淺談高速切削技術與發展
2014-7-24 來源：數控機床市場網 作者：曹雅莉（甘肅機電職業技術學院）
在機械制造業的發展中，高速加工技術（HSM或HSC）作為一種先進實用的現代制造技術日益發揮關鍵作用。它所帶來的高效率以及高精度，正滿足制造業不斷發展的需要。所謂高速切削是指用比正常切削速度高出許多倍的切削速度進行的切削加工。高速切削時，當切削速度到達某一臨界值時，切削溫度不但不會升高反而會出現降低，工件的表面精度也會隨之挺高，加工時間會大大的縮短，生產效率也會提高。而且還將給切削過程帶來一系列的優良特性。實際上，高速切削不是簡單意義上的高切削速度。它應當被認為是用特定方法和生產設備進行加工的工藝。
1 速度范圍的界定及其優點
高速切削加工是面向當今的一項新技術，它是一種不同于傳統加工的加工方法。通常，考慮到切削刀具直徑和轉速等因素，我們用切削加工的線速度（線速度就是在金屬切削過程中，刀具相對于工件的瞬間移動速度）來描述切削速度，單位 m/min。通常把切削速度比常規切削速度高出5-10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。在加工鋼件時切削速度可以達到3000m/min，加工鑄鐵時可以達到3000m/min，加工鋁合金則可以達到7000m/min，比常用的切削速度高了許多倍。由于機床主軸是提供高轉速的關鍵部件，與傳統切削加工相比，高速切削加工主軸轉速高、 切削進給速度高、切削量小，但單位時間內的材料切除量卻增加3-6倍。
按加工不同材料劃分高速切削范圍。下圖是對七種不同材料經過切削實驗后，得出的高速切削速度范圍示意圖，圖中淺色區域為傳統切削的速度范圍，黑色區域為高速切削的速度范圍。
高速切削作為制造行業中最為重要的一項先進制造技術，是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術。與傳統切削加工相比，高速切削具有下列特點：
（1） 切削速度的大幅度提高，進給速度也相應提高5-10倍。隨著高速切削中主軸轉速和進給速度的提高，單位時間內材料的去除率增加，切削時間也隨之減少，可達到常規切削的3-6倍，甚至更高。加工效率顯著提高，從而縮短了產品的制造周期。同時，高速切削可加工許多常規切削無法加工的高硬度、高強度淬硬零件，許多零件一次裝夾即可完成粗加工、半精加工和精加工等全部工序，縮短了工藝路線，進而大大提高加工生產率。
（2）高速切削時的切削力小，與常規切削相比，切削力至少可降低30％，有較高的穩定性可高質量地加工薄壁零件。特別有利于提高薄壁細肋件等剛性差零件的高速精密加工。
（3）高速切削時，刀刃和工件的接觸長度和接觸時間非常短，95%-98%以上的切削熱量來不及傳給工件，就會被切屑快速帶走，減少了刀刃和工件之間的熱傳導，工件基本上長期保持冷態，因而特別適合加工尺寸較大，需要多道工序加工的工件，以及加工時容易產生熱變形的零件。
（4） 高速旋轉時，機床的激振頻率特別高，不會造成工藝系統的受迫振動。工作平穩振動小，保證了較好的加工狀態，因而能加工出非常精密、表面粗糙度精度很高的零件。
（5）高速切削可以加工各種難加工材料。如硬質合金、鈦合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬火鋼等各種高硬度、高強度、高韌性、高脆性的金屬及非金屬材料的加工。一些高強度、高硬度材料加工過程容易產生硬化，刀具磨損嚴重。如果采用高速切削可以有效地減少刀具磨損，提高零件加工的質量。
（6）加工過程中能耗低，節省了制造資源及成本。由于單位時間的材料切除率高、工件的切削加工時間短，縮短了加工周期，降低了切削加工在工件整個加工成本總量中的比例。從而節省了一部分加工成本。而且由于所有零件的切削時間變短，使得機床生產率提高，機床的工作時間變短，延長了機床的使用壽命。
（7） 高速切削加工也有其自身的局限性。例如，切削加工大部分鋁合金時，切削速度的提高不受刀具耐用度的限度；但是在加工一些難加工材料時，切削速度的提高仍會受到機床自身性能的影響以及刀具急劇磨損的影響。另外，加工一些特殊復雜表面時，切削速度也會受到影響。
2 切削的關鍵技術
高速切削是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術。高速切削不只是切削速度的進步，它的發展涉及到機床、刀具、工藝和材料等諸多領域。高速切削主要包括以下幾方面的基礎理論與關鍵技術：
2.1 高速切削刀具技術
高速切削中，刀具技術是實現高速加工的關鍵技術之一。由于高速切削對刀具的使用要求非常嚴格，切削的合金材料里面難免含有一些較硬的雜質，對刀具的磨損十分嚴重。所以要求刀具材料具有高硬度、高強度、高耐磨性、高的抗振動能力、良好的耐熱沖擊性，高熱硬性、良好的化學穩定性。
目前，在高速切削中使用的刀具材料主要有硬質合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。最常用的刀具材料是硬質合金、涂層刀具和金屬陶瓷。隨著高速切削加工的應用范圍擴大，對新型刀具材料的研究、刀具設計結構的改進、數控刀具路徑新策略的產生和切削條件的改善等也有所提高。
2.2 高速切削機床技術
高速機床也是實現高速切削的另一個重要保障。性能良好的高速切削機床才能實現高速切削和超高速切削。尤其是高精度的主軸系統和高精度的進給傳動系統，是高速切削機床的核心關鍵技術。要求高速機床的主軸動平衡性很高，回轉精度高，有良好的熱穩定性，變形量很?。煌瑫r帶有準確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。
2.3 高速切削的工藝技術
高速切削的工藝技術也是高速加工的關鍵之一，高速切削的工藝過程和傳統切削的工藝過程有很大不同。在制定工藝文件時，高速切削更嚴格。如果切削方法及切削參數選擇不當，會使刀具的磨損加劇，也會導致工件的加工精度得不到保證。同時在進行高速切削時，工件的材料不同，所選用的機床、刀具不同，切削工藝和切削參數也會有很大不同。
2.4 高速加工的測試技術
高速加工是在密封的工作區間里進行的，工作人員無法直接觀察到工件的加工情況，因此要求機床對工件的加工過程、刀具的磨損等狀態能進行有效的監控，實時地對加工過程在線監測控制，這樣才能延長刀具的使用壽命，保證產品的質量，提高加工效率。高速加工中一般用高精度、高速度的傳感檢測技術，這包括位置檢測、刀具狀態檢測、工件狀態檢測和機床工況監測等技術。
3 高速切削技術的發展
高速切削加工技術是一項全新的、正在發展之中的先進實用技術，在工業發達國家已經得到廣泛的應用，并且取得巨大的經濟和社會效益。但在國內起步較晚，80年代中期開始研究并在生產中應用，其后引起對高速切削加工的普遍關注。但國內已經進口了大批高速加工設備，也開發了多種高速加工機床和加工中心，還有許多高速切削刀具系統， 完全有可能迅速把我國高速切削加工技術的應用推進到一個新水平。
4 結束語
高速切削加工技術可以節約刀具材料和切削液，節省勞動力，節約自然資源，減少對環境的污染，作為一種先進實用的現代制造技術日益發揮關鍵作用，它所帶來的高效率以及高精度，正滿足制造業不斷發展的需要。推廣應用高速切削加工技術應用于制造業，不但可以大幅度提高機械加工的效率、質量，降低成本，而且可以帶動一系列高新技術產業的發展。高速切削加工技術必將沿著高效、高精、柔性、自動、安全、綠色、低成本的方向繼續發展，成為未來切削技術的主流。
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