高速切削机理和实验

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1、高速切削机理和实验1 切削加工的任务和重要性1.1 切削加工的任务是：（1）去除毛坯上的余量；（2）形成零件的表面；（3）保证零件所需的精度。1.2 切削加工的重要性：（1）制造业创造的财富占人类社会创造总财富的6080%。（2）切削加工工作量占机械产品制造劳动量的3040%。（3）切削加工是切除余量效率最高、成本最低的方法。（4）各种零部件经过切削加工，约有10%的材料变为切屑。耗时、耗人工、耗资金很多，增产、节约的潜力也很大。（5）21世纪的人类社会中，切削加工仍将发挥重要作用，且呈发展态势。前沿科学（工程），如材料科学、信息科学、能源工程、生物科学、宇航工程等，无一不与切削加工密切相关。

2、1.3 切削加工技术新发展：（1）难加工材料切削技术。（2）高效加工切削技术。（3）精密加工切削技术。（4）自动化加工切削技术。（5）绿色制造的切削技术。其中，高效切削中包含高速切削。2 提高切削加工生产率的措施一个零件加工的工时等于“切削时间”与“辅助时间”之和。以外园车削为例：切削时间tm=（lw+y）/(nf)（h/ap）(min)材料切除率Q=apfv103(mm3/min)式中，lw零件被加工部分的长度（mm）； ,y零件加工时，刀具的切入和切出长度（mm）； n机床主轴或工件的转速（r/min）； v切削速度（m/min）,v=(Dn)/1000； D工件直径（mm）； f进给量（

3、mm/r）； ap切削深度（mm）； h工件的加工余量（mm）由此可见，加大切削深度ap、进给量f和切削速度v，是减少切削时间，加大材料切除率，即提高切削加工生产效率的途径。一般切削深度受毛坯余量的限制，故切削速度和进给量是提高加工效率的主要因素。实际上，高速切削或高效率的加工应包括提高切削速度（主轴转速）与进给量两个方面。人们如果只把注意力放在提高切削速度上，就带有一定的片面性。3 高速切削的定义及其发展过程在一百年前，当时高速钢刀具开始使用，加工普通钢材的切削速度仅为2530m/min。相对于碳素工具钢和合金工具钢而言，那种切削速度的加工即为“高速切削”。故“高速钢”（high speed

4、 steel）得以命名。在高速钢刀具刚刚出现的年代，美国泰勒（Taylor F.W.）工程师做了很多切削加工理论与实践的工作，建立了T-v方程。他在切削技术与工业管理方面都做出了很大的贡献。50年前，在二次世界大战结束后不久，硬质合金刀具开始普遍使用，那时用硬质合金刀具切削普通钢材，可用80100m/min的切削速度。当时称这样的切削速度为“高速切削”。近半个世纪，机床与刀具有了很大发展，而人类社会对提高生产率又有了新的要求，于是切削速度进一步提高。由此可见，高速切削的“高速”是一个相对概念。在不同历史时期，对于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速切削加工应用的切削速度并不相同。自20世纪

5、后期以来，关于界定高速切削，国际上有几种说法：（1）1978年，国际生产工程研究会（CIRP）切削委员会提出当切削线速度达到5007000m/min的加工为高速切削。（2）对铣削加式而言，主轴转速达到8000r/min以上为高速切削加工。（3）德国Darmstadt工业大学认为速度高于（510）倍普通切削速度的切削加工为高速切削。（4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴轴承孔真径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高速切削加工。DN值达到（52000）105mm?r/min时为高速切削加工。德国舒尔茨（Schulz）教授于1992年提出不同工件材料大致的切削速度区域划分如图1所示。按照Sc

6、hulz的观点，切削钢材时线速度达到400m/min以上即为高速切削。时至今日，机床制造技术和刀具技术的长足进步已大大地提高了这个最小界限值。图1 切削速度区域划分图4 高速切削的优越性（1）随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。（2）在高速切削速度范围，随切削速度的提高，切削力随之减小，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的加工。（3）从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高使切削系统的工作频率远离机床低价固有频率，从而可减轻或消除振动。故高速切削加工可降低已加加工表面粗糙度，提高加

7、工质量。（4）高速切削加工可加工硬度HRC4565的淬硬钢，实现以切代磨。（5）高速切削时随切削速度的提高，切削温度逐步升高，在低速度段，切削温度增幅较大；在高速度段，切削温度增幅减小。高速切削时切屑带走大部分热量，传入工件的热量很少。正由于高速切削加工具有诸多优点，高速加工技术已在诸多的制造业中被广泛应用。5 高速切削机理和实验研究5.1高速切削切削区的材料变形刀具与工件间有相对运动，通过切削刃与刀面的作用切除工件材料的余量。图2 錾子切除工件上的余量如图2所示，切削刃起“切”和“割”的作用，刀面起“推挤”作用。“切”工件相对于切削刃无运动分量。“割”工件相对于切削刃有运动分量。“挤”主要是

8、前刀面的推挤，后刀面也有一定的挤压。切除余量，是以上三者综合作用的结果。由于被切材料的强度高，刀具有较大的楔角，不可能很薄。“推挤”作用消耗的能量份额很大；而“切”、“割”起着分离被切材料、形成加工表面的重要作用。图3 四个变形区如图3所示，1为基本变形区；2为前刀面摩擦变形区；3为后刀面摩擦变形区；4为刃前变形区。1区和2区消耗动力的主要部分，而3区和4区则对形成加工表面起着重要作用。如果切削刃锋利，则4区很小；如刀具后角大，则3区也较小。1区是主要的变形区。如切削速度高，则1区变得很窄，几乎成为一个面（如图4所示的一条线），称为剪切面。剪切面的方向与切削速度的方面之间的夹角是前切角。图4

9、剪切面与变形系数剪切角的大约数值可用以下公式计算：M.E. Merchant（麦钱特）公式=/4-/2+o/2Lee and Shaffer（李和谢弗）公式=/4-+o式中，为前刀面与切屑间的摩擦角，o为前角。当切削速度提得很高后，则被切材料来不及充分变形，剪切角加大，变形量减小，从而切削力也减小。切削速度提高后，前、后刀面与切屑、工件间的摩擦系数减小，也有利于切削力减小。有一个衡量材料变形的简易方法，即通过测量计算出“变形系数”。过去叫过“收缩系数”，二者是一回事。如图4所示，被切削层的原长度为lc，形成切屑后的长度为lch,则变形系数h=lc/ lch在切削过程中，被切削层材料变为切屑，是

10、经过剪切滑移。根据材料力学的原理，用剪切应变量来衡量材料的变形程度是更为科学的。剪切应变与变形系数之间有一定关系，经推算，=S/y =cos0/sin?cos（-0）=ctg+tg（-0）=（h2-2h?sin0+1）/（h?cos0）式中，o为刀具前角。h和增大，则表示材料变形大；反之亦然。显然，高速切削时，h和都减小，切削力下降。沈阳理工大学进行了45钢和铝合金5A02高速铣削的变形系数试验，刀具为20mm的硬质合金立铣刀，切削ap=0.51mm，进给量为fz=0.050.15mm/z，切削速度v=2511256m/min。试验结果如图5和图6。图5 高速切削45钢的变形系数图6 高速切削

11、铝合金5A02的变形系数由图可见，当切削速度提高时，变形系数显著下降。5.2 高速切削的切削力以外圆车削为例，有三个切削分力：主切削力 Fc(Fz)，切深抗力Fp(Fy)（又称径向力），进给抗力Ff(Fx)（又称轴向力）。主切削力最重要，在忽略Ff消耗功率的情况下，切削功率为Pc=Fc.v103(kw)式中，Fc和单位N；v 的单位为m/min。笔者早年进行了高速切削时切削力的试验。如图7所示，在车切45钢（正火，HB187）时，当切削速度从100m/min提高到270m/min，主切削力约下降了7%。如图8，在切削铸铝合金ZL10(HB45)时，当切削速度从100m/min提高到720m/m

12、in，主切削力约下降了50%。图7 车削45钢时，切削速度对切削力的影响（ap=3mm f=0.25mm/r）图8 车削ZL10时，切削速度对切削力的影响（ap=4mm f=0.3mm/r）山东工业大学用LT55陶瓷端铣刀切削45钢（调质，HRC3540），切削力与切削速度的关系如图9。由图9可见，切削速度约在300m/min时切削力最大，旋即降低，切削速度达500m/min以上切削力变化不大。图9 陶瓷刀端铣45调质钢时的切削力某高校做了调质钢（HRC3032）与淬硬钢（HRC5052）的车削力试验。调质钢：ap=0.20.5mm , f=0.10.25mm/r, v=7001000m/mi

13、n。淬硬钢：ap=0.150.5mm, f=0.10.25mm/r, v=100400m/min。建立了三向切削力的三因素公式（表1）。表1 高速切削车削力的三因素公式过去，苏联切削用量手册所列出的常速下车削中碳结构钢的切削力经验公式为Fz=Czap1f 0.75v -0.15Fy=Cyap0.90f 0.60 v -0.3Fx=Cxap1f 0.5v -0.4与表1相比，有很大差异。表1的公式可能有问题。与车削相比，铣削力公式要更复杂些，因为除切削用量三要素以外，还有铣刀齿数、铣刀直径和铣削宽度等因素。过去，苏联人和中国人都建立过端铣、立铣在一般切削速度下的切削力和切削功率的多因素经验公式。

14、在现代高速切削下的铣削力公式尚属空缺。沈阳理工大学填补了这一空缺。做出了铣削力的三因素公式：在ap=0.51mm, f=0.050.2mm/r, v =2511256m/min范围内，Fc=5018ap0.344fz0.364v -0.394(切45钢)Fc=864ap0.384fz0.176 v -0.287(切铝合金5A02)看来，试验所得的数据也不太理想，可供参考。山东大学用陶瓷刀具高速切削淬硬钢、高强度钢、硬镍铸铁做了有成效的切削力试验。（1）LT55（Al2O3TiC）陶瓷刀具车削淬硬45钢（HRC5055），v =30120m/min, ap=0.351.4mm, f=0.080.

15、32mm/r, Fz=2525 ap0.99 f 0.80 v-0.01(N)（2） LT55刀具车削超高强度钢35CrMnSiA(HRC4548), 切削用量范围同上。Fz=2779 ap0.79 f 0.59 v -0.08(N)（3） SG-4(Al2O3TiC,WC)陶瓷刀具车削淬硬高碳工具钢（HRC5562），切削用量范围同上。Fz=3444 ap0.88 f 0.65 v -0.12(N)（4） SG-4刀具车削淬硬45钢（HRC5055），切削用量范围同上。Fz=2309 ap1.04 f 0.75 v -0.01(N)（5） AT6（Al2O3TiC）陶瓷刀具车削硬镍铸铁（HR

16、C5662）v =5070m/min, ap=1.52.3mm, f=0.090.16mm/r Fz=1210 ap0.73f 0.42v -0.09(N)山东大学所做的陶瓷刀具高速切削硬材料的切削力试验数据比较可信。5.3 高速切削的切削热和切削温度在切削过程中，切削热的来源是剪切面区域材料变形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功，如图10所示。图10 切削热的来源一部分切削热传到切屑中被切屑带走；一部分热传到工件中；还有一部分热传到刀具中（图10）。据研究，当切削速度提高后，传入切屑而被切屑带走的热量份额加多，而传入工件和刀具的热量份额减小，故工件、刀具升温并不大。日本人用P10立铣刀，切削4

17、5钢和A15025铝合金，ap=2mm, f=0.12mm/r。图11为切削热的分配比率。图11 切削热分配比率华南理工大学做了类似的切削热分配比率曲线（图12）。工件材料为45钢（热轧），车刀用YT15刀片，ap=0.8mm, f=0.12mm/r, v =400800m/min。如图12所示，当v=400m/min时，Rc=49.4%, Rw=46.7%, RT=3.9%。当v=800m/min时, Rc=69.4%，Rw=28.7%, RT=2.3%。故在高速时RW与RT均显著减小。图12 切削热分配比率Rc、Rw和RT只能说明切削热分配比率，最重要的还是前刀面切屑和后刀面工件界面上的切

18、削温度或与之接近部位的温度。切削温度的测量很困难，常用的有自然热电偶、人工热电偶和红外线幅射法。某高校做了调质钢与淬硬钢的车削温度试验。调质钢：ap=0.20.5mm, f=0.20.5mm/r, v=7001000m/min。淬硬钢：ap=0.150.3mm, f=0.10.25mm/r,v =100400m/min。用红外测温仪测量温度，其结果如表2所示。表2 高速车削切削温度经验公式看来，表2中的数据尚值得推敲。过去，在切削速度小于200m/min时车削45钢时，切削温度三因素公式为=C v0.41f 0.14ap0.04沈阳理工大学用人工热电偶法测量高速下的铣削温度，其结果如图13、图

19、14所示：图13 铣削温度（45钢）图14 铣削温度（铝合金5A02）德国萨洛蒙（Carl J. Salomon）博士于19241931年用大直径圆锯片对有色金属进行了铣锯切削试验。发现，当切削速度增加，切削温度提高，到一定的切削速度，切削温度最高；再提高切削速度，切削温度反而下降（图15）。后来，又将此现象推广到其他工件材料。当时的试验数据后来全部丢失，工作人员已经无存，用什么方法测温也不清楚。很多人认为图中的曲线不可信。多数人认为，切削温度不存在一个最高值（峰点），切削速度提到很高时，切削温度仍应缓慢上升。图15 Salomon的高速切削温度曲线沈阳理工大学研制了一台高速锯床，用高速钢锯片

20、（直径200mm,厚3mm，60刀齿），最高转速为24000r/min,用以锯切低碳钢管（20mm,厚1.5mm）和铝板（厚10mm），进行了测力、测温的试验，最高切削速度达每分钟万米以上。因锯切切削面积不固定，切削时间很短，力、温测量不易测准，但是沈阳理工大学所做的工作仍是十分可贵的。山东大学用SG-4陶瓷工具端铣T10A淬硬工具钢（HRC5865），v=110177m/min, ap=0.10.5mm, fz=0.050.127mm/z, 铣削宽度B=40、70、100mm，铣刀直径do=160、125、80mm，切削温度=17.5 v 1.55 ap0.91 fz1.44 B0.46do

21、-0.31（）。山东大学还做了陶瓷刀具车削几种硬材料的切削温度试验。5.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损有后刀面磨损（VB）、前刀面磨损（月牙洼KT）、边界磨损（VN）及刀尖磨损（VC）、径向磨损（NB）等。人们研究后刀面磨损VB最多。一般，以VB为刀具磨损标准。图16 车刀磨损部位及形状刀具磨损的原因有：（1）磨粒磨损，（2）粘结（冷焊）磨损，（3）扩散磨损，（4）氧化磨损，（5）热电磨损等。图17为切削速度对刀具磨损强度的影响。由图17可见，当切削速度很高时，以扩散和氧化磨损为主。图17 切削速度对刀具磨损强度的影响刀具典型磨损曲线如图18所示。图18 刀具磨损曲线以后刀面磨损到一定大小为标

22、准，可以建立刀具寿命T与切削速度v 之间的关系式，即T- v曲线（即泰勒Taylor方程）：v =A/Tm , 或 T=c/ v z还可以建立扩大的泰勒方程：v =C v /(Tm、apx、f y)常速下，用YT15刀具车削45钢，一般m=0.2，x=0.15，y=0.45高速切削下，人们在这方面做的试验工作很不够，较多地观察刀具磨损形貌，很少见磨损曲线和T- v 曲线。扩大的泰勒方程则更加缺少。在高速切削中，刀具材料及刀具的制造质量、工件材料的性能、机床状况和工艺条件等不可能固定不变，而是随机变化，从而影响到刀具使用寿命。一般，正常磨损下刀具寿命的变化和分布服从正态分布（图19）。破损情况下

23、刀具寿命的变化和分布服从对数正态分布或威布尔（Weibull）分布。高速切削中，应十分重视刀具寿命的稳定性，然而对刀具寿命的分布规律还没有认真研究。刀具正常磨损寿命的分布一般服从正态分布f ( T ) = 刀具破损磨损寿命的分布一般服从对数正态分布f ( T ) = 或威布尔分布f ( T ) = 图19 刀具正常磨损下的寿命分布6 高速切削加工对机床的要求高速切削加工是一项综合性的高新技术。实现高速切削加工，机床的高速化是首要条件和最基本因素，高速加工机床是提供高速加工的主体。因此，开发和研制性能优良的可使机床执行部件带动刀具或工件获得极高工作速度的高速机床是发展高速切削加工的重中之重。现代

24、数控机床和加工中心的高速化已成为机床发展的主要方向。进入20世纪90年代以来，一批又一批高速切削加工机床陆续涌现并投入国际市场，并在制造业中迅速扩大其应用范围，创造出了巨大的经济效益和社会效益，标志着高速切削加工这一高新技术已从理论和实验研究进入工业应用的新阶段。6.1 对高速切削加工机床的要求高速切削加工机床与普通机床的主要区别在于高速 机床必须能够提供高的切削速度和满足高速切削加工下一系列的功能要求，主要包括如下几点。（1） 要有一个适合高速运转的主轴单元及其驱动系统高速主轴单元的设计，是实现高速加工的最关键的技术领域之一，同时也是高速加工机床最为关键的部件。它不仅要能在很高的转速下旋转，

25、而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动功率、良好的散热和冷却装置，要经过严格的动平衡矫正，主轴部件的设计要保证具有良好的动态和热态特性，具有极高的角加、减速度来保证在极短时间内实现升降速和在指定位置的准停。高速机床与普通机床的不同之处，反映在高速主轴单元上主要表现在如下几个技术参数的变化：主轴转速一般为普通机床主轴转速的510倍，机床的最高转速一般都大于10000 r/min，有的高达60000100000 r/min；主轴单元电机功率一般高达2080 kW，以满足高速、高效和重载荷切削的要求；主轴单元从启动到达到选定的最高转速（或从最高转速到停止）需要的时间较短，一般只需12 s即可完成。就

26、是说，主轴的加、减速度比普通机床高得多，一般比常规数控机床高出一个数量级，从而达到18 g（g=9.81m/s2）。高速加工机床的主运动一般是由电主轴来完成的。（2） 要有一个快速反应的进给系统单元部件和数控伺服驱动系统高速机床在高速切削加工时，随着主轴转速的提高，机床进给速度和其加、减速度也必须大幅度提高，以保证刀具每齿或工件每转进给量基本不变。同时机床空行程运动速度也必须大大提高。现代高速加工机床进给系统执行机构的运动速度要求达到40120 m/min，进给加速度和减速度同样要求达到18 g，亦即9.8178.48 m/s2。为此，机床进给驱动系统的设计必须突破传统一般数控机床中的“旋转伺

27、服电机+普通滚珠丝杠”的进给传动方式。结构形式上采取的主要措施有：一是大幅度减轻进给移动部件的重量，为此，最有效的办法就是在结构上实现“零传动”，即直接采用直线电机驱动；二是采用多头螺纹行星滚柱丝杠代替常规钢球式滚珠丝杠以及采用无间隙直线滚动导轨，实现进给部件的高速移动和快速准确定位；三是采用快速反应的伺服驱动CNC控制系统。（3） 要有高效、快速的冷却系统在高速切削加工条件下，单位时间内切削区域会产生大量的热量，如果不能使这些热量迅速地从切削区域传走，不但妨碍切削工作的正常进行，而且会造成机床、刀具和工具系统的热变形，严重影响加工精度和机床的动刚性。作为高速切削加工的配套技术，近年来日本的三

28、井精机和J.E.公司共同开发了HJH系列高压喷射装置，把压力为7MPa、流量为60L/min左右的高压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，消除切削产生的热量。另外有的加工中心则采用大量冷却液以瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，把大量的热切屑立即冲走，始终保持工作台的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证高的加工精度。高速“电主轴”单元结构设计时，冷却系统的设计也是不可忽视的一个重要方面。为了防止主轴部件在高速运转过程中出现过热现象，支撑轴承必须考虑采用有效的强制冷却方法。就是说，对于高速切削加工机床，机床结构设计时必须考虑设计必要的冷却和散热装置。（4） 要有高刚性的床体结构高速切削加工机床在高速

29、切削状态下，一方面，产生的切削力作用在床体上；另一方面，因速度很高，还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床身受力较大。设计时必须要求其具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。高刚性和阻尼特性是高速加工中保证加工质量和提高刀具寿命的需要。（5） 要有安全装置和实时监控系统在高速切削加工过程中，若刀具断裂或破损，其初速将如同子弹一般，易于造成危险和人身伤害。为此，机床工作时必须用足够坚固的板材将切削区封闭起来，同时还要考虑便于人工观察切削区状况。除此之外，工件和刀具必须保证夹紧牢靠，必须采用主动在线监控系统，对刀具磨损、破损和主轴运行状况等进行在线识别和监控，确保人身和设备安全。（6） 要有

30、方便可靠的换刀装置通过新型换刀结构设计，保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷，换刀时间短。这也是高速切削加工机床要求所必需的。（7） 要有优良的热态特性和静、动态特性高速切削加工情况下，单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多，热变形较大。机床结构设计必须保证其在内部热源和外部热源作用下，不能产生较大的热变形。为此，高速切削加工机床上一般要采取特殊的冷却措施，来冷却主轴电机、主轴支撑轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。同时因高速切削加工下的动态力（惯性力、切削力、阻尼力等）和静态力（夹紧力等）较大，机床各支撑部件和其总体必须具有足够的动、静刚度，不致

31、产生较大的力变形，保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。总之，应考虑高速切削加工的特殊性，必须对实施高速切削加工的机床提出新的要求。只有这样才能实现高速、高效、高精度的平衡切削。6.2 高速切削加工机床的国内外现状日本、美国、德国、意大利等厂商是当今世界上高速机床的主要提供者。目前国际上提供高速加工中心和NC机床设备的主要厂商，其部分代表性产品主要技术性能参数所能达到的水平如表3所示。所列机床的主要性能指标都较普通机床大大提高，其到达额定的工作加速度一般都在625 m/s2之间，即达到g（g为重力加速度）数量级的加速度，具有高的动态特性。德国DECKEL MAHO公司生产的DMC 85 V

32、 linear，采用先进的机床结构和超高速直线电机，使其拥有2g (20m/s2)的加速度和120m/min的快移速度，每一轴的进给力也高达8000N。表3 国外几种主要高速加工中心当前，国产高速加工机床也在迅速发展，在近年来的CIMT中国国际机床展览会上可以看出（表4）。除表4中所列的以外，沈阳机床股份有限公司还和德国BW公司合资生产了BW60HS型卧式加工中心，主轴最高转速16000r/min，快移速度达60m/min, x、y轴加速度1g，z轴加速度1.3g，定位精度10m，重复精度5m，苏州三光集团与国外合作生产的MC60小型加工中心，行程600mm450mm450mm，主轴转速（11

33、0000）r/min，快移速度50m/min,20位刀库，换刀时间1.21.4 s。表4 国内几种高速加工中心近年，沈阳理工大学在国家科技部、兵器总公司和辽宁省科委的支持下，研制开发了XS6380型数控高速铣床。主轴转速达30000r/min（无级），工作台各方向快速移动达60m/min，主电机功率为10kW，工作台尺寸为630800mm，主轴锥孔采用HSKE40系列。应该说，该机床具有较高水平。7 高速切削加工对刀具的要求在机床刀具夹具工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是很重要、很活跃的因素。当机床确定之后，切削加工生产率、刀具寿命、加工成本和加工质量，在很大程度上取决于刀具的合理选择。在高

34、速切削加工中，对刀具提出了更高的要求，主要是刀具材料、刀具结构、刀具几何形状、刀具系统及刀具平衡等方面。7.1 由于高速切削时产生热量较多，刀具切削部分温度高，对刀具材料高温性能的要求更高。用于高速切削的刀具材料应具有很好的高温硬度、高温强度、高温弹性模量以及高温耐磨性，还应有足够的韧性和抗冲击性。此外，刀具材料应具有良好的工艺性，价格不可过于昂贵。在高速切削中常用的刀具材料有：（1） 金刚石具有很高的硬度（天然金刚石达10000HV）和很大的热导率（天然金刚石达2000W.m-1.K-1），弹性模量也很高，可用于有色金属和非金属材料的高速切削。例如，用人造PCD金刚石刀具和其他人造金刚石刀具

35、，车削和铣削硅铝合金零件，当切削深度ap=0.50.8mm,进给量f=0.1mm/r和fz=0.050.1mm/z时，可用10002000m/min的切削速度。人造金刚石刀具加工纤维增强和颗粒增强复合材料，效果也很好。但是，金刚石刀具不能在高速下切削钢铁件或铁族元素的材料；在高温（700）下易产生石墨化。（2） 立方氮化硼立方氮化硼PCBN也具有很高的硬度（7500HV）和很好的热导率（1300W.m-1.K-1）弹性模量也高。热稳定性好，在大气中达1300也不分解，对铁族元素呈惰性。可用于淬硬钢和高硬度铸铁的高速切削。在采用较小的切削深度和进给量时切削淬硬钢和合金耐磨冷硬铸铁，可采用8010

36、0m/min的切削速度。（3） 氧化铝基和氮化硅基复合陶瓷这两种复合陶瓷用高于50m/min的切削速度，切削淬硬钢和高硬铸铁效果也很好。用它们切削未淬硬的普通钢材和铸铁，刀具寿命常高于硬质合金。但氮化硅基复合陶瓷刀具不能加工出长屑的未淬硬钢材。（4） 表面涂层硬质合金涂层材料种类很多，有TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等，多用CVD涂层工艺，也有用PVD涂层工艺的。可以用单层涂覆；多层涂覆效果更佳。与未涂层的硬质合金刀具相比，涂层硬质合金刀具可以成倍地提高刀具寿命；保持一定刀具寿命，涂层硬质合金刀具可提高切削速度2030%。（5） TiCN基硬质合金（金属陶瓷）一般硬质合金都是

37、以WC为主要成分，称WC基硬质合金。与WC基相比，TiCN基硬质合金刀具密度较小，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强。故切削速度可以适当提高。常用为高速切钢的刀具材料。现代刀具材料的发展仍嫌不足，限制了高速切削中速度的进一步提高。人们期待质量更高、更能适应高速加工的刀具材料问世。7.2 高速切削回转刀具（如铣刀）在很高的回转速度下工作，刀体和刀片都受到很大离心力的作用。故要求刀体材料尽可能轻，避免采用贯通式沟槽、减小槽底尖角，减少夹紧零件，加大夹紧力与可靠性。高速回转刀具必须经过动平衡测试，应达到ISO1940/1规定的G40平衡质量等级。7.3 高速切削刀具的刀柄是一

38、个关键部件，它传递机床的动力和精度。刀柄的一端是机床主轴，另一端是刀具，加工时既要保证加工精度和操作方便，又要保证安全可靠。故装夹的重复精度要好，装夹刚性要高。传统的724锥度的刀柄，在高速切削中暴露出刚性不足，换刀后刀具径向与轴向尺寸不稳定，端口处扩张造成刚度下降并影响动平衡。近年来，德国、美国、日本等国开发了不同的适合于高速切削的刀柄结构系统。用得最多的德国阿亨大学开发的HSK刀柄系列，已列入了国际标准，锥度用110。美国肯纳金属公司开发了KM刀柄系列，也是用110锥度。日本开发了BIG-PLUS刀柄系列，属于724锥度的改进型。瑞典山特维克公司开发了CAPTO刀柄系列，是120的空心短锥

39、结构。8 高速切削的研究和应用8.1 国外高速切削加工的研究和应用自提出高速切削的概念后，经过半个多世纪的探索和研究，才逐步用于生产。其发展过程经历了以下的几个阶段。（1）高速切削加工理论研究和探索阶段（19311971年）自20世纪30年代Salomon理论提出后，20多年没有什么重要进展，直到50年代后期，高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开始展开。美国、日本、法国、苏联、英国和澳大利亚等国才进行了一些高速切削的理论基础研究。由于当时还没有高速加工的机床，不能进行很高速度的切削加工实验，于是采用了弹射实验方法。这些实验有的是通过弹射快速滑动带动的刀具经过工件进行切削加工，有的是弹射工件

40、使它经过静止的刀具切削刃进行切削。美国洛克希德（Lockheed）飞机公司R.L.Vanghn研究小组于19581960年进行了高速切削加工的切削力、切削温度、刀具磨损、切削振动和切屑形成机理等实验研究。切削实验的工件材料有AISI4340（40CrNiMoA）钢、Ti-6Al-4A钛合金、镍基高温合金和铝合金等。刀具材料包括高速钢、硬质合金与史特莱合金（Stellite），切削速度457073000m/min，切削深度0.1271.10mm。这些研究表明：高速切削加工时，切屑形状与普通切削条件下不同，随着切削速度提高，逐渐形成不连续的切屑，切屑是由于脆性断裂而形成的。在低速切削时，切削力随切

41、削速度提高而增大，但当切削速度大到一定程度后，切削力会下降。大量研究结果还表明，高速切削加工可以通过使用能承受工件材料熔点以上温度的刀具材料来实现。提高切削速度可以改善加工表面质量。高速切削加工铝合金是可行的，刀具磨损小；但高速切削加工AISI4340钢，刀具磨损严重。只要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动，可以大大提高生产效率，显著降低生产成本。19471960年苏联V.D.Kuznetsov进行了高速切削加工铝和杜拉明（Duralumin，一种材料）的切削力、切屑变形、切屑硬度和加工硬化层深度的实验研究。切削速度600042000m/min。研究结果表明，用6000m/min切削速

42、度切削加工铝和杜拉明是实际可行的。日本田中义信（Yoshinobu Tanaka）等人对高速切削加工进行了比较系统的实验研究，主要包括切屑形成机理、切削力、加工表面质理、切削温度和刀具磨损等，工件材料为铝、黄铜、软钢，刀具材料为高速钢、陶瓷与硬质合金，切削速度100045000m/min。研究结果表明，高速切削加工所形成的切屑形状、刀具磨损和加工表面质量有显著特点，随切削速度提高，剪切角增加，刀屑接触长度减少，切削力降低，改善切削加工性能和表面质理，但刀具磨损加速。在切削速度100010000m/min范围内加工铝、黄铜和软钢时没有出现Salomon理论中的“死区”。1964年，法国机床研究中

43、心、法国机械研究中心和Forest-Line公司对钢和铸铁进行了高速切削加工实验。实验证明，铸铁的高速切削加工是可行的，但钢件的高速切削加工比较困难，主要是当时没有适合于高速切削加工钢件的刀具材料。（）高速切削加工应用基础研究探索阶段（19721978年）美国洛克希德导弹与空间公司R.L.King研究小组对铝合金和镍铝青铜合金进行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于实际生产的可行性。铣削实验研究表明，高速切削加工可以大幅度降低加工时间，而且由于切削力减小，可以提高加工零件的精度。因此，在生产环境中应用高速切削加工是经济可行的。该研究在实验和生产领域都取得了积极的进展。该公司为高速切削加

44、工实验研究，改装成功一台数控铣削加工中心和一台数控立式六角车床。前者主轴转速可连续调整为18000r/min，30000r/min与100000r/min，工作台进给速度为4.93m/min;后者附加有一个14.7kW（20HP）、转速为6000r/min的铣头，最高切削速度可达3660m/min。在这期间，美国还为该公司研制一台带磨头附件的数控高速铣床，功率为18.4kW（25HP），其主轴转速可在180018000r/min之间无级调速，进给速度达7.6m/min。采用新设计的喷雾系统冷却主轴精密轴承。在这一阶段，还有美国、德国、澳大利亚和印度等国家的学者继续研究用高速钢、硬质合金刀具切削

45、加工铝合金和碳钢的切屑形成机理、切削力和切削温度等。1977年美国用切削速度高达1800m/min的铣床进行高速切削加工实验研究，证实了弹射高速切削加工实验的结果和理论分析结论。在这一期间的实验研究还发现高速切削加工时产生的热量大部分被切屑所带走。在1978年CIRP年会上美国Cincinati金属切削组发表一篇“高速切削的可能性和需要”的主题报告，该文公布了19711978年间高速车、铣切削加工研究和生产数据，其中一部分来自参考文献，一部分来自于对CIRP会员的问卷调查，包括工厂企业和研究单位实验室。调查报告表明：生产上应用切削速度305915m/min切削加工铸铁和钢；6103660m/m

46、in切削加工铝合金是可行的，但要加强研究开发刀具材料和具有快速装卸工件与更换刀具的高速加工机床。（3）高速切削加工应用研究阶段（19791989年）1979年美国国防高级研究工程局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）开始一项为期4年的现代加工技术研究计划。该计划对高速切削加工基础理论、高速切削加工刀具技术、高速切削加工工艺、激光辅助加工以及经济可行性等进行了全面系统的研究。主要研究高速车削和铣削。工件材料包括钢、铸铁及铝、铜、铅与其合金和镍基合金等。刀具材料有碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷刀具和立方氮化硼等。切削速度在改装机床上

47、达7600m/min和弹射装置上达73000m/min。该项研究统一了在此前研究中主要争论的问题。该研究结果明确指出：随切削速度提高，切削力降低，切削温度升高至工件材料熔点而没有出现降低情况，改善加工表面粗糙度但要注意加工中的振动；除加工铝合金外，高速切削加工钢、铁及其合金、镍基合金等，刀具均发生严重重损，寿命降低；Merchant剪切角方程可用于估算高速切削加工中切屑形成的剪切角。研究还指出，高速切削加工是经济可行的，等等。19791983年在德国政府研究技术部（Ministry of Research and Technology）资助下，由Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（

48、PTW）舒尔茨（Schulz H.）教授领导的研究组开展了一项合作研究，主要研究高速铣削加工过程的特点。1981年研制由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，进行了高速铣削铝合金实验研究，并于19841988年间全面深入系统研究了高速铣削铁族和非铁族材料的基础理论、高速切削刀具和机床技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获得许多有重要价值的成果。这一阶段对高速切削加工理论和技术的卓有成效的研究为该项技术的发展和应用奠定了重要的基础。（4）高速切削加工技术发展和应用阶段（1990年至21世纪初）高速切削加工技术经过半个多世纪的理论和应用研究与探索，人们清楚地认识到它在制造业的市场

49、竞争日益剧烈中的巨大潜力。进入20世纪90年代以后，各工业发达国家陆续投入到高速切削加工技术的研究、开发与应用中来，尤其是高速切削机床和刀具技术的研究、开发，与之相关的技术也得到迅速发展。1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕。新型电主轴高速切削加工中心不断投入到国际市场。高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高速切削加工技术已从理论研究进入工业应用阶段。高速切削加工技术的发展促进了机床高速化，大大推动了现代数控加工技术的发展。1996年芝加哥国际制造技术展览会（IMTS 96）中最主要的技术话题就是机床高速化。1998年4月由美国切削刀具研究所和欧洲切

50、削刀具联合会举办的第一届世界金属加工刀具制造会议上，与会者作了高速切削的专题报告。在1998年度芝加哥国际制造技术展览会（IMTS 98）上，新增加了高速切削中的刀具、刀具夹持系统分会。1999年美国国家科学基金会设计与制造学科学资助者会议上，高速切削加工技术被列入重要会议议题。机床高速化的趋势日益显得突出。2001年北京国际机床展览会（CIMT 2001）上机床最高主轴转速从上届（1999年）800012000r/min普遍提高到1500020000r/min。现在加工中心主轴转速一般为1500030000r/min，快速进给速度为3060m/min，换刀时间为35s。齿轮机床的主轴最高转速

51、也已提高到900012000r/min。目前已有主轴最高转速达150000r/min，换刀时间为（0.71.5）s的加工中心。最近十多年来，高速切削加工理论基础研究进一步深入，取得新的进展，主要是锯齿状切屑的形成机理，高速切削加工钛合金时的切屑形成机理，机床结构动态特性及切削颤振的避免，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配，进一步证实大部分切削热被切屑带走。切削温度的实验研究表明：现有的刀具材料高速切削加工时，不论是连续或断续切削均未出现Salomon理论中的“死区”。在这一阶段，高速硬切削加工得到进一步研究、发展和应用

52、。与磨削加工比较，它有很多优越性，在替代磨削加工方面具有很大潜力。高速干切削加工日益受到重视，它对保护环境，减少消耗，降低成本具有重大作用。研究表明，高速干切削加工铸铁、钢、铝合金，甚至超级合金和钛都是可能的，但要根据工件材料特性，合理设计切削条件。现在在工业发达国家，高速切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业中。约有（3050）%的模具公司，用高速切削加工技术，加工放电加工（EDM）电极、淬硬模具型腔等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切

53、除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90%，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。目前生产中高速切削加工技术水平大致情况是：粗精加工铝合金的切削速度为10004000m/min，最高达50007500m/min，主要受限于机床主轴最高转速和功率。铸铁可高速精和半精加工，速度为5001500m/min，精铣灰铸铁最高可达2000m/min；切钢可用300800m/min的速度高速精加工；淬硬钢（HRC 45-65）高速精加工，切削速度为100500m/min；钢铁及其合金的最高切削速度主要受刀

54、具寿命限制。铝合金钻孔速度为200300m/min；模数1.5的钢齿轮的滚齿加工速度可达300600m/min；可锻铸铁螺纹(M141.5)的攻丝速度为60m/min。8.2 国内高速切削加工的研究和应用我国高速切削加工技术研究起步较晚，20世纪80年代，山东大学（原山东工业大学）切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了Al2O3基陶瓷高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗碳淬硬齿轮钢等，硬度HRC（5065），切削速度为100500m/min，建立了有关切削力、切削温度

55、模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。该研究成果1986年在生产中推广应用至今。20世纪90年代后，先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具、PCBN刀具和陶瓷刀具高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度等。沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理；天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理；上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律；广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统；东北大学研究了高速磨削技术；成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化，沈阳理工大学（原为沈阳工业学院）研制成

56、功了高速立式铣床和高速锯床，并在其上做了很多试验。尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。“九五”期间我国高速、高效、高精度数控机床技术指标有了大幅度的提高，加工中心主轴转速普遍提高到8000r/min，最高可达12000r/min，数控车床提高到40006000min，快速进给速度提高到30m/min，最高达40m/min，加工中心换刀时间减少到1.53s。目前主要差距在于机床关键功能部件的研究开发落后于市场需求，如转速20000r/min以上

57、的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的高速加工中心基本上还是依赖进口，并已从国外引进了相当数量的高速加工中心。我国高速切削刀具材料也有了很大的发展，但还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，20世纪80年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有90年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。采用聚晶立方氮化硼（PCBN）、Si3N4基陶

58、瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用聚晶金刚石（PCD）、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件，铣削速度达2200m/min，钻、铰削速度达80240m/min；采用Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/min；采用Co粉末冶金高速钢（表面TiCN涂层）整体拉刀、滚刀、剃齿刀以及硬质合金机夹专用拉刀加工各种精锻钢件、铸铁件、拉削速度达1025m/min，滚齿速度达110m/min，剃齿速度达170m/min，大大提高了生产效率和加工精度。近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造待业引进了大量加工中心和数控镗

59、铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精铣采用主轴转速18000r/min，切削深度2mm，进给速度5m/min；精铣采用20000r/min，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工周期为6h，质量完全满足客户要求。原制造工艺包括手工铲刮和手工抛光，制造周期60h，仍无法满足客户要求。该厂在轮胎模具的加工中，需要加工一种型芯，工件材料为可加工塑料，外形类似于一个汽车轮胎，上面刻满了各种轮胎花纹。传统方法加工时，需经历十几道工序，全部用手工完成，一般的轮胎花纹加工，需14天左右，而对复杂的轮胎花纹，需加工20天以上，质量仍无法达到设计要求。现采用高速铣削加工，主轴转速为18000r/min，切削深度2mm，进给速度10m/min，加工时间24h，型芯质量满足加工要求。虽然在我国，高速切削加工技术的研究和应用仍处于初步阶段，正在发展和推广之中，但作为面向21世纪的一种先进制造技术，有着非常强大的生命力和广阔的应用前景。