摘要：本文論述了高速切削的定義,高速切削加工機床的目前存在的幾點(diǎn)問(wèn)題,以及高速切削加工技術(shù)在數控機床中的應用現狀.并且通過(guò)綜合分析,總結了高速切削機床的要求及其特點(diǎn),并展望其發(fā)展趨勢。
一、前言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠(chǎng)加工零件的效率得到很大的提升，但是離人們的目標要求還相差很多，因而高速切削加工成為了當今火熱的技術(shù)。高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進(jìn)制造技術(shù)，是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)。在常規切削加工中備受困擾的一系列問(wèn)題，通過(guò)高速切削加工的應用得到了解決。
高速切削技術(shù)是在機床結構及材料、機床設計、制造技術(shù)、高速主軸系統、快速進(jìn)給系統、高性能CNC系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術(shù)、高效高精度測量測試技術(shù)、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展基礎之上綜合而成的。因此，高速切削技術(shù)是一個(gè)復雜的系統工程，是一個(gè)隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展而不斷發(fā)展的概念。
高速切削技術(shù)不只是一項先進(jìn)技術(shù)，它的發(fā)展和推廣應用將帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的進(jìn)步和效益的提高。在國外，20世紀30年代德國Salomon博士提出高速切削理念以來(lái)，經(jīng)半個(gè)世紀的探索和研究，隨數控機床和刀具技術(shù)的進(jìn)步，80年代末和90年代初開(kāi)始應用并快速發(fā)展到廣泛應用于航空航天、汽車(chē)、模具制造業(yè)加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級合金及碳纖維增強塑料等復合材料，其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。
二、數控高速切削加工的含義
在上世紀三十年代初，德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出了全新的高速切削理論。他通過(guò)大量的實(shí)驗研究得出結論：在正常的切削速度范圍內，切削速度如果提高，會(huì )導致切削溫度上升，從而加劇了切削刀具的磨損；然而，當切削速度提高到某一定值后，只要超過(guò)這個(gè)拐點(diǎn)，隨著(zhù)切削速度提高，切削溫度就不會(huì )升高，反而會(huì )下降，因此只要切削速度足夠高，就可以很好的解決切削溫度過(guò)高而造成刀具磨損不利于切削的問(wèn)題，獲得良好的加工效益。
后來(lái)隨著(zhù)制造工業(yè)的發(fā)展，這一理論逐漸被重視，并吸引了眾多研究目光，在此理論基礎上逐漸形成了數控高速切削技術(shù)研究領(lǐng)域，數控高速切削加工技術(shù)在發(fā)達國家的研究相對較早，經(jīng)歷了理論基礎研究、應用基礎研究以及應用研究和發(fā)展應用，目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)質(zhì)應用階段。
關(guān)于高速切削加工的范疇，一般有以下幾種劃分方法，一種是以切削速度來(lái)看，認為切削速度超過(guò)常規切削速度5－10倍即為高速切削。也有學(xué)者以主軸的轉速作為界定高速加工的標準，認為主軸轉速高于8000r/min即為高速加工。還有從機床主軸設計的角度，以主軸直徑和主軸轉速的乘積DN定義，如果DN值達到（5～2000）×105mm.r/min，則認為是高速加工。生產(chǎn)實(shí)踐中，加工方法不同、材料不同，高速切削速度也相應不同。一般認為車(chē)削速度達到（700～7000）m/min，銑削的速度達到（300～6000）m/min，即認為是高速切削。
另外，從生產(chǎn)實(shí)際考慮，高速切削加工概念不僅包含著(zhù)切削過(guò)程的高速，還包含工藝過(guò)程的集成和優(yōu)化，是一個(gè)可由此獲得良好經(jīng)濟效益的高速度的切削加工，是技術(shù)和效益的統一。
三、高速切削加工機床的特點(diǎn)
1、生產(chǎn)效率得到了明顯的提高
高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規切削加工提高5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍。當加工需要大量切除金屬的零件時(shí)，可使加工時(shí)間大大減少。
2、切削力降低了30%
由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度，因此切削力較小，與常規切削相比，切削力至少可降低30%，這對于加工剛性較差的零件來(lái)說(shuō)可減少加工變形，使一些薄壁類(lèi)精細工件的切削加工成為可能。
3、加工質(zhì)量得到提高
因為高速旋轉時(shí)刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率，不會(huì )造成工藝系統的受迫振動(dòng)，保證了較好的加工狀態(tài)。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應力小，實(shí)現了高精度、低粗糙度加工。
從動(dòng)力學(xué)角度分析頻率的形成可知，切削力的降低將減小由于切削力產(chǎn)生的振動(dòng)（即強迫振動(dòng)）的振幅；轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離機床的固有頻率，避免共振的發(fā)生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工質(zhì)量。
4、降低加工能耗，節省制造資源
由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時(shí)間短，從而提高了能源和設備的利用率，降低了切削加工在制造系統資源總量中的比例，符合可持續發(fā)展的要求。
5、加工工藝流程得到了簡(jiǎn)化
常規切削加工不能加工淬火后的材料，淬火變形必須進(jìn)行人工修整或通過(guò)放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料，在很多情況下可完全省去放電加工工序，消除了放電加工所帶來(lái)的表面硬化問(wèn)題，減少或免除了人工光整加工。
四、高速切削存在的問(wèn)題
從現實(shí)角度來(lái)看，人們對于高速切削的理解還是不是十分全面，因而技術(shù)也不是非常先進(jìn)完善的，還有許多問(wèn)題有待于解決缺乏合理的解決，即便在金屬切削機床水平先進(jìn)的瑞士、德國、日本、美國，對于高度切削加工新技術(shù)的研究應用還在處在不斷發(fā)展的摸索研究之中，以下就分析一下高速切削在實(shí)際應用中存在的問(wèn)題。
1、加工參數不能合理選擇
作為一種全新的切削力方式，目前上沒(méi)有完整的參數表可供選擇，也沒(méi)有許多加工實(shí)例可供參考?，F在高速切削加工時(shí)大多數依然靠著(zhù)以往的經(jīng)驗，或者是大量的試驗來(lái)選擇參數，并不能達到十分準確的效果。因而如何選擇合理加工工藝參數，達到最好的切削效果，是當今高速切削應用的一個(gè)非常重要的問(wèn)題。同時(shí)因為高速切削要求形成的刀具路徑應盡可能圓滑，少轉析點(diǎn)，無(wú)尖折點(diǎn)，程序算法應保一證高速切削的特殊要求。
碰到干擾能迅速調整，保證合理的進(jìn)給速度.避免刀具振動(dòng)等。而在目前的加工制造過(guò)程中，刀位路徑規劃方法沒(méi)有考慮高速切削的特殊性，因此對傳統的刀位軌跡必須進(jìn)行優(yōu)化以適合高速切削。
2、合適的刀具及方案
高速切削刀具技術(shù)是高速切削的關(guān)鍵技術(shù)，當今刀具材料的發(fā)展還不能滿(mǎn)足各領(lǐng)域需求的現狀，在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配問(wèn)題大大影響了高速切削的發(fā)展。缺乏合適的刀具選擇方案刀具是高速切削推廣應用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于高速切削的切削機理與傳統的切削完全不同，加工的磨損機制與失效形式，刀具的受力狀況，形成的切屑形態(tài)等不盡相同。在高速切削中，其失效形式根據加工的條件及工件材料不同而完全不同，比如有刀尖破碎，前、后刀面同時(shí)磨損，刀桿折斷等各種形式，并且不同的刀具與不同的工件材料組合產(chǎn)生的效果也不一樣。如何選擇合理的高速切削刀具，盡可能延長(cháng)刀具使用壽命，以及最大限度地發(fā)揮刀具的性能，對高速切削應用來(lái)說(shuō)是一項十分關(guān)鍵的技術(shù)。
3、高精度控制代瑪及差補的研究
高速切削加工復雜輪廓時(shí)，要求保持一種有規律的勻速，不允許有明顯的滯后現象，否則將會(huì )燒壞刀具，而一般的加工制造極其相關(guān)CAM軟件中，在處理輪廓的NC程序時(shí)，在曲率變化大的部分，為了保證插補精度，會(huì )有明顯的滯后現象。目前插補器中計算量與插補精度是一對無(wú)法調和的矛盾，一方面為了提高精度必須細化插補步長(cháng)，而插補步長(cháng)的細化又帶來(lái)了極大的計算量，限制了程序運行 周期，降低了運行速度。由于日前的直線(xiàn)與圓弧播補器無(wú)法浦足高精度的要求，必須開(kāi)發(fā)新型的CNC矯補器。
除以上問(wèn)題，如高速切削機床總體的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性，刀具材料、幾何角度和刀具壽命間題，冷卻潤滑液的選擇等，都是需要研究解決的難題，只有整體上考慮高速加工機床才能發(fā)揮高速切削的巨 大作用。
五、高速切削技術(shù)國內發(fā)展現狀
國內高速超高速磨削的發(fā)展自1958年，我國開(kāi)始推廣高速磨削技術(shù)。1964年，磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛陽(yáng)拖拉機廠(chǎng)合作進(jìn)行了50m/s高速磨削試驗，在機床改裝和工藝 等方面獲得一定成果。1975年10月，河南省南陽(yáng)機床廠(chǎng)試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年，上海機床廠(chǎng)、上海砂輪廠(chǎng)、鄭州磨料磨具磨削研究所等組成高速磨削試驗小組對80、100m/s 高速磨削工藝進(jìn)行了試驗研究。
1982年10月，湖南大學(xué)進(jìn)行了60 m/s高速強力凸輪磨削工藝試驗研究，為發(fā)展高速強力磨削凸輪軸磨床和高速強力磨削砂輪提供了實(shí)驗數據。至1995年，漢江機床廠(chǎng)使用陶瓷CBN砂輪，進(jìn)行了200m/s的超高速磨削試驗。廣西大學(xué)于1997年前后開(kāi)展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削試驗研究工作。
在2000年中國數控機床展覽會(huì )上，湖南大學(xué)推出了最高線(xiàn)速度達120m/s的數控凸輪軸磨床。從2002年開(kāi)始，湖南大學(xué)開(kāi)始針對一臺250m/s超高速磨床主軸系統進(jìn)行高速超高速研究，并在國內首次進(jìn)行了磁浮軸承設計。
20世紀90年代至今，東北大學(xué)一直在開(kāi)展超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國第一臺圓周速度200m/s、額定功率55kw、最高砂輪線(xiàn) 速度達250m/s的超高速試驗磨床。東北大學(xué)先后進(jìn)行超高速磨削熱傳遞機制研究，高速單顆粒磨削機理研究，200m/s電鍍CBN超高速砂輪設計與制造，超高速磨削溫度場(chǎng)研究，磨削摩擦系數的研究，超高速磨削砂輪表面氣流的研究，超高速磨削機理分子動(dòng)力學(xué)的仿真等，取得了可喜的研究成果，部分研究成果達到國際先進(jìn)水平。
高速機床的高檔數控系統和開(kāi)放式數控系統正在深入研究中，但目前主要還是依賴(lài)進(jìn)口。目前國內正逐步開(kāi)始推廣應用高速切削技術(shù)，主要是應用在航空航天、模具和汽車(chē)工業(yè)，加工鋁合金和鑄鐵較多，但采用的刀具以進(jìn)口為主。 國內刀具材料目前仍以高速鋼、硬質(zhì)合金刀具為主，先進(jìn)刀具材料(如涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)雖有一定基礎，但應用范圍不夠廣泛?？偟膩?lái)說(shuō)，切削速度普遍偏低，切削水平和加工效率較低。高速切削基礎理論研究起步較晚，80年代以來(lái)，國內對陶瓷刀具高速硬切削時(shí)的切屑形成、切削溫度、切削力、刀具磨損與破損、刀具壽命和加工表面質(zhì)量等規律進(jìn)行了系統研究，并已在生產(chǎn)中得到較多應用。
自90年代以來(lái)，對高速切削鋁合金、鋼、鑄鐵、高溫合金、鈦合金等的切削力、切削溫度、刀具磨損與破損和刀具壽命進(jìn)行了一定研究和探討，但還沒(méi)有進(jìn)行全面系統的研究。對切削加工過(guò)程的監控技術(shù)研究較多，但投入生產(chǎn)使用的較少。
六、高速切削技術(shù)的發(fā)展趨勢
高速切削技術(shù)發(fā)展趨勢和未來(lái)研究方向歸納起來(lái)主要有：
(1)基于高速切削工藝，開(kāi)發(fā)推廣干式(準干式)切削綠色制造技術(shù)；
(2)高速切削動(dòng)態(tài)特性及穩定性的研究；
(3)高速切削機理的深入研究；
(4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長(cháng)的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結構的研究；
(5)進(jìn)一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍；
(6)開(kāi)發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監控技術(shù)；
(7)建立高速切削數據庫，開(kāi)發(fā)適于高速切削加工的編程技術(shù)以進(jìn)一步推廣高速切削加工技術(shù)；
(8)基于高速切削，開(kāi)發(fā)推廣高能加工技術(shù)。
七、結論
從當今的工業(yè)發(fā)展我們就能看出，工業(yè)水平越來(lái)越先進(jìn)，我國的制造業(yè)也變得越來(lái)越強，我們也逐漸成為了強大工業(yè)國家。高速切削技術(shù)是當今非常先進(jìn)的技術(shù)，擁有者非常良好的前景，它能帶動(dòng)工業(yè)社會(huì )的全新發(fā)展。因而，對于高速切削的研究，我們要努力奮斗，只有不停的創(chuàng )新和改革，工業(yè)才能發(fā)展的更加迅速！
