高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，它會(huì)隨著cnc技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺(tái)階。但我們也應(yīng)清醒的看到，高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問(wèn)題，如高硬度材料的切削機(jī)理、刀具在載荷變化過(guò)程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)、開(kāi)發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等等。同時(shí)高速切削所用的cnc機(jī)床，車、銑、鉆等刀具，cad/cam軟件等技術(shù)含量高，價(jià)格昂貴，使得高速切削投資大，這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。 Qu_=K_W  
一、高速切削的原始定義 HrS-o=  
  1931年，德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙(carl.j.salomon)博士提出了一個(gè)假設(shè)，即同年申請(qǐng)了德國(guó)專利(machine with high cutting speeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個(gè)臨界切削速度v0，在切削速度達(dá)到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5～6倍時(shí)，切削刃口的溫度開(kāi)始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小。 切削塑性材料時(shí)，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但進(jìn)給速度低，切削力大。實(shí)踐證明隨著切削速度的提高，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀演化，所需單位切削力在初期呈上升趨勢(shì)，而后急劇下降，這說(shuō)明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機(jī)理也不同。 `P/87=h  
  二、現(xiàn)代高速切削技術(shù)的概念 w/,A@fLL  
  所羅門原理出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行高速度切削，從而提高生產(chǎn)率。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學(xué)研究所證實(shí)。但這一原理的成功應(yīng)該不只局限于此。高速切削技術(shù)是切削技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的角度去確切定義高速切削，目前還沒(méi)有取得一致，因?yàn)樗�是一個(gè)相對(duì)概念，不同的加工方式，不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數(shù)。這里包含了高速軟切削、高速硬切削、高速濕切削和高速干切削等等。 J
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  事實(shí)上，高速切削技術(shù)是一個(gè)非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涵蓋了機(jī)床材料的研究及選用技術(shù)，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高性能cnc控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統(tǒng)，高精度快速進(jìn)給系統(tǒng)，高性能刀具夾持系統(tǒng)，高性能刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，高效高精度測(cè)試測(cè)量技術(shù)，高速切削機(jī)理，高速切削工藝，適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關(guān)的硬件和軟件技術(shù)。只有在這些技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，建立起來(lái)的高速切削技術(shù)才具有真正的意義。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能，必須是cad/cam系統(tǒng)、cnc控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、機(jī)床、刀具和工藝等技術(shù)的完美組合。 cES8%UC^i  
  三、高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點(diǎn) U_C[9Z'P  
  自所羅門原理申請(qǐng)專利以來(lái)，高速切削技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)理論探索階段，應(yīng)用探索階段，初步應(yīng)用階段和較成熟應(yīng)用階段。特別是20世紀(jì)70年代后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入大量的人力、物力、財(cái)力研究開(kāi)發(fā)高速切削技術(shù)及相關(guān)技術(shù)，發(fā)展日新月異，德國(guó)、美國(guó)、瑞典、瑞士、英國(guó)和日本等制造強(qiáng)國(guó)走在了世界前列。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)，高速切削機(jī)床、刀具技術(shù)和相關(guān)技術(shù)迅速進(jìn)步，使高速切削(hsc-high speed cutting)技術(shù)以其高效率、高質(zhì)量應(yīng)用于航天、航空、汽車、模具和機(jī)床等行業(yè)中，各種切削方式、各種材料幾乎無(wú)所不能，尤其是高速銑削和高速車削發(fā)展神速。該技術(shù)為“輕切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap與ae很小，但切削線速度大，為傳統(tǒng)的3～5倍，進(jìn)給速度大，為傳統(tǒng)的5～10倍。其優(yōu)點(diǎn)在于： U9Gg#M4tY  
  加工時(shí)間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍。 9l<}`/@}W  
  刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%~90%。同時(shí)，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質(zhì)量。 %%+@s  
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  刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。 <El!,UBq<  
  工件表面質(zhì)量好。首先ap與ae小，工件粗糙度好，其次切削線速度高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動(dòng)很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。 u-u:7VtH0=  
  高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動(dòng)的切屑所帶走，可進(jìn)行高速干切削，不用冷卻液，減少了對(duì)環(huán)境的污染，能實(shí)現(xiàn)綠色加工。 ufB9\yl{~  
  可完成高硬度材料和硬度高達(dá)hrc40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層(tialn)的硬質(zhì)合金刀具，在高速、大進(jìn)給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工(edm)的3~6倍，而且獲得十分高的表面質(zhì)量(ra0.4)，基本上不用鉗工拋光。 UXPF"}S2
 
  四、高速切削系統(tǒng) t3<HE_B|  
  高速切削系統(tǒng)主要由高速切削cnc機(jī)床、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、高速切削cam系統(tǒng)軟件等幾部分組成。 j*_>/g
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  高速切削cnc機(jī)床 ,X)/ T!ff  
  (1) 高穩(wěn)定性的機(jī)床支撐部件 高速切削機(jī)床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動(dòng)、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機(jī)床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機(jī)床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性，不但保證機(jī)床精度穩(wěn)定，也防止切削時(shí)刀具振顫；采用封閉式床身設(shè)計(jì)，整體鑄造床身，對(duì)稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋，如德國(guó)deckel maho公司的橋式結(jié)構(gòu)或龍門結(jié)構(gòu)的dmc系列高速立式加工中心，美國(guó)bridgeport公司的vmc系列立式加工中心，日本日立精機(jī)vs系列高速加工中心，使機(jī)床獲得了在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機(jī)床公司的研發(fā)部門在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機(jī)床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。 hH]oJ}H \  
  (2) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)，也是高速切削機(jī)床最重要的部件。要求動(dòng)平衡性很高，剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準(zhǔn)確的測(cè)溫裝置和高效的冷卻裝置。高速切削一般要求主軸轉(zhuǎn)速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kw。通常采用主軸電機(jī)一體化的電主軸部件，實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，電機(jī)大多采用感應(yīng)式集成主軸電動(dòng)機(jī)。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，新近開(kāi)發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機(jī)，該電機(jī)能更高效，大功率地傳遞扭矩，且傳遞扭矩大。易于對(duì)使用中產(chǎn)生的溫升進(jìn)行在線控制，且冷卻簡(jiǎn)單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動(dòng)機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以大有取代感應(yīng)式集成主軸電動(dòng)機(jī)之勢(shì)。最高主軸轉(zhuǎn)速受限于主軸軸承性能，提高主軸的dn值是提高主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵。目前一般使用較多的是熱壓氮化硅(si3n4)陶瓷軸承和液體動(dòng)、靜壓軸承以及空氣軸承。潤(rùn)滑多采用油-氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑等技術(shù)。最近幾年也有采用性能極佳的磁力軸承的。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。 sp7#e%R\  
  (3) 高精度快速進(jìn)給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度、高進(jìn)給率和小切削量的組合，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的5～10倍。這就要求機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)很高的進(jìn)給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進(jìn)給率不小于60m/min，程序可編輯進(jìn)給率小于40m/min，軸向正逆向加速大于10m/s2(1g)。機(jī)床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)已經(jīng)問(wèn)世，并成功應(yīng)用于cnc機(jī)床。先進(jìn)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使cnc機(jī)床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動(dòng)等問(wèn)題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機(jī)床加工精度。不僅能使機(jī)床在f=60m/min以上進(jìn)給速度下進(jìn)行高速加工，而且快速移動(dòng)速度達(dá)f=120m/min，加速度達(dá)2g，提高了零件的加工精度。但直線電動(dòng)機(jī)在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問(wèn)題，有待改進(jìn)。 TdL/tg!  
  (4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機(jī)床的主軸、滾珠絲杠 、導(dǎo)軌等產(chǎn)生大量的熱，如不進(jìn)行有效的冷卻，將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的精度。大多采用強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來(lái)冷卻主軸電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動(dòng)機(jī)、液壓油箱等。yamazen公司將壓力為6.8mpa的冷卻液通過(guò)主軸中心孔，對(duì)機(jī)床主軸、刀具和工件進(jìn)行冷卻。日本日立精機(jī)公司研制開(kāi)發(fā)出通過(guò)在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液，達(dá)到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導(dǎo)軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出eeo-eeo的導(dǎo)軌潤(rùn)滑脂，該潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑和冷卻效果好，無(wú)有害物質(zhì)，能進(jìn)行自動(dòng)潤(rùn)滑及不需專用設(shè)備等特點(diǎn)。日立精機(jī)機(jī)床公司vs系列cnc高速銑就采用此潤(rùn)滑脂，具有良好的使用及經(jīng)濟(jì)效果。 q-r5z