幅度 提高机床生产效率。二、 高速切削的关键技术高速切削是一项复杂系统工程。高速切削是切削速度提高，它发展涉及到 机床、刀具、工艺和材料等诸多领域技术配合和技术创新。（一）高速切削机床技术。性能良好高速切削机床是实现高速切削前提和 关键，而具有高精度高速主轴和控制精度高高速进给系统，则是高速切削机床技 术关键所。1.高速主轴高速主轴是高速切削机床核心部件，很大程度上决定着高速切削机床所能达 到切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削加工中心其主轴最高转 速一般都大于10000r/min,有高达600

5、00r/min100000r/min,为普通机床10 倍左右；主电动机功率15kW80kW，以满足高速车削、高速铣削之要求。电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）快速发展,高速 数控机床主传动机械结构到极大简化,取消了齿轮传动和带传动,采用机床主轴 与主轴电机一体化传动结构形式（即所谓电主轴）,实现了机床“零传动”。轴承是决定主轴寿命和负荷关键部件。电主轴采用轴承主要有滚动轴承、 流体静压轴承和磁悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、结构简洁、 标准化程度高和价格适中等优点,电主轴中到最广泛应用。滚动轴承高速回转时, 润滑极为重要,目前,电主轴主要采用两种润滑方式：油脂润滑

6、和油 -气润滑。 油雾润滑尽管价廉,但因其污染环境、损害操作工人健康,不符合绿色制造和可 持续发展原则,国外电主轴公司已不再使用。流体静压轴承（包括气体静压轴承 和液体静压轴承）为非接触式轴承,具有磨损小、寿命长、旋转精度高和阻尼特 性好等优点。气体静压轴承电主轴转速可高达100000r/min200000r/min,缺点 是刚度差,承载能力低；液体静压轴承刚度高,承载能力强。磁悬浮轴承又称磁 力轴承,也为非接触式轴承,没有磨损,无需任何润滑。2. 高速进给系统控制精度高高速进给系统也是实现高速切削关键技术之一。传统滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其进行 技术改进和技术创

7、新，才能适应高速切削要求。主要技术措施有：（1）丝杠采用 中空结构，提高丝杠支承刚度（2）为降低高速滚珠丝杠副传动系统发热，将 冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传动系统精度。 （3）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢 珠按一大一小间隔排列，可有效降低高速运行时噪声。（4）改进滚珠材料，滚珠 选用陶瓷材料，可显著降低温升。（5）采用螺母旋转、丝杠不动驱动方案。将螺 母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺母与驱动电机转子集成为一体， 由转子直接驱动。该结构丝杠固定不动，螺母作高速旋转同时作轴向移动，故可消除丝杠临 界转速限制。高速滚珠丝杠

8、副传动系统加速度范围为（0.51.0） g,行程范围W 6m,用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其 加速度可咼达（210） g,行程范围不受限制，用于咼档咼速数控机床和咼速加 工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（1）高速响应性。系统采用直线 电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使整个闭环控制系统动态响应性 能大大提高，反应异常灵敏快捷。（2）速度和加速度高。最大进给速度可达 80 180m/min,加速度可高达（210） g。（3）定位精度高。直线电机进给驱动系 统常用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，定位精度可高达0.1p m0.01 M m。直

9、线电机伺服系统价格约是高速滚珠丝杠伺服系统2.5倍，但加速度大于 1g情况下，前者仍是高速进给系统唯一选择。（二）高速切削刀具技术。刀具技术是实现高速切削重要保证。正确选择 刀具材料和设计刀具系统提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重 要作用。1高速切削刀具材料 高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高强度和耐磨性；高韧度、 良好耐热冲击性；高热硬性、良好化学稳定性。目前，高速切削加工常用刀具材 料有：涂层刀具、陶瓷刀具（AI2O3, Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金 刚石（PCD）材料等。1）涂层刀具 目前，用于高速切削刀具涂层主要有两类：一类是“硬”涂层，如 T

10、iC、TiN和AI2O3等涂层刀具，其优点是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂层刀具具 有很强抗后刀面磨损能力， TiN 涂层刀具则具有理想抗月牙洼功能。一类是“软” 涂层，如 MoS2、 WS 等涂层刀具，这类刀具也称为“自润滑刀具”，刀具、工件 和切屑之间摩擦因数很低，约 0.01，能降低切削力和切削温度。航空航天工业用 材如高强度硬质合金、钛合金等加工就不适合采用“硬”涂层刀具；采用“软” 涂层刀具，可防止刀刃上产生积屑瘤，提高工件表面加工质量，延长刀具寿命。2）陶瓷刀具 陶瓷刀具是高速切削最重要刀具材料之一。可用于高速切削陶瓷刀具包括金属陶瓷（Cermet）、氧化铝陶瓷（AI2O3）和氮

11、化硅陶瓷（Si3N4）等。陶瓷刀 具具有很高硬度和耐磨性，适于加工HRC5065高硬度材料;高温性能好,1200C 高温下仍能进行切削；具有良好抗粘结性能，不容易与金属产生粘结，化学稳定 性好。但陶瓷刀具抗冲击载荷能力差、抗热冲击性能差，用陶瓷刀具进行切削 时，不宜使用切削液，适于进行高速干切削。3）立方氮化硼（CBN）立方氮化硼（CBN ）材料硬度仅次于金刚石，高达HV32004000，具有很 高耐磨性、热稳定性和化学稳定性，最适于高硬度淬火钢、高温合金、硬化轴承 钢（HRC6062）、工具钢（HRC5760）、高速钢（HRC62）等材料高速切削。4）聚晶金刚石（PCD）聚晶金刚石（PCD）

12、材料硬度约为CBN2倍，其导热性好、热膨胀系数小、 摩擦因数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料高速切削，是实现高精度、 高效率、高稳定性和低表面粗糙度切削加工重要刀具。 PCD 刀具主要用于轻金属 及其合金、新型陶瓷材料及难加工材料高速切削，用于精密、超精密及光学元件 精加工。2高速切削刀具系统 刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响，一般高速切削刀具前 角比普通切削刀具约小 10，后角大 58。刀具高速旋转时，会承受很大离心力，其大小远远超过切削力，成为刀具 主要载荷，足以导致刀体破碎，造成重大事故。以高速铣刀为例，提高刀具设计 安全性技术有：（1）高速铣刀大多采用 HSK 空心短

13、锥刀柄与机床主轴连接，做 成整体式结构，以提高刚性和安装重复定位精度。（2）高速旋转时，刀具不平衡 会对主轴系统产生一个附加径向载荷，其大小与转速平方成正比。对安装高速主 轴上旋转刀具来说，高精度动平衡是至关重要。德国于 1994 年起草高速旋转 铣刀安全性要求标准规定，用于高速切削铣刀必须动平衡测试。3高速切削工艺技术高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常规切削认为高效率来自低转 速、大切深、缓进给、单行程；而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多 行程加工工艺。进行高速切削时，工件材料不同，所选用切削刀具、切削工艺和 切削参数也有很大不同。下面着重研究轻金属、钢和铸铁高速切削工艺技术。

14、1）高速切削轻金属技术铝合金因具有良好耐蚀性，较高比强度 导电性及导热性好等优点，汽 车工业和航空航天工业中已经大量应用。铝镁合金大多使用铸件，这些轻合金最 大优点就是其固有易切特性。轻合金可采用很高切削速度和进给速度进行加工， 切削速度可高达1000m/min7500m/min，高速切削使95%98%切削热被切屑 迅速带走，工件保持室温状态，热变形小，加工精度高。高速铣削轻金属时，加工过程存较大冲击载荷， PCD 和 CBN 刀具寿命特 性并不好。当切削速度达到1000m/min时，可使用K型硬质合金刀具；当切削 速度达到2000m/min时，可使用金属陶瓷刀具；当切削速度更高时，可使用PC

15、D 刀具；高速铣削铝镁合金时，可使用K10硬质合金刀具。2）高速切削钢和铸铁技术高速铣削钢和铸铁时，遇到主要问题是刀具磨损。高速铣削钢材时，刀具 使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。刀具磨损与工 件材料力学性能有关。如工件材料抗拉强度增大，则刀具磨损增加，应减少每齿 进给量。高速铣削铸铁时，切削速度选择取决于刀具材料。提高切削速度和减少 每齿进给量，可提高工件表面加工质量。表2给出了铸铁切削速度和每齿进给量。参考文献：高速切削技术及应用张伯林高速切削加工技术艾兴电主轴技术的应用及发展趋势吴付进先进制造技术李敏贤 切削加工：用切削工具（包括刀具、磨具和磨料 ）把坯料或工件上多余的材料层切去成为切 屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。 刚度：机械零件和构件抵抗变形的能力。在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的 比例系数，即引起单位位移所需的力。它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。刚度可分 为静刚度和动刚度。 比强度：材料的抗拉强度与材料比重之比叫做比强度。比强度的法定单位为牛/特（ N/tex） 习惯上，有时将比强度也称为强度.材料在断裂点的强度（通用拉伸强度）与其密度之比， 用厘米（米 2 /秒 2 ）表示。