高速切削加工技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展綜述
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論文導(dǎo)讀：本文從切屑形成、切削力、切削溫度三個(gè)方面分析了高速加工的優(yōu)點(diǎn)，并闡述適合高速加工的刀炳系統(tǒng)，最后提出了高速切削技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：高速切削優(yōu)點(diǎn)，刀炳系統(tǒng)，高速切削發(fā)展
1、高速度切削的基礎(chǔ)理論
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。
2、 高速切削加工理論基礎(chǔ)
(1) 切屑形成特征
不同材料在不同狀態(tài)下的切屑形態(tài):
(a)供貨狀態(tài)，切削速度127.2m/min （b）硬度325HB，切削速度125.5m/min
連續(xù)帶狀切屑（D.LEE）鋸齒狀切屑
工件材料及其性能和切削條件對(duì)切屑形態(tài)起主要作用，其中工件材料及其性能有決定性的影響。一般低硬度和高熱物理性能KρC（導(dǎo)熱性K、密度ρ和比熱容C的乘積）的工件材料如鋁合金、低碳鋼和未淬硬的鋼與合金鋼等，在很大切削速度范圍內(nèi)容易形成連續(xù)帶狀切屑。
硬度較高和低熱物理特性KρC的工件材料，如熱處理的鋼與合金鋼、鈦合金和超級(jí)合金，在很寬的切削速度范圍均形成鋸齒狀切屑，隨切削速度的提高，鋸齒化程度增高，直至形成分離的單元切屑。
(2)切削力學(xué)
圖中Fs為剪切力，F(xiàn)m為高速切削時(shí)切屑動(dòng)量改變所需的作用力；Ff為作用在后刀面上的摩擦力
直角切削時(shí)剪切角和前刀面受力簡(jiǎn)圖
（3）切削熱和切削溫度
切削時(shí)的熱量主要來(lái)自剪切變形功、刀－屑和刀－工件摩擦功。干切時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具傳出去，周圍介質(zhì)傳出小于1％。
切削時(shí)熱的產(chǎn)生與傳出
切削速度對(duì)切削溫度的影響試驗(yàn)結(jié)果。隨切削速度的提高，開(kāi)始切削溫度升高很快，但達(dá)到一定速度后，切削溫度的升高逐漸緩慢，甚至很少升高。
3、 高速切削的優(yōu)點(diǎn)
（1） 隨切削速度的大副度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高5—10倍。這樣，單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率可以大大增加，可達(dá)到常規(guī)切削的3—6倍，甚至更高。同時(shí)機(jī)床快速空程速度的大副提高，也大大減少了非切削的空行程時(shí)間，從而極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)率。
�。�2）在切削速度達(dá)到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是徑向切削力的大副減少，特別有利于提高薄壁細(xì)肋等剛性差的高速精密加工。
�。�3）在高速切削時(shí)，95%--98% 以上的切削熱來(lái)不及傳給工件，被切削飛速帶走，工件可基本上保持冷態(tài)，因而特別適合加工容易熱變形的零件。
�。�4）高速切削時(shí)，機(jī)床的激震頻率特別高，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開(kāi)了“機(jī)床—刀具—工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，工作平穩(wěn)震動(dòng)小，因而能加工出非常精密、非常光潔的零件，零件經(jīng)高速車、銑加工的表面質(zhì)量常可達(dá)到磨削的水平，殘留在工件表面上的應(yīng)力也很小，故常可省去銑削后的精加工工序。
�。�5）高速切削可以加工各種難加工材料。例如，航空和動(dòng)力部門大量采用的鎳基合金和鈦合金，這類材料強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊、加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重。在普通加工中一般采用很低的切削速度。如采用高速切削，則其切削速度可提高到100—1000m/min，為常規(guī)切削速度的10倍左右，不但可大副提高生產(chǎn)率，而且可有效地減少刀具磨損，提高零件加工的表面質(zhì)量。
�。�6）降低加工成本，由于高速切削，零件的單件加工時(shí)間縮短了；在一臺(tái)機(jī)床上，一次裝夾完成零件地所有粗、半精、精加工，提高了效率；高速加工提高了零件表面粗糙度質(zhì)量，免去了后續(xù)地光整加工工序以及替代了一部分電加工工序；因此，雖然高速機(jī)床地價(jià)格高于普通速度機(jī)床，但是綜合幾方面的因素，仍可大幅度降低加成本。
4、高速切削加工的刀柄系統(tǒng)
BT系統(tǒng)：刀柄錐度7：24，單面接觸。 HSK系統(tǒng)：刀柄錐度1：10，雙面接觸。
BT刀柄（7：24）BT刀柄與主軸接合圖
HSK刀柄（1：10）HSK刀柄與主軸接合圖
刀柄與主軸接觸 不同刀柄系統(tǒng)，高速加工時(shí)，離心力有很大影響。
BT主軸/刀柄聯(lián)結(jié)
主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到某一極限值 (n=15000r/min，F(xiàn)=15kN) 時(shí)，主軸/刀柄聯(lián)接處大端的分離導(dǎo)致刀柄在切削力的作用下以刀柄為支承發(fā)生擺動(dòng)，極大地降低了刀柄在主軸錐孔內(nèi)的定位精度和重復(fù)定位精度，無(wú)法保證聯(lián)結(jié)的可靠性。BT40聯(lián)結(jié)的最佳轉(zhuǎn)速范圍為0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，無(wú)法使用。HSK－63A刀柄系統(tǒng)最佳轉(zhuǎn)速范圍為0－30000r/min，超過(guò)這個(gè)范圍精度降低。
5、高速切削加工技術(shù)展望
高效率、高精度、高柔性和綠色化是機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。高速切削加工技術(shù)必將沿著安全、清潔生產(chǎn)和降低制造成本的方向繼續(xù)發(fā)展，而成為21世紀(jì)切削技術(shù)的主流
切削速度目標(biāo)：
銑加工鋁及其合金10000m/min；銑加工鑄鐵5000m/min；銑加工普通鋼2500m/min。
鉆削鋁及其合金30000r/min，鉆削鑄鐵20000r/min，鉆削普通鋼10000r/min。
進(jìn)給速度目標(biāo)20～50m/min，進(jìn)給量1.0～1.5mm/齒。
鋁及其合金等有色金屬和碳纖維增強(qiáng)塑料等非金屬材料的切削速度主要受限于機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速和功率。在高速加工機(jī)床領(lǐng)域，具有小質(zhì)量、大功率的高速電主軸、高加速度的快速直線電機(jī)和高速精密數(shù)控系統(tǒng)，以及配套的高速軸承及其潤(rùn)滑技術(shù)、刀庫(kù)技術(shù)和自動(dòng)換刀裝置及監(jiān)控技術(shù)等正在迅速發(fā)展，可望達(dá)到更高的加工水平。
鑄鐵、鋼及其合金、鈦及鈦合金、高溫耐熱合金等超級(jí)合金以及金屬基復(fù)合材料的高速切削加工目標(biāo)主要受刀具壽命困擾，發(fā)展新型高溫力學(xué)性能（硬度、強(qiáng)度與斷裂韌性）和高抗熱震性能更高的高可靠性的刀具材料對(duì)進(jìn)一步發(fā)展高速切削技術(shù)具有決定性的意義。
現(xiàn)有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金屬陶瓷、涂層刀具和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等仍將起主導(dǎo)作用，并將得到新的發(fā)展。進(jìn)一步發(fā)展新型高溫力學(xué)性能和高抗熱震性能的高可靠性的刀具材料（包括自潤(rùn)滑刀具材料），特別是為加工超級(jí)合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是發(fā)展的重點(diǎn)。
金剛石刀具領(lǐng)域，人工合成單晶金剛石和金剛石厚膜涂層刀具具有更好的優(yōu)越性，隨技術(shù)日益成熟和成本降低，可望成為高速切削有色金屬和非金屬材料比較理想的刀具材料。
陶瓷刀具有獨(dú)特優(yōu)越性，可望通過(guò)多種強(qiáng)韌化機(jī)理（如微－納、納－納等）大幅度提高其性能，它將成為高速切削鋼、鐵材料的最有前途的刀具材料之一。
涂層刀具在高速切削加工技術(shù)領(lǐng)域具有巨大潛力，通過(guò)深入研究涂層技術(shù)和涂層物質(zhì)，如高強(qiáng)度的硬質(zhì)合金粉末表面涂層、CBN涂層，納米涂層等進(jìn)一步提高其性能，可望成為高速切削加工最具有誘人吸引力的刀具材料。
在發(fā)展高速切削加工技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)高效復(fù)合切削技術(shù)和高性能切削技術(shù)及其多功能與專用刀具，是提高切削效率和加工質(zhì)量十分有效的方法之一。
高速切削過(guò)程的機(jī)床、刀具和工件質(zhì)量的智能監(jiān)控技術(shù)將得到更加重視和發(fā)展。
6、結(jié)束語(yǔ)
高速切削加工技術(shù)是一項(xiàng)全新的、正在發(fā)展之中的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛的應(yīng)用，取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在我國(guó)高速切削加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還處于初步階段，還有大量研究、開(kāi)發(fā)工作需要進(jìn)行。但國(guó)內(nèi)已進(jìn)口了大批高速加工設(shè)備，也開(kāi)發(fā)了多種高速機(jī)床和加工中心，還有許多可供應(yīng)高速切削刀具系統(tǒng)的工具企業(yè)，只要充分認(rèn)識(shí)高速切削加工技術(shù)的優(yōu)越性和誘人的巨大經(jīng)濟(jì)效益的潛力，完全有可能迅速把我國(guó)高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)到一個(gè)新水平
參考文獻(xiàn)：
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第一屆全國(guó)數(shù)控技能大賽 機(jī)床雜志社組編 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社
（2）機(jī)電工程現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 萬(wàn)耀青，阮寶湘 北京理工大學(xué)出版社
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