一、概述

自20世紀(jì)30年代德國 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以來，經(jīng)過50年代的機(jī)理與可行性研究，70年代的工藝技術(shù)研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究，到90年代初，高速切削技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)用化，到90年代后期，商品化高速切削機(jī)床大量涌現(xiàn)，21世紀(jì)初，高速切削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用，正成為切削加工的主流技術(shù)。

根據(jù)1992年國際生產(chǎn)工程研究會(CIRP)年會主題報(bào)告的定義，高速切削通常指切削速度超過傳統(tǒng)切削速度5－10倍的切削加工。因此，根據(jù)加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范圍也不同。高速切削包括高速銑削、高速車削、高速鉆孔與高速車銑等，但絕大部分應(yīng)用是高速銑削。目前，加工鋁合金已達(dá)到2000－7500m/min；鑄鐵為900－5000m/min；鋼為600－3000m/min；耐熱鎳基合金達(dá)500m/min；鈦合金達(dá)150－1000m/min；纖維增強(qiáng)塑料為2000－9000m/min。

高速切削是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，影響高速技術(shù)的各方面因素，企業(yè)必須根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，購置合適的高速切削機(jī)床，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，以達(dá)到理想的高速加工效果。

二、高速切削的特點(diǎn)與應(yīng)用

實(shí)踐表明，高速切削具有以下加工特點(diǎn)：

切削力降低
工件熱變形減少
有利于保證零件的尺寸、形位精度
已加工表面質(zhì)量高
工藝系統(tǒng)振動減小
顯著提高材料切除率
加工成本降低

高速切削的上述特點(diǎn)，反映了在其適用領(lǐng)域內(nèi)，能夠滿足效率、質(zhì)量和成本越來越高的要求，同時，解決了三維曲面形狀高效精密加工問題，并為硬材料和薄壁件加工提供了新的解決方案。

高速切削在航空航天業(yè)、模具工業(yè)、電子行業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在航空航天業(yè)主要是解決零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、難加工材料和加工效率等問題，特別是整體結(jié)構(gòu)件高速切削，既保證了零件質(zhì)量，又省去了許多裝配工作；模具業(yè)中大部分模具均適用高速銑削技術(shù)，高速硬切削可加工硬度達(dá)50－60HRC的淬硬材料，因而取代了部分電火花加工，并減少了鉗工修磨工序，縮短了模具加工周期；高速銑削石墨可獲得高質(zhì)量的電火花加工電極。高速切削的高效率使其在電子印刷線路板打孔和汽車大規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。目前，適合高速切削的工件材料有鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼、淬硬鋼、石墨和石英玻璃等。

三、高速切削機(jī)床

高速切削要獲得良好的應(yīng)用效果，必須將高性能的高速切削機(jī)床、與工件材料相適應(yīng)的刀具和對于具體加工對象最佳的加工工藝技術(shù)相結(jié)合。高速切削機(jī)床是高速切削應(yīng)用的基本條件。

高速銑床的主軸轉(zhuǎn)速一般在18,000rpm以上，30,000－60,000rpm也已在工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用，功率在十幾至幾十千瓦，高速狀態(tài)下達(dá)到最大功率，但扭矩降到最小，同時許用的銑刀直徑也將減小。高動態(tài)的進(jìn)給驅(qū)動直線工作進(jìn)給速度一般在20－40m/min，采用直線電機(jī)的驅(qū)動速度在60－120m/min，加速度1－2g。回轉(zhuǎn)工作臺速度可達(dá)360rmp，回轉(zhuǎn)加速度達(dá)47°/s²，基本滿足高速五坐標(biāo)聯(lián)動加工。

機(jī)床主軸和床身要有良好的剛性，優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能。人造大理石床身具有很高的熱穩(wěn)定性，良好的吸振性能，并能根據(jù)需要制作最合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)。研究表明人造大理石的吸振性是鑄鐵的6倍左右。

圖1  高速機(jī)床CNC控制技術(shù)

具有快速數(shù)據(jù)處理能力的CNC控制系統(tǒng)是高速機(jī)床的必要保證。圖1顯示了高速機(jī)床CNC控制系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)。前視技術(shù)、大容量內(nèi)存和ETH-ERNET通訊等技術(shù)是高數(shù)據(jù)處理速度的基礎(chǔ)，NURBS曲線插補(bǔ)為復(fù)雜曲面提供了短程序段和光滑插補(bǔ)解決方案，數(shù)字驅(qū)動克服了模擬控制微量的時間滯后問題，高分辨率反饋技術(shù)是高精度加工的保障。
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此外，機(jī)床的安全防護(hù)、刀庫數(shù)量、換刀速度、冷卻潤滑、排屑能力等等，也是設(shè)計(jì)或選購高速機(jī)床必須考慮的重要問題。

四、高速切削刀具技術(shù)

高速切削刀具不僅在耐用度和可靠性方面比常規(guī)加工有更高的要求，在刀具系統(tǒng)的安全性方面也有特殊的要求。

從提高耐用度和可靠性角度，需要考慮：

刀具基體與涂層材料
刀尖幾何結(jié)構(gòu)
刀刃數(shù)和刀桿伸出量
切削用量
走刀方式
冷卻條件
刀具與工件材料匹配

從提高使用安全性方面，需要考慮：

刀具系統(tǒng)強(qiáng)度與尺寸
刀桿與機(jī)床的夾持方式
刀片夾緊方式
刀具動平衡

圖2  刀具伸出量對耐用度的影響

由于高速切削高轉(zhuǎn)速和快進(jìn)給等特點(diǎn)，除了良好的耐磨性和高的強(qiáng)度韌性的先進(jìn)刀具材料，優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)，合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和高同心度的刀刃精度質(zhì)量等因素外，還需特別注意其它因素對刀具耐用度的影響。圖2為不同刀具伸出量對切削路徑長度的影響，可見伸出量越短，耐用度越高。一般情況下，順銑的耐用度高于逆銑，而往復(fù)銑的耐用度最低(見圖3)。圖3中向下進(jìn)實(shí)際反映刀具頂著進(jìn)給方向進(jìn)刀，而向上進(jìn)反映刀具拖著進(jìn)給方向進(jìn)刀，對耐用度也有較大影響。鋁合金高速銑削通常用雙刃銑刀，過多的刀刃會減少容屑空間，容易引起切屑粘刀。為避開共振頻率，也可采用三刃銑刀以增加沖擊頻率。鋁合金加工容易產(chǎn)生積屑瘤，這對高速銑削非常有害。要減少積屑瘤的產(chǎn)生，刀具表面要平滑；避免采用物理氣相沉積(PVD)涂層刀具，因?yàn)門iAlN涂層很易與鋁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以選用非涂層刀具，細(xì)晶金剛石涂層或類金剛石涂層刀具；如有可能，盡量采用油霧刀具內(nèi)冷進(jìn)行冷卻潤滑。

圖3  球頭鐵刀不同銑削方式對耐用度的影響

高速銑削刀具結(jié)構(gòu)對刀具耐用度和安全性均有很大影響，關(guān)鍵要點(diǎn)包括刀具系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)；減少徑向和軸向跳動；控制動平衡精度；與機(jī)床聯(lián)接普遍采用HSK刀柄或類似雙面接觸短錐刀柄；刀具的夾緊最新趨勢是采用冷縮式夾緊結(jié)構(gòu)(或稱熱裝式)，裝夾時利用感應(yīng)或熱風(fēng)加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具，裝入新刀具，然后采用風(fēng)冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合夾緊，這種結(jié)構(gòu)刀具的徑向跳動在4µm，剛性高，動平衡性好，夾緊力大，高轉(zhuǎn)速下仍能保持高的夾緊可靠性，特別適用于更高轉(zhuǎn)速的高速銑削加工。

五、高速切削工藝技術(shù)

高速切削工藝主要包括：適合高速切削的加工走刀方式，專門的CAD/CAM編程策略，優(yōu)化的高速加工參數(shù)，充分冷卻潤滑并具有環(huán)保特性的冷卻方式等等。

高速切削的加工方式原則上多采用分層環(huán)切加工。直接垂直向下進(jìn)刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不宜采用。斜線軌跡進(jìn)刀方式的銑削力是逐漸加大的，因此對刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。螺旋式軌跡進(jìn)刀方式采用螺旋向下切入，最適合型腔高速加工的需要。

CAD/CAM編程原則是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進(jìn)結(jié)速率變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；在程序段中可加人一些圓弧過渡段，盡可能減少速度的急劇變化；粗加工不是簡單的去除材料，要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，盡可能減少銑削負(fù)荷的變化；多采用分層順銑方式；切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行切向進(jìn)刀，以保證恒定的切削條件；充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗(yàn)證的功能。零件在加工前必須經(jīng)過仿真，驗(yàn)證①刀位數(shù)據(jù)的正確性，②刀具各部位是否與零件發(fā)生干涉，③刀具與夾具附件是否發(fā)生碰撞，確保產(chǎn)品質(zhì)量和操作安全。
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高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異，目前尚無完整的加工數(shù)據(jù)。通常，隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進(jìn)給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。對于刀具壽命，每齒進(jìn)給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對較窄。高速銑削參數(shù)一般的選擇原則是高的切削速度、中等的每齒進(jìn)給量fz、較小的軸向切深ap和適當(dāng)大的徑向切深ae。

在高速銑削時由于金屬去除率和切削熱的增加，冷削介質(zhì)必須具備將切屑快速沖離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的能力。常規(guī)的冷卻液及加注方式很難進(jìn)入加工區(qū)域，反而會加大銑刀刃在切入切出過程的溫度變化，產(chǎn)生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性。現(xiàn)代刀具材料，如硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷和金屬陶瓷、CBN等具有較高的紅硬性，如果不能解決熱疲勞問題，可不使用冷卻液。

微量油霧冷卻一方面可以減小刀具－切屑－工件之間的摩擦，另一方面細(xì)小的油霧粒子在接觸到刀具表面時快速氣化的換熱效果較冷卻液熱傳導(dǎo)的換熱效果方式能帶走更多的熱量，目前已成為高速切削首選的冷卻介質(zhì)。

氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)在鈦合金的高速銑削中取得了很好的效果。氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)除具有空氣油霧的冷卻潤滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用，在33m/min的銑削速度時，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高60%，銑削力可降低20%－30%。

六、結(jié)語

高速切削是一項(xiàng)先進(jìn)的、正在發(fā)展的綜合技術(shù)，必須將高性能的高速切削機(jī)床、與工件材料相適應(yīng)的刀具和對于具體加工對象最佳的加工工藝技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮高速切削技術(shù)的優(yōu)勢。高速切削工具技術(shù)也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為了適應(yīng)和推動我國高速切削技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)該充分認(rèn)識到，工具制造是一個高技術(shù)含量的行業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、工程研究和應(yīng)用研究；迅速發(fā)展的高速切削技術(shù)極大的刺激高性能刀具的需求，我國工具行業(yè)應(yīng)重點(diǎn)在刀具的耐磨性、精度和可靠性方面加強(qiáng)研發(fā)力度，提高刀具的競爭能力；刀具的競爭力應(yīng)集中在高性能帶來的整體經(jīng)濟(jì)效益，在應(yīng)用領(lǐng)域推廣使用高性能刀具；提供個性化技術(shù)服務(wù)；根據(jù)我國目前的實(shí)際情況，建議重點(diǎn)發(fā)展涂層技術(shù)(如耐磨(硬、軟)涂層、復(fù)合涂層、納米結(jié)構(gòu)涂層等)，刀具質(zhì)量保障技術(shù)和刀具數(shù)據(jù)庫。