機械加工技術正朝著高效率、高精度、高柔性和綠色制造的方向發(fā)展。在機械加工技術中，切削加工是應用最廣泛的加工方法。近年來，高速切削技術蓬勃發(fā)展，已成為切削加工的主流和先進制造技術的一個重要發(fā)展方向。在數(shù)控機床出現(xiàn)以前，用于工件上下料、測量、換刀和調(diào)整機床等的輔助時間超過工件加工總工時的70%；以數(shù)控機床為基礎的柔性制造技術的發(fā)展和應用，大大降低了工件加工的輔助時間，切削所占時間比例越來越大。因此，實現(xiàn)高速切削成為提高機床生產(chǎn)效率的重要技術手段之一。目前，高速切削技術在航空航天、模具生產(chǎn)和汽車制造等行業(yè)已經(jīng)獲得廣泛應用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。我國是機床消費大國，已經(jīng)超過德國，成為世界第一大機床市場。高速切削作為一種新的切削加工理念，對其深入研究具有重要意義。本文作者著重研究了高速切削的關鍵技術——機床技術、刀具技術和工藝技術及其應用。 　　1．高速切削技術概述 　　1.1高速切削的概念 　　高速切削（HighSpeedCutting）是一個相對概念，迄今尚未有一個確切的界定。高速切削通常指比常規(guī)切削速度和進給速度高出5倍～10倍的切削加工，有時也稱為超高速切削（Ultra2 high Speed Cutting）。也有將主軸轉(zhuǎn)速達到10000r/min～60000r/min，快速進給速度40m/min以上，平均進給速度10m/min以上，加速度大于1g的切削加工定義為高速切削。對于不同的工件材料和加工工藝，高速切削速度（切削加工的線速度，單位m/min）范圍也不同。按工件材料劃分，當切削速度對鋼材達到380m/min以上、鑄鐵700m/min以上、銅材1000m/min以上、鋁材1100m/min以上、塑料1150m/min以上時，被認為是合適的高速切削速度范圍；按加工工藝劃分，高速切削速度范圍為：車削700m/min～7000m/min，銑削300m/min～6000m/min，鉆削200m/min～1100m/min，磨削5000m/min～10000m/min。 　　高速切削概念是德國切削物理學家薩洛蒙（CarlSalomon）于1931年提出的，現(xiàn)在人們常用“薩洛蒙曲線”來表示。他認為，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，一定的工件材料對應有一個臨界切削速度，此處切削溫度最高，但當切削速度超過臨界值后，切削溫度不但不升反而下降。對于每一種工件材料，都存在一個速度范圍，在該范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，刀具材料無法承受，切削加工不能進行，這個范圍稱之為“死谷”。如果切削速度能越過“死谷”，在高速區(qū)工作，則有可能用現(xiàn)有的刀具進行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而大大減少切削工時，大幅度提高機床生產(chǎn)效率。 　　1.2高速切削技術的特點 　　高速切削速度較之常規(guī)切削速度幾乎高出1個數(shù)量級，其切削機制異于常規(guī)切削。由于切削機制的改變，使得高速切削技術具有如下特點。 　　1.2.1切削力小 　　由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力減少，切削變形減小，從而使切削力比常規(guī)切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少，特別適合于加工薄壁類剛性差的工件，如飛機上的機翼壁板等。 　　1.2.2工件熱變形小 　　在高速切削時，90%以上的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，工件積累熱量少，工件溫升不會超過3℃，基本保持冷態(tài)，不會由于溫升導致熱變形，特別適合于加工細長易熱變的工件。 　　1.2.3材料切除率高 　　隨切削速度的提高，進給速度也相應提高5倍～10倍，單位時間內(nèi)的材料切除率可達常規(guī)切削的3倍～6倍，適用于材料切除率要求大的場合，在航空航天、汽車和模具制造等領域，高速切削技術已成為加工整體構(gòu)件最理想的制造技術。在2001年德國漢諾威舉辦的歐洲機床展覽會（EMO）上展出的荷蘭Unisign公司制造的Unipro25型五軸立式加工中心（X行程1000mm、Y行程800mm），電主軸功率100kW，最高轉(zhuǎn)速25000r/min，最大扭矩90N•m，其銑削鋁合金的材料切除率已達8000cm3/min～10000cm3/min。 1.2.4工藝系統(tǒng)振動小，可實現(xiàn)高精度、低粗糙度加工 　　在高速切削時，機床的激振頻率很高，遠遠超出了“機床—刀具—工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍（50Hz～300Hz），使得加工過程平穩(wěn)，振動小，可實現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。高速切削加工獲得的表面質(zhì)量常可達磨削水平，因此常可省去銑削后的精加工工序。例如，瑞士DIXI機械公司生產(chǎn)的DHP50高精度臥式加工中心，工作臺500mm×500mm，雙托盤，行程為700mm×700mm×700mm，主軸轉(zhuǎn)速為12000r/min，功率為25kW，刀庫容量65把，換刀時間4s（T2T），6s（C2C），定位精度4μm，重復定位精度2μm（按ISO23022標準），測量分辨率0.5μm。高速切削尤其適合于光學等領域的加工。 　　1.2.5可加工難加工材料 　　難加工材料如高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復合材料和耐磨鑄鐵等的切削加工不僅切削效率低，而且刀具壽命短。高速切削時，由于切削力小，切屑變形阻力小，刀具磨損小，故可加工一些難加工材料。例如，航空制造業(yè)中大量采用的鎳基合金、鈦合金材料，強度大、硬度高、耐沖擊、易加工硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重，在常規(guī)切削中一般采用很低的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到100m/min～1000m/min，不但能大幅度提高機床生產(chǎn)效率，而且能有效減少刀具磨損，提高工件表面加工質(zhì)量。 　　1.2.6高速干切削可以實現(xiàn)加工過程的綠色制造 　　高速干切削就是在切削加工過程中不使用任何切削液的工藝方法，是對傳統(tǒng)切削方式的一種技術創(chuàng)新。它相對于濕切削而言，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清潔制造工藝，它消除了切削液的使用對外部系統(tǒng)造成的負面影響。目前，能實現(xiàn)高速干切削的工件材料有鑄鐵、鋁合金、滾動軸承鋼等。 　　2．高速切削的關鍵技術 　　高速切削是一項復雜的系統(tǒng)工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的發(fā)展涉及到機床、刀具、工藝和材料等諸多領域的技術配合和技術創(chuàng)新。 　　2.1高速切削機床技術 　　性能良好的高速切削機床是實現(xiàn)高速切削的前提和關鍵，而具有高精度的高速主軸和控制精度高的高速進給系統(tǒng)，則是高速切削機床技術的關鍵所在。 2.1.1高速主軸 　　高速主軸是高速切削機床的核心部件，在很大程度上決定著高速切削機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。目前，適于高速切削的加工中心其主軸最高轉(zhuǎn)速一般都大于10000r/min，有的高達60000r/min～100000r/min，為普通機床的10倍左右；主電動機功率15kW～80kW，以滿足高速車削、高速銑削之要求。 　　隨著電氣傳動技術（變頻調(diào)速技術、電動機矢量控制技術等）的快速發(fā)展，高速數(shù)控機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)得到極大簡化，取消了齒輪傳動和帶傳動，采用機床主軸與主軸電機一體化的傳動結(jié)構(gòu)形式（即所謂的電主軸），實現(xiàn)了機床的“零傳動”。 　　軸承是決定主軸壽命和負荷的關鍵部件。電主軸采用的軸承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。滾動軸承因其具有剛度高、高速性能好、結(jié)構(gòu)簡潔、標準化程度高和價格適中等優(yōu)點，在電主軸中得到最廣泛應用。滾動軸承在高速回轉(zhuǎn)時，潤滑極為重要，目前，電主軸主要采用兩種潤滑方式：油脂潤滑和油-氣潤滑。油霧潤滑盡管價廉，但因其污染環(huán)境、損害操作工人健康，不符合綠色制造和可持續(xù)發(fā)展原則，國外電主軸公司已不再使用。流體靜壓軸承（包括氣體靜壓軸承和液體靜壓軸承）為非接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、旋轉(zhuǎn)精度高和阻尼特性好等優(yōu)點。氣體靜壓軸承電主軸轉(zhuǎn)速可高達100000r/min～200000r/min，缺點是剛度差，承載能力低；液體靜壓軸承剛度高，承載能力強。磁懸浮軸承又稱磁力軸承，也為非接觸式軸承，沒有磨損，無需任何潤滑。 　　目前，生產(chǎn)磁懸浮軸承電主軸的廠家有德國GMN公司、瑞士IBAG公司及中國洛陽軸承研究所等。 　　2.1.2高速進給系統(tǒng) 　　控制精度高的高速進給系統(tǒng)也是實現(xiàn)高速切削的關鍵技術之一。 　　傳統(tǒng)的滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)對高速進給系統(tǒng)表現(xiàn)出不適應性，必須對其進行技術改進和技術創(chuàng)新，才能適應高速切削的要求。主要技術措施有：（1）絲杠采用中空結(jié)構(gòu)，提高絲杠的支承剛度。（2）為降低高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的發(fā)熱，將冷卻液通入空心絲杠內(nèi)部進行強制循環(huán)冷卻，以保證滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的精度。（3）改進螺母結(jié)構(gòu)設計，適當減小滾珠直徑，鋼珠采用空心結(jié)構(gòu)，滾珠鏈中鋼珠按一大一小間隔排列，可有效降低高速運行時的噪聲。（4）改進滾珠材料，滾珠選用陶瓷材料，可顯著降低溫升。（5）采用螺母旋轉(zhuǎn)、絲杠不動的驅(qū)動方案。將螺母安裝于軸承中，由伺服電機帶動其旋轉(zhuǎn)，或?qū)⒙菽概c驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子集成為一體，由轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動。 該結(jié)構(gòu)由于絲杠固定不動，螺母作高速旋轉(zhuǎn)的同時作軸向移動，故可消除絲杠臨界轉(zhuǎn)速的限制。 　　高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的加速度范圍為（0.5～1.0）g，行程范圍≤6m，用于低檔高速數(shù)控機床；高速進給系統(tǒng)采用直線電機進給驅(qū)動系統(tǒng)后，其加速度可高達（2～10）g，行程范圍不受限制，用于高檔高速數(shù)控機床和高速加工中心。直線電機進給驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）高速響應性。由于系統(tǒng)采用直線電機直接驅(qū)動工作臺，機床實現(xiàn)“零傳動”，故使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。（2）速度和加速度高。最大進給速度可達80～180m/min，加速度可高達（2～10）g。（3）定位精度高。直線電機進給驅(qū)動系統(tǒng)常用光柵尺作為位置測量元件，采用閉環(huán)控制，因而定位精度可高達0.1μm～0.01μm。直線電機伺服系統(tǒng)的價格約是高速滾珠絲杠伺服系統(tǒng)的2.5倍，但在加速度大于1g的情況下，前者仍是高速進給系統(tǒng)的唯一選擇。 　　2.2高速切削刀具技術 　　刀具技術是實現(xiàn)高速切削的重要保證。正確選擇刀具材料和設計刀具系統(tǒng)對于提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用。 　　2.2.1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、高強度和耐磨性；高韌度、良好的耐熱沖擊性；高熱硬性、良好的化學穩(wěn)定性。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂層刀具、陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金剛石（PCD）材料等。 　　2.2.1.1涂層刀具 　　目前，用于高速切削刀具的涂層主要有兩類：一類是“硬”涂層，如TiC、TiN和Al2O3等涂層刀具，其優(yōu)點是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂層刀具具有很強的抗后刀面磨損能力，TiN涂層刀具則具有理想的抗月牙洼功能。一類是“軟”涂層，如MoS2、WS等涂層刀具，這類刀具也稱為“自潤滑刀具”，刀具、工件和切屑之間的摩擦因數(shù)很低，只有約0.01，能降低切削力和切削溫度。航空航天工業(yè)用材如高強度硬質(zhì)合金、鈦合金等的加工就不適合采用“硬”涂層刀具；采用“軟”涂層刀具，可防止刀刃上產(chǎn)生積屑瘤，提高工件表面加工質(zhì)量，延長刀具壽命。 2.2.1.2陶瓷刀具 　　陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一?？捎糜诟咚偾邢鞯奶沾傻毒甙ń饘偬沾桑–ermet）、氧化鋁陶瓷（Al2O3）和氮化硅陶瓷（Si3N4）等。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，適于加工HRC50～65的高硬度材料；高溫性能好，在1200℃的高溫下仍能進行切削；具有良好的抗粘結(jié)性能，不容易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，化學穩(wěn)定性好。但陶瓷刀具抗沖擊載荷能力差、抗熱沖擊性能差，因此，用陶瓷刀具進行切削時，不宜使用切削液，適于進行高速干切削。 　　2.2.1.3立方氮化硼（CBN） 　　立方氮化硼（CBN）材料的硬度僅次于金剛石，高達HV3200～4000，具有很高的耐磨性、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，最適于高硬度淬火鋼、高溫合金、硬化軸承鋼（HRC60～62）、工具鋼（HRC57～60）、高速鋼（HRC62）等材料的高速切削。 　　2.2.1.4　聚晶金剛石（PCD） 　　聚晶金剛石（PCD）材料的硬度約為CBN的2倍，其導熱性好、熱膨脹系數(shù)小、摩擦因數(shù)小，適于銅鋁合金、非金屬材料和復合材料的高速切削，是實現(xiàn)高精度、高效率、高穩(wěn)定性和低表面粗糙度切削加工的重要刀具。PCD刀具主要用于輕金屬及其合金、新型陶瓷材料及難加工材料的高速切削，用于精密、超精密及光學元件的精加工。 2.2.2　高速切削刀具系統(tǒng) 　　刀具幾何參數(shù)對加工質(zhì)量和刀具耐用度有很大影響，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具約小10°，后角大5°～8°。 　　刀具在高速旋轉(zhuǎn)時，會承受很大的離心力，其大小遠遠超過切削力，成為刀具的主要載荷，足以導致刀體破碎，造成重大事故。以高速銑刀為例，提高刀具設計的安全性技術有：（1）高速銑刀大多采用HSK空心短錐刀柄與機床主軸連接，有時做成整體式結(jié)構(gòu)，以提高剛性和安裝的重復定位精度。（2）在高速旋轉(zhuǎn)時，刀具的不平衡會對主軸系統(tǒng)產(chǎn)生一個附加的徑向載荷，其大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比。對安裝在高速主軸上的旋轉(zhuǎn)刀具來說，高精度的動平衡是至關重要的。德國于1994年起草的《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》標準規(guī)定，用于高速切削的銑刀必須經(jīng)過動平衡測試。 　　2.3高速切削工藝技術 　　高速切削工藝和常規(guī)切削工藝有很大不同。常規(guī)切削認為高效率來自低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進給、單行程；而高速切削則追求高轉(zhuǎn)速、中切深、快進給、多行程的加工工藝。在進行高速切削時，工件材料不同，所選用的切削刀具、切削工藝和切削參數(shù)也有很大不同。下面著重研究輕金屬、鋼和鑄鐵的高速切削工藝技術。 　　2.3.1高速切削輕金屬技術 　　鋁合金因具有良好的耐蝕性，較高的比強度，導電性及導熱性好等優(yōu)點，在汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中已經(jīng)大量應用。鋁鎂合金大多使用鑄件，這些輕合金的最大優(yōu)點就是其固有的易切特性。輕合金可采用很高的切削速度和進給速度進行加工，切削速度可高達1000m/min～7500m/min，高速切削使95%～98%的切削熱被切屑迅速帶走，工件保持室溫狀態(tài)，熱變形小，加工精度高。 　　高速銑削輕金屬時，由于加工過程存在較大的沖擊載荷，PCD和CBN刀具的壽命特性并不好。當切削速度達到1000m/min時，可使用K型硬質(zhì)合金刀具；當切削速度達到2000m/min時，可使用金屬陶瓷刀具；當切削速度更高時，可使用PCD刀具；高速銑削鋁鎂合金時，可使用K10硬質(zhì)合金刀具。 　　2.3.2高速切削鋼和鑄鐵技術 　　高速銑削鋼和鑄鐵時，遇到的主要問題是刀具的磨損。 　　高速銑削鋼材時，刀具使用鋒利切削刃和較大后角可減少刀具磨損，提高刀具使用壽命。刀具的磨損與工件材料的力學性能有關。如工件材料的抗拉強度增大，則刀具磨損增加，因此應減少每齒的進給量。表1給出了鋼的切削速度和每齒進給量。 高速銑削鑄鐵時，切削速度的選擇取決于刀具材料。提高切削速度和減少每齒進給量，可提高工件表面加工質(zhì)量。表2給出了鑄鐵的切削速度和每齒進給量。 　　3．高速切削技術的應用 　　3.1高速切削在航空航天工業(yè)中的應用 　　航空航天工業(yè)中許多零件采用薄壁、細筋結(jié)構(gòu)，由于剛度差，不允許有較大的吃刀深度，因此，高速切削成為此類零件加工工藝的唯一選擇。 　　飛機上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來由多個鉚接或焊接而成的部件，改用整體實心材料制造，此即“整體制造法”。有的整體構(gòu)件的材料去除率高達90%，采用高速切削可大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，這也是高速切削技術在飛機制造業(yè)獲得廣泛應用的主要原因。例如，波音公司在生產(chǎn)波音F/15戰(zhàn)斗機時，采用“整體制造法”，飛機零件數(shù)量減少了42%，用高速銑削代替組裝方法得到大型薄壁構(gòu)件，減少了裝配等工藝過程。 　　3.2高速切削 　　在汽車制造業(yè)中的應用以高速加工技術為基礎的敏捷柔性自動生產(chǎn)線被越來越多的國內(nèi)外汽車制造廠家使用。國內(nèi)如一汽大眾捷達轎車自動生產(chǎn)線，由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機及傳動器等高速生產(chǎn)線組成，年產(chǎn)轎車能力15萬輛，制造節(jié)拍1150輛/min；上海大眾桑塔納轎車自動生產(chǎn)線等。國外如美國GM發(fā)動機總成工廠的高速柔性自動生產(chǎn)線、福特汽車公司和Ingersoll機床公司合作研制的以HVM800臥式加工中心為主的汽車生產(chǎn)線等。 　　4．結(jié)束語 　　高速切削技術已經(jīng)成為切削加工的主流，高速切削技術對于機械制造業(yè)來說是一場深刻的技術革命，必將對機械制造業(yè)產(chǎn)生重要而深遠的影響。高速切削技術的發(fā)展和應用是一項復雜的系統(tǒng)工程，它涉及到刀具、機床、工藝、材料、敏捷生產(chǎn)、網(wǎng)絡化、智能化和故障診斷等諸多領域的技術發(fā)展和創(chuàng)新。 　　為適應快速變化的市場和顧客化的產(chǎn)品需求，高速切削和高速加工技術必將在生產(chǎn)工藝離散型和混合型企業(yè)（如模具、船舶、汽車和航空航天等制造企業(yè)）中得到進一步發(fā)展和應用。未來高速切削機床結(jié)構(gòu)將會具有更高的剛度和抗振性；隨著機床技術、刀具技術和工藝技術的發(fā)展，刀具壽命將會更長，工件上下料、測量和換刀等輔助時間將會更短。