2.1　超高速切削技術

2.1.1　超高速切削技術的內涵

超高速切削的理論是由德國人Carl Salmon博士于1931年4月率先提出來的，圖2-1所示的Carl Salmon曲線表明，當切削速度超過某一閾值后，切削條件會得到很大改善，但受實驗條件所限，當時未能付諸實施。近幾年來，隨著高強度、高熔點刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼和金剛石薄膜作為涂層）的廣泛應用，使刀具能夠使用的切削速度提高了10～100倍，因而超高速切削成為現實，超高速切削加工技術也逐步發展起來。

實踐證明，當切削速度提高10倍、進給速度提高20倍，遠遠超越傳統的切削“禁區”（圖2-1中的不可切削區）后，切削機理發生了根本的變化。其顯著標志是使被加工塑性金屬材料在切除過程中的剪切滑移速度達到或超過某一閾值，開始趨向最佳切除條件，因而被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具磨具磨損、加工表面質量等均明顯優于傳統切削速度下的指標，加工效率大大高于傳統切削速度下的加工效率。其結果是單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的使用壽命提高了70%，留于工件的切削熱量大幅度降低，切削振動幾乎消失。切削加工發生了本質性的飛躍，一系列在常規切削加工中備受困擾的問題得到了解決。可以說，超高速切削技術是21世紀切削加工領域的重大技術課題之一，是切削加工領域新的里程碑，應用前景十分廣闊。

目前世界各國對超高速切削技術還沒有統一的定義。一般認為超高速切削技術是指采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地實現高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，以極大地提高切削速度（比常規高10倍左右）來達到提高材料切除率、加工精度和加工質量的一種集高效、優質和低耗于一身的現代制造工藝技術。

實際上，超高速切削中的“超高速”是一個相對概念，不能簡單地用某一具體切削速度或主軸轉速數值來定義。加工方法、工件材料和刀具材料不同，超高速切削時應用的切削速度也各不相同。德國Darmstadt工業大學通過研究，給出了常用材料的超高速切削加工的速度范圍，見表2-1。

對應不同的加工工藝方法，超高速切削的切削速度范圍分別為：車削，700～7000m/min；銑削，300～6000m/min；鉆削，200～1100m/min；磨削，高于150m/s。

2.1.2　超高速切削技術的特點

在切削速度方面，超高速切削比常規切削的切削速度幾乎高出了一個數量級；在切削原理上，突破了對傳統切削的認識。由于切削機理的改變，使超高速切削表現出了以下幾個主要特點。

1.加工效率高

超高速切削加工約為傳統切削加工切削速度的10倍，進給速度隨切削速度的提高也可相應提高5～10倍。這樣，單位時間材料切除率可提高3～6倍，因而零件加工時間通常可縮減到原來的1/3。從而提高了加工效率和設備利用率，縮短生產周期。

2.切削力小

與傳統切削加工相比，超高速切削加工的切削力至少可降低30%。這對于加工那些剛度較差的零件（如細長軸、薄壁件）來說，可減少加工變形、提高零件的加工精度。同時，采用超高速切削后，單位功率材料切除率可提高40%以上，有利于延長刀具使用壽命。統計表明，超高速切削刀具壽命可提高約70%。

3.熱變形小

超高速切削加工過程極為迅速，95%以上的切削熱被切屑迅速帶走而來不及傳給零件；因而零件不會由于溫升導致彎翹或膨脹變形。因此超高速切削特別適合于加工那些容易發生熱變形的零件。

4.加工精度高、表面質量好

由于超高速切削加工的切削力和切削熱降低，使刀具和零件的變形減小，零件表面的殘余應力下降，從而容易保證工件的尺寸精度。同時，由于切屑被飛快地切離零件，可以使零件達到較好的表面質量。

5.加工過程穩定

由于高速旋轉刀具切削加工時的激振頻率已經遠遠高出了工藝系統的固有頻率，不會造成工藝系統振動，因而超高速切削加工過程平穩，有利于提高加工精度和表面質量。

6.能加工各種難加工材料

例如在航空和動力部門大量采用鎳基合金和鈦合金。由于這類材料強度大、硬度高、耐沖擊、加工中容易硬化、切削溫度高、刀具磨損嚴重，在普通加工中都采用很低的切削速度。現在采用超高速切削，其切削速度為常規切削速度的10倍左右，不僅大幅度提高生產率，而且可有效地減少刀具磨損。

7.降低加工成本

超高速切削時，單位時間的金屬切除率高、能耗低、工件加工時間短，從而有效地提高了能源和設備利用率，降低了生產成本。

2.1.3　超高速切削技術的應用

20世紀80年代以來，航空工業和模具工業的快速發展，大大推動了超高速切削技術的發展。據統計，美國和日本有大約30%的公司已經使用了超高速加工技術；在德國，這一比率已經超過了40%。超高速切削技術是未來切削加工的發展方向，目前已經廣泛應用于航空、航天、汽車、模具、機床等行業中的車、銑、鏜、鉆、拉、鉸、攻螺紋等加工方法，幾乎可以加工所有采用常規切削方法能加工的和很難加工的材料，產生了顯著的經濟效益，并不斷向其他應用領域拓展。

1.汽車工業領域

汽車工業是超高速切削加工技術的一個重要應用領域。為提高生產率，過去汽車、摩托車發動機的箱體、氣缸蓋等復雜零件多用剛性的組合機床流水線來加工。其缺點是缺乏柔性，不能適應技術的快速變化，這就產生了“高效率”和“高柔性”之間的矛盾。目前國外汽車工業以及國內的上海大眾、上海通用汽車公司，對于技術變化較快的汽車零件，如氣缸蓋的氣門數目及參數經常變化，為提高柔性，一律采用高速加工中心來加工。采用高速數控加工中心和其他高速數控機床組成的高速柔性生產線，既能滿足產品不斷更新換代的要求（高柔性），又有接近于組合機床剛性自動線的生產率（高效率），較好地解決了這一矛盾。

又如Ford汽車公司和Ingersoll機床公司合作，歷經多年努力，研制出了HVM800型臥式加工中心，采用了高速電主軸和直線電機，使主軸最高轉速達到了20000r/min，工作臺最大進給速度提高到76.2m/min。用這種高速加工中心組成的柔性生產線加工汽車發動機零件，其生產率與組合機床自動線相當，但建線投入減少了40%，生產準備時間也少得多。主要的工作就是編制軟件，而不是大量制造夾具。

另外，汽車發動機零件也常用鎳基高溫合金（Inconel 718）和鈦合金（Ti-6Al-4V）來制造。這些材料用常規工藝方法加工非常困難，過去只能采用極低的切削速度。現在采用高速加工，就可大幅度提高生產率、減小刀具磨損、提高零件的表面質量。

2.模具工業領域

以前，對于淬硬模具的傳統加工方法主要局限在各種電加工工藝方法之內，但其加工效率很低。現在可以實現淬火硬度達到60HRC（某些情況下可達70HRC）的淬硬模具的切削加工，表面粗糙度數值可達Ra0.6以下。而且，采用高速硬切削新工藝后，模具的加工時間僅為電加工的25%左右，加工費用可節省50%以上，技術經濟效果顯著。

用高速銑削代替電加工是加快模具開發速度、提高模具制造質量的一條嶄新的途徑。用高速銑削加工模具，不僅可用高轉速、大進給，而且粗、精加工一次完成，極大地提高了模具的生產率。表2-2為某型模具采用電火花放電加工與高速銑削加工的效果對比。

通常情況下，模具的切削加工不僅包括粗加工、半精加工和精加工，還包括手工拋光。其中手工拋光占模具制造周期的1/3，而且勞動強度大、質量不穩定。充分發揮超高速切削技術的優勢，以極高的切削速度和進給速度，較小的走刀次數和背吃刀量進行切削加工，可以獲得良好的加工精度和表面質量，減少模具手工拋光工作量的60%～100%，能夠大幅度縮短模具開發周期。

3.航空、航天工業領域

超高速切削首先用在航空、航天工業輕合金的加工。為了減輕重量，很多零部件都采用了鋁合金、鋁鈦合金或纖維增強塑料等輕質材料。這些材料采用常規方法切削加工時，切削速度和生產率很低。采用高速切削后，切削速度達到了100～1000m/min，不僅大幅度提高生產率，還能有效減少刀具磨損，提高工件表面的加工質量。因此，飛機制造業是最早采用高速銑削的行業。

另外，飛機上的很多零件都采用“整體制造法”，即在整體上“掏空”加工以形成多筋、薄壁的復雜構件，材料切除率可達85%，采用常規加工方法幾乎不可能完成。圖2-2所示的鋁制螺旋片，壁厚最薄處只有0.05mm，壁高20mm，采用常規的加工方法不可能完成。美國在采用超高速切削技術后，鋁合金的切削速度已達1500～5500m/min，最高可達7500m/min；材料切除率高達100～180cm³/min，是常規加工的數倍以上，在保證加工質量的前提下，還可大大縮短切削工時。

2.1.4　超高速切削加工的關鍵技術

超高速切削加工是一項復雜的系統工程，能否順利實現有賴于機床、刀具等一系列關鍵技術。

1.超高速切削機床

國外超高速切削機床技術發展很快，國內通過引進并消化吸收和國際合作，高速加工機床和加工中心技術也得到了快速發展，在性能參數上大大縮短了與發達國家之間的差距。表2-3所示為超高速切削機床的基本要求。表2-4列舉了國內、外幾種具有代表性的高速機床或加工中心型號及其主要技術參數。

切削機床的超高速化是實現超高速切削的首要條件。其與超高速切削技術密切相關的技術主要包括以下幾個方面。

（1）超高速主軸單元

為了獲得良好的快速響應（良好的加速度、減速度）和高轉速，必須最大限度地減小旋轉部件的轉動慣量。采取的措施是去掉電動機和執行機構間的一切中間傳動環節，使機床主軸的機械結構大為簡化；同時電機和機床主軸合二為一，構成了所謂的“電主軸單元”。在高速主軸部件上采用了高速精密軸承，主要有陶瓷軸承、磁懸浮軸承和空氣軸承等；超高速加工機床電主軸采用了大功率、寬調速交流變頻電動機直接驅動；在結構設計上保證主軸單元具有良好的動剛度、抗振性、熱特性和良好的動平衡性能；配有高效冷卻與潤滑系統；采用了先進的控制技術。

（2）快速進給系統

超高速機床不但要求主軸有很高的轉速和功率，同時也要求機床工作臺有與之相適應的進給速度和運動加速度。也就是說，要求進給系統能瞬時達到高速、瞬時停止，還要具有很高的定位精度。其采用的主要技術措施是大幅度減輕移動部件重量，以及采用新開發的多頭螺紋行星滾珠絲杠，或采用直線電機，省去了中間傳動件。

（3）支承及輔助單元制造技術

實踐證明，超高速機床運轉時，鑄鐵材料已不適合作為支承基礎，必須改用人造花崗巖來制作機床基礎支承件。這種材料是用大小不等的石英巖顆粒作填料，用熱固性樹脂做黏結劑，在模型中澆鑄后通過聚合反應成型，并采用預埋金屬構件的方法，形成導軌和連接面；材料的阻尼特性為鑄鐵的7～10倍，密度卻只有鑄鐵的1/3。

超高速切削對機床夾具的要求是高剛度、高精度動平衡、輕量化、高效自動化和柔性化。

2.超高速切削對刀具材料和刀柄的要求

超高速切削加工除了要求刀具材料具備普通刀具材料的那些基本性能之外，還要求具備以下性能：①可靠性；②高耐熱性和抗熱沖擊性；③良好的高溫力學性能；④能適應難加工材料和新型加工材料的需要。

目前適合于超高速切削加工的刀具材料，主要有涂層刀具、金屬陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金剛石刀具等幾種。

另外，超高速切削對刀柄也有很高要求。目前超高速加工機床上普遍采用是日本的BIG-PLUS刀柄系統（圖2-3）和德國的HSK刀柄系統（圖2-4）。