超高速切削及其对机床、刀具的要求

超高速切削技术是近年来发展起来的集高效、优质和低耗为一身的先进制造技术。它借助于自身独特的加工机理和技术特点，具有极高的加工效率、极高的加工质量。很低的加工成本以及拓宽的应用范围等一系列的优越性，使切削技术发生了彻底的改革性进步。

1 超高速切削加工的主要特点

超高速切削加工不仅可大幅度缩短加工时间，提高加工效率，降低加工成本，而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。超高速切削加工具有以下主要特点：

工件热变形减少 在超高速切削加工中，由于切屑在极短时间内被切除，切削热绝大部分被切屑带走，因而工件温度并不高，不仅受热变形的可能性减小，而且可避免热应力、热裂纹等表面缺陷。有利于保证零件的尺寸、形位精度 在超高速切削加工中，单位切削力由于切削层材料软化减少，从而减少零件加工的变形，这对于加工薄壁类刚性差的零件特别有利。

可获得较好的加工表面质量 超高速切削加工可减小表面硬化层深度，减小表面层残余应力及表面层微观组织的热损伤，从而减少零件表面层材质的机械、物理及化学性质产生变化的可能性，保证已加工表面的内在质量，确保零件的使用性。粗精加工工序复合加工，几乎不需要在加工后消除内应力，例如模具表面的超高速硬铣削，可以部分取代电火花成形加工。

工艺系统振动减小 在超高速切削加工中由于机床主轴转速很高，激振频率远离机床固有频率，因而使工艺系统振动减小，提高了加工质量。

显著提高材料切除率 在提高切削速度的同时可提高进给速度，从而显著提高材料切除率。例如超高速铣削，当保持切削厚度不变 ( 每齿进给量和切深不变 ) ，进给速度比常规铣削可提高 5 ～ 10 倍，从而达到很高的材料切除率。超高速铣削已广泛用于汽车工业、航空航天工业和模具制造业，加工铝、镁等轻金属合金、钢材及铸铁。例如汽车发动机缸体、缸盖、减速器壳体，飞机的整体铝合金薄壁零件，淬硬模具钢以及镍基会金、钛合金等难加工材料。提高材料切除率的策略已由强力而缓慢转向快速而轻便，机床由强力型 ( 提高力学特性参数 ) 转向高速型 ( 提高速度特性参数 ) 。

2 超高速切削加工对机床系统的主要要求

高速切削机床是实现高速及超高速切削的必要条件之一。超高速切削对机床的主要要求如下：

有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统 主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电机来实现，并使电机和机床主轴合二为一，构成所谓的电主轴。由于电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并且避免振动与噪声，因而是高速主轴单元的理想结构。

高速主轴单元的核心是高速精密轴承。高速主轴可采用的轴承包括空气轴承、静压轴承、动压轴承、滚动轴承和磁浮轴承。目前空气轴承受到切削载荷较小及较小过载能力的限制，静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而使转速受限，故这两种轴承应用有限。动静压混合轴承采用流体动力和流体静力有机结合的方法，使主轴在油膜支撑中旋转，具有径向和轴向跳动精度高、刚度好、阻尼特性好、粗精加工均适用、轴承寿命无限长等优点，受到 Ingersoll 公司的大力推崇。

经多年努力现已研究开发成功了两种适宜超高速运转的新型轴承——陶瓷滚动轴承和磁浮轴承。

在高速转动条件下，滚动轴承中滚动体的离心力和陀螺力短将急剧增大。为了减少滚珠离心力，一般采取两个措施：①减小滚珠直径。②采用氯化硅陶瓷材料做滚珠 (Si3N4) 。用这种材料做成的陶瓷轴承具有高速、高刚度、低温升、长寿命的优点，是使用广泛而经济的高速轴承。目前在高速机床主轴上主要采用混合陶瓷球轴承 ( 氯化硅滚珠与钢制轨道 ) ，滚道可进行涂层或其他表面处理。

磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触悬浮起来的新型智能化轴承，高速性能好、精度高、易实现实时诊断和在线控制，是高速加工机床主轴理想的支承元件，相继被许多国家用于高速加工机床上。

另外还要合理地选择润滑方式。主轴承润滑为高速主轴转速的提高起着重要作用。特别是滚动轴承，采用油空气润滑或喷油润滑是不可避免的课题。采用油空气润滑后，轴承的 dn 值将比脂润滑提高 30% ～ 50% 。喷油润滑的轴承极限转速可达 (2.3 ～ 2.5) × 106r/min 。

有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件 超高速机床是精密的数控机床。在进行超高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。目前，高速加工中心和 NC 铣床工作台的进给量 ( 进给速度 ) 已达到 20 ～ 30m/min ，快速空程速度高达 40 ～ 60m/min ，加速度达 25m/s2 ，因而对进给部件的动态特性提出了非常高的要求。主要措施有：①大幅度减轻移动部件的重量。②采用多线螺纹行星滚柱丝杠代替目前的滚珠丝杠。国外生产的某些高速加工中心 ( 例如法国 Ex-cell-O 公司的 XHC － 240 型卧式加工中心 ) ，已在其 X 、 Y 、 Z 三个坐标方向采用了直线伺服电机，省去了滚动丝杜等中间传动环节，把机床的进给传动系统缩至最短。这种直接传动的最大优点是可得到很高的瞬时加 ( 减 ) 速度，系统动态响应快，从而可大大提高工作台进结和快速行程速度 ( 高达 60 ～ 80m/min) ，提高定位精度 (0.004mm) ，并可减少插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。当用 20m/min 的进给速度铣削圆孔时，其形状误差＜ 0.004mm 。③采用快速反应的伺服控制系统。

大流量喷射冷却系统 在超高速切削时，单位时间内将产生大量的热切屑，必须把它迅速从工作台清除，以免妨碍高速切削的正常进行，避免产生机床、刀具和工件的热变形。解决这个问题的主要方法是：①开发新型的高压喷射装置，把压力为 7MPa 、流量为 60L/min 左右的高压切削液射向机床的切削部位。②以“瀑布”方式将大量切削液从机床顶部淋向机床工作台，把大量的热切屑立即冲离工作台，始终保持工作台面的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证加工精度。③用防护罩把切削区完全封闭起来，以防止切屑和切削液到处飞溅，污染工作环境。在高速旋转的刀具周围，用足够厚的优质钢板和防弹玻璃做安全罩和观察窗，以确保人身和设备的安全。 #p#分页标题#e#

有一个“三刚” ( 静刚度、动刚度、热刚度 ) 特性都很好的机床支承元件 如用聚合物混凝土 (polymer concrete) ，即所谓的“人造花岗岩”制成的超高速机床的床身或立柱，其阻尼特性比铸铁高 7 ～ 10 倍，而密度只有铸铁的 1/3 。提高机床刚性的一个措施是改革床体结构，例如美国 Giddings & Lewis 公司在其 RAM 高速加工中心的设计上，大胆地将立柱和底座合为一整体。

据 Ingersoll 公司称，高速加工对支承固有频率的要求比常规机床高出 3 倍以上。该公司推出的 HVM800 卧式加工中心的床身采用钢板焊接件，其内腔充满阻尼材料。

3 超高速切削加工刀具

高速切削刀具是实现高速切削及超高速切削的必要条件之二，同时它也是实现高速及超高速切削的重要条件。刀具材料的突破 由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔 10 年几乎提高一倍。高速和超高速加工正是基于这一重要前提，对刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐热性 ( 红硬性 ) 好，又要求韧性好、耐冲击。近 30 年来，刀具材料所取得的突破，使得这一难题得到了很好的解决：①随着增强陶瓷刀具和涂层技术的应用，大大提高了刀具的硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体。②聚晶立方氮化硼刀片 (PCBN) ，硬度达 3500 ～ 4500HV ，已成为高速切削淬硬钢的首选刀具。③同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石 (PCD) 刀片，硬度可达 6000 ～ 10 000HV ，已应用于车刀、铣刀、钻头等，进入了高速切削有色金属领域，有时也应用于切削黑色金属。

高速加工用的刀具材料，必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷、金属陶瓷及 PCBN 刀具等，适用于对钢、铁等黑色金属的高速加工； PCD 和 CVD 等刀具材料，适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工。

刀具的结构 采用物美价廉的硬质合金、金属陶瓷、涂层材料制造的可转让刀片和整体刀具，并用集成平衡装置和相应结构对付离心力使刀具产生的高应力。

PCBN 和 PCD 均是先制成 0.5 ～ 1mm 的薄片，然后烧结在硬质合金基体上，达到兼有高硬度和高韧性的目的，同时也节约了成本。刀刃形状 刀具切削刃形状对加工质量也有很大影响。例如金刚石刀具切削刃有适当结晶方位时，能极大地改善刀具寿命和加工表面的粗糙度等。刀具的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。随着新型刀具材料和超硬磨料磨具的实用化以及机床技术的进步，切削加工的高参数化是永无止境的。目前及今后一段时间，高速化仍将具有明显优势。

4 结束语