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高速切削技术文献综述
中原工学院
高速切削技术
文献综述
200901514225
材控092班史厚明
2012-9-18
目录
高速切削技术综述2
一、总述3
二、高速切削的定义3
三、高速切削的切削刀具4
四、高速切削加工机床的选用4
五、高速切削数控编程4
六、高速切削数据库4
七、高速切削的优点与应用4
八、高速切削的适用性4
九、小结4
高速切削技术综述
一、总述
对于高速切削的讨论在一定程度上仍是混乱的。
如何定义高速切削（HSM），目前有许多观点和许多方法。
高速切削的主要目标之一是通过高生产率来降低生产成本。
它主要应用于精加工工序，常常是用于加工淬硬模具钢。
另一个目标是通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力。
二、高速切削的定义
图表120世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon提出高速加工的理论
1931年4月德国物理学家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（HighSpeedCutting）的理论，并于同年申请了专利。
他指出：
在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。
对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。
要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。
由于实验条件的限制，当时高速切削无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示。
目前高速切削已经有了一定的应用，但要给高速铣削下一个确切的定义还较困难，高速切削的切削速度范围较难给出。
高速切削是一个相对概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有很大的关系。
一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍。
对常用材料，一些资料给出了大致数据：
铝合金1500～5500m/min；铜合金900～5000m/min；钛合金100～1000m/min；铸铁750～4500m/min；钢600～800m/min。
各种材料的高速切削进给速度范围为2～25m/min。
图表2高速范围与加工材料密切相关
高速范围与加工方法密切相关：
车削：
700～7000 m/min；
铣削：
300～6000 m/min；
钻削：
200～1100 m/min；
磨削：
150m/s以上
例如：
在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削，而400m/min就定义为高速钻削。
于是我们对高速切削的定义描述如下：
HSM不是简单意义上的高切削速度。
它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。
高速切削无需高转速主轴切削。
许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。
如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为常规的4到6倍。
在小尺寸零件的粗加工到半精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味着高生产率切削。
零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要。
现在，高速切削主要应用于锥度40的机床上
三、高速切削的切削刀具
高速切削技术的关键是高速切削刀具，高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。
高速切削的切削速度很快,加工线速度主要受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。
因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出表现在高速切削刀具具备更高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及更高的可靠性。
高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。
目前常用的高速切削的刀具材料包括钛基硬质合金、涂层刀、陶瓷、聚晶立方氮化硼、具及金刚石等。
（1）硬质合金刀具硬质合金刀具有极高的抗压强度，其材料性能全面提高钛基硬质合金刀具的硬度，硬度、强度、韧性和抗崩刃性都能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也明显增强。
同时硬质合金的性能在不断改进，应用面不断扩大。
首先，是开发了细颗粒、超细颗粒硬质合金材料，强度和韧性显着提高，用它制造金属加工在线版权所有的整体硬质合金刀具。
其次，开发和使用硬质合金加压烧结等新工艺提高了硬质合金的内在质量。
在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时，开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金，提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。
涂层成为提高刀具性能的关键技术刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。
采用涂层技术可使切削刀具获得非常优良的综合力学性能，不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅中国金属加工在线版权所有度地提高切削加工效率，因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具。
（2）涂层刀具刀具的涂层技术是提高刀具性能的关键技术，在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。
采用涂层技术不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅度的提高切削加工效率，因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具，在刀具中的比例已超过50%.涂层刀具的工艺主要应用在钻头、铰刀、丝锥、滚刀、插刀和硬质合金刀片等。
（3）超硬刀具超硬刀具材料陶瓷的使用将明显增加陶瓷刀具有氧化铝基Al2O3和氮化硅基Si3N4两大类，有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3~5倍，可以加工65HRC的高硬度材料。
然而陶瓷的抗冲击韧性差，所以对高速切削时的平稳性要求较高，即要求被加工材料材质均匀，对刀具接近工件的方向、角度和速度都有很严格的要求。
陶瓷和金属陶瓷刀具材料在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金，提高了加工效率和产品质量。
论文发表，高速切削技术。
（4）聚晶立方氮化硼刀具 聚晶立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成，化学稳定性优于金刚石，硬度高达8000~9000HV,耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性较大，适宜于加工硬度较高的材料，将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。
（5）金刚石刀具用于生产切削的金刚石绝大多数是人造金刚石。
人造金刚石分为三种：
聚晶金刚石、化学气相沉积金刚石和高温人工合成的单晶金刚石。
聚晶金刚石和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。
在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。
因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削也被成为“冷态切削”。
研究证明高速切削需要一种理想的刀具。
理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的热传导系数,良好的机械性能和热稳定性能。
硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。
论文发表，高速切削技术。
但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在硬切削中获得较广泛应用。
陶瓷刀具和立方氮化硼刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。
它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。
论文发表，高速切削技术。
为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。
因此,具有优良综合性能的立方氮化硼刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。
聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。
四、高速切削加工机床的选用
机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、和刚度和高水平的阻尼特性。
很多高速机床和立柱材料用聚合物混凝土你，这种材料阻尼特性为铸铁的7~10倍，比重只有铸铁的1/3.提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。
高速主轴是实现高速切削加工最关键的技术之一。
高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。
为此对主轴提出如下性能要求：
1.高转速和高转速范围；2.足够的刚性和较高的回转精度；3.良好的热稳定性；4.大功率；5.可靠的工具装卡性能；6.先进的润滑和冷却系统；7.可靠的主轴监测系统。
除此之外机床还应具有高速进给结构；高速切削时，为了保持刀具每齿进给基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。
要实现并准确控制这样的进给速度，对机床导轨。
滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。
当然高速CNC控制系统也是高速切削加工所必须的；CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保持在高速切削时仍具有良好的加工性能。
在高速切削加工时安全的问题也是至关重要的。
高速切削的速度相当的高，当主轴转速达40000r/min时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。
因此，对高速切削引起的安全问题必须注意。
高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。
然而，高速切削技术自身也
存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等。
高速切削所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。
高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：
（1）机床结构的刚性
要求提供高速进给的驱动器（快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min）,能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。
（2）主轴和刀柄的刚性
要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。
（3）控制单元
要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。
（4）可靠性与加工工艺能够提高机床的利用率（6000h/y）和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。
例如对ISO/BT40号机床的典型要求如下：
∙主轴速度范围<40000转/分
∙主轴功率>22kW
∙可编程进给率40-60m/分
∙快速横向进给<90m/分
∙轴向减速度/加速度>1g
∙块处理速度1-20毫秒
∙数据传递速度250Kbit/s（1毫秒）
∙增量（线性）5-20微米
∙或NURBS插补
∙主轴具有高热稳定性和刚性，主轴轴承具有高的预张力和冷却能力。
∙通过主轴的送风/冷却液
∙具有高的吸收振动能力的刚性机床框架
∙各种误差补偿——温度、象限、滚珠丝杠是最重要的。
∙CNC中的高级预见功能
常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。
与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。
高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。
目前国内的高速机床，其性能与国外相比还存在一定的差距。
常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。
与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的dmc85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。
高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。
目前国内的高速机床，其性能与国外相比还存在一定的差距。
表1国内外高速加工中心
序号
机床型号
主轴转速
（r/min）
最大进
给速度
（m/min）
快移
速度
（m/min）
制造商
（国家）
1
2
3
4
5
6
7
8
dmc85
hsm700
k211/214
hypermark
ff510
digit165
kt1400-vb
dhsc500
18000-30000
42000
40000
60000
15000
40000
15000
18000
120
20
24
60
40
30
48
62
120
40
24
100
60
30
48
62
Deckelmaho德国
mikron瑞士
fidiaspa意大利
cincinati美国
mazak日本
沈阳机床厂
北京机床研究所
大连机床集团
五、高速切削数控编程
高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。
高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的cam编程软件也是至关重要的。
数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工cam编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。
高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命.
1、cam系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的nc程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。
2、全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其cam系统必须具有全程自动防过切处理的能力。
高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细节结构。
系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。
3、丰富的高速切削刀具轨迹策略
高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求cam系统能够满足这些特定的工艺要求。
为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，cam系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。
cam软件在生成刀具轨迹方面应具备以下功能:
a.应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏；b.应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速；c.下刀或行间过度部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料；行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；d.残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削；e.刀具轨迹编辑优化功能非常重要，避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等操作，避免重复计算；f.刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编；
g.可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查，如vericut软件就可很好地检测干涉。
六、高速切削数据库
金属切削数据库是在金属切削理论研究较为成熟、切削加工工艺普遍应用、切削参数极为丰富的条件下，伴随着计算机技术、数据库技术和先进切削加工技术的不断发展而发展起来的。
目前、世界各国虽然建立了许多金属切削数据库．但尚无适用于高速切削加工的数据库，而建立高速切削数据库对于推广和应用高速切削加工技术具有非常重要的意义。
高速切削数据库除与普通切削数据库一样必须具有推荐切削刀具和提供优化的切削参数等基本功能外．还应根据高速切削自身的特点，解决以下功能与结构问题：
与数控系统、CAD/CAM软件良好的通信与接口：
由于高速切削大多采用数控机床或加工中心，自动化程度很高，因此高速切削数据库必须具有良好的与数控系统的通信和接口功能，才能充分发挥高速切削的优势。
数控技术近十几年来发展非常迅速，数控系统已从具有单纯的运动控制功能发展成为能够进行图形图像处理、通信、网络数据传输等多种复杂功能的开放式计算机数字控制系统。
利用计算机通信与接口技术可直接或通过CAD/CAM软件在高速切削数据库与数控机床或加工中心的数控系统之间进行查询、优化、传输等一系列数据操作。
推理功能：
由于高速切削技术起步较晚，目前尚无可直接用于生产的通用高速切削数据手册．可用的只有一小部分常用材料的切削数据。
人工智能技术刚为建立高速切削数据库的推理功能提供了有力帮助，利用人工智能基于规则或实例的推理技术、模糊控制技术等，可根据现有的成功加工实例产生新的切削数据．直接或经试验验证后输人数据库作为可用数据。
图表3高速切削数据库基本功能示意图
分布式结构：
高速切削数据库应具有分布式结构，以便为大型制造企业分散在不同地理位置的生产和销售部门提供服务。
数据库技术是计算机技术中发展最决、应用最广泛的技术之一，当前最成熟的关系数据库技术和理论已得到迅速发展和广泛而有效的应用，出现了一批基于关系数据模型、支持Client/Server结构和分布式结构的商品化的关系数据库管理系统（如Micosoft公司的SQLServer2000、0racle公司的0racle8等）．为建立高速切削数据库提供了良好的技术支持。
网络功能：
高速切削数据库应具有网络功能，以便各相关用户通过计算机网络查询相应的切削数据，为各种先进制造技术提供相应的基础数据随着Intranet/Internet技术和制造技术的发展，敏捷制造、协同制造、远程制造、网络制造等先进技术已成为制造技术的重要发展方向。
计算机网络与通信技术的飞速发展和广泛应用为高速切削数据库的网络功能提供了坚实的应用基础和有力的技术支持。
预测功能：
高速切削数据库通过利用已有的人工智能技术、人工神经网络技术、有限元分析技术、统计分析技术及各种切削力模型、切削温度模型、刀具磨损模型等，应具有预测某些切削效果的功能，如预测工件的加工精度、表面粗糙度以及刀具使用寿命等。
七、高速切削的优点与应用
刀具和工件可保持低温度，这在许多情况下延长了刀具的寿命。
另一方面，在高速切削应用中，切削量是浅的，切削刃的吃刀时间特别短。
这就是说，进给比热传播的时间快。
低切削力得到小而一致的刀具弯曲。
这与每种刀具和工序所需的恒定的加工余量相结合，是高效和安全加工的先决条件之一。
由于高速切削中典型的切削深度是浅的，刀具和主轴上的径向力低。
这减少了主轴轴承、导轨和滚珠丝杠的磨损。
高速切削和轴向铣削也是良好的组合，它对主轴轴承的冲击小，使用这种方法可以使用悬伸较长的刀具而振动的风险不大。
小尺寸零件的高生产率切削，如粗加工、半精加工和精加工，在总的材料去除率相对低时有很好的经济性。
高速切削可在一般精加工中获得高生产率，可获得杰出的表面质量。
表面质量常低于Ra0.2µm。
采用高速切削，使对薄壁零件的切削成为可能。
使用高速切削，吃刀时间短，冲击和弯曲减小了。
模具的几何精度提高了，组装就容易和更快了。
无论是什么人，技能如何，都能获得CAM/CNC生产的表面纹理和几何精度。
如果花在切削上的时间稍多一些，费时的人工抛光工作可显著减少。
常常可减少达60-100%
一些加工，如淬火、电解加工和电火花加工（EDM），可以大大减少。
这就可降低投资成本和简化后勤供应。
用切削代替电火花加工（EDM），模具使用寿命和质量也得到提高。
采用高速切削，可通过CAD/CAM很快改变设计，特别是在不需要生产新电极的情况下。
综上所述高速切削有如下有点：
✓高单位时间切除率，降低加工成本
✓高加工表面质量，提高加工精度
✓低切削力，降低加工系统力变形
✓高激励频率，避免自激振荡
✓切削热由切屑带走，减少工件热变形
✓减少后续工序，降低加工成本
所以根据其有点有如下应用：
航空航天工业轻合金的加工：
飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。
模具制造业：
型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。
汽车工业：
对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。
（过去多用组合机加工，柔性差）难加工材料的加工（如：
Ni基高温合金和Ti合金）
纤维增强复合材料加工
精密零件加工
薄壁易变形零件的加工
八、高速切削的适用性
高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。
那么，它是不是放之四海而皆准呢?
显然不行。
目前，即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。
实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于解决：
比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。
迄今为止，国内目前真正在实际加工中使用的是瑞士MIKRON公司的主轴转速为42000r/min的机床，南京航空航天大学购买了MIKRON的主轴为18000r/min机床，上海交大、大连理工大学等也买了主轴转速为18000r/min的机床，山东工大、西安交大、北京理工大学都将购买高速机床做相应的研究。
应该说，高速切削在我国，尚未正式进入大学课堂，如果一些教授、导师们的头脑中还是空白，那怎么去教学生、去发展相应的技术？
更不要说国内的机床厂家的情况了。
应该实事求是地讲，由于多年来国有企业科研投入少，现有的机制不能充分鼓励创新，基础研究和元器件水平薄弱，新产品开发滞后等诸多问题的影响，我国的机床行业与国外同行业一流水平的差距已经拉大，这一差距总的来说恐怕在十年以上。
现在看来，主轴转速为10～42000r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制：
（1）主轴转速10～42000r/min时，刀具必须采用HSK的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不能超过16mm，且必须采用进口刀具。
这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。
（2）机床装备转速为10～42000r/min的电主轴时，其扭矩极小，通常只有十几个N•m，最高转速时只有5～6N•m。
这样的高速切削，一般可用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工等。
（3）MIKRO
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