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題，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(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。同時高速切削所用的cnc機床，車、銑、鉆等刀具，cad/cam軟件等技術(shù)含量高，價格昂貴，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。
j9C=m"O 一、高速切削的原始定義
S8j;oJ2 d 1931年，德國切削物理學家薩洛蒙(carl.j.salomon)博士提出了一個假設(shè)，即同年申請了德國專利(machine with high cutting speeds)的所羅門原理：被加工材料都有一個臨界切削速度v0，在切削速度達到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當切削速度達到普通切削速度的5～6倍時，切削刃口的溫度開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，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，但進給速度低，切削力大。實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，而后急劇下降，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快，兩者的機理也不同。
&rj6<b1A 二、現(xiàn)代高速切削技術(shù)的概念
}]sI?&xB 所羅門原理出發(fā)點是用傳統(tǒng)刀具進行高速度切削，從而提高生產(chǎn)率。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學研究所證實。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)代科學技術(shù)的角度去確切定義高速切削，目前還沒有取得一致，因為它是一個相對概念，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。
/1 ++ 8= 事實上，高速切削技術(shù)是一個非常龐大而復雜的系統(tǒng)工程，它涵蓋了機床材料的研究及選用技術(shù)，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(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)計和制造技術(shù)，高效高精度測試測量技術(shù)，高速切削機理，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、機床、刀具和工藝等技術(shù)的完美組合。
tF)K$!GR[ 三、高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點
bTC2Ya 自所羅門原理申請專利以來，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70年代后，各工業(yè)發(fā)達國家相繼投入大量的人力、物力、財力研究開發(fā)高速切削技術(shù)及相關(guān)技術(shù)，發(fā)展日新月異，德國、美國、瑞典、瑞士、英國和日本等制造強國走在了世界前列。近幾年，隨著科學技術(shù)的突飛猛進和經(jīng)濟發(fā)展的強大推動，高速切削機床、刀具技術(shù)和相關(guān)技術(shù)迅速進步，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、模具和機床等行業(yè)中，各種切削方式、各種材料幾乎無所不能，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，進給速度大，為傳統(tǒng)的5～10倍。其優(yōu)點在于：
"hz(A.THi 加工時間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍。
HC
w $v# 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，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質(zhì)量。
v}dt**l L]0+ u\( 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。
4@#1G* OO 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，機床激振頻率遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。
wbI(o4rXE 高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走，可進行高速干切削，不用冷卻液，減少了對環(huán)境的污染，能實現(xiàn)綠色加工。
Y%qhgzz?/ 可完成高硬度材料和硬度高達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。
>rlQ Y>5pH 四、高速切削系統(tǒng)
LXIlrZ9D5 高速切削系統(tǒng)主要由高速切削cnc機床、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。
Mr:*l`b_ 高速切削cnc機床
|w[}\#2 (1) 高穩(wěn)定性的機床支撐部件 高速切削機床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機床都采用高質(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，不但保證機床精度穩(wěn)定，也防止切削時刀具振顫；采用封閉式床身設(shè)計，整體鑄造床身，對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強筋，如德國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bridgeport公司的vmc系列立式加工中心，日本日立精機vs系列高速加工中心，使機床獲得了在靜態(tài)和動態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機床公司的研發(fā)部門在設(shè)計過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計算，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
"Ks% ! (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)，也是高速切削機床最重要的部件。要求動平衡性很高，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，帶有準確的測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。通常采用主軸電機一體化的電主軸部件，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，電機大多采用感應(yīng)式集成主軸電動機。而隨著技術(shù)的進步，新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機，該電機能更高效，大功率地傳遞扭矩，且傳遞扭矩大。易于對使用中產(chǎn)生的溫升進行在線控制，且冷卻簡單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動機體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，所以大有取代感應(yīng)式集成主軸電動機之勢。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、靜壓軸承以及空氣軸承。潤滑多采用油-氣潤滑、噴射潤滑等技術(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。
(]j*)~=V (3) 高精度快速進給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度、高進給率和小切削量的組合，進給速度為傳統(tǒng)的5～10倍。這就要求機床進給系統(tǒng)很高的進給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進給率不小于60m/min，程序可編輯進給率小于40m/min，軸向正逆向加速大于10m/s2(1g)。機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠。隨著電機技術(shù)的發(fā)展，先進的直線電動機已經(jīng)問世，并成功應(yīng)用于cnc機床。先進的直線電動機驅(qū)動使cnc機床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動等問題，加快了伺服響應(yīng)速度，提高了伺服控制精度和機床加工精度。不僅能使機床在f=60m/min以上進給速度下進行高速加工，而且快速移動速度達f=120m/min，加速度達2g，提高了零件的加工精度。但直線電動機在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問題，有待改進。
S6 }_Z (4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機床的主軸、滾珠絲杠 、導軌等產(chǎn)生大量的熱，如不進行有效的冷卻，將會嚴重影響機床的精度。大多采用強力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動機、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動機、液壓油箱等。yamazen公司將壓力為6.8mpa的冷卻液通過主軸中心孔，對機床主軸、刀具和工件進行冷卻。日本日立精機公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液，達到冷卻絲杠穩(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的導軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)，能進行自動潤滑及不需專用設(shè)備等特點。日立精機機床公司vs系列cnc高速銑就采用此潤滑脂，具有良好的使用及經(jīng)濟效果。
93fKv (5) 高性能cnc控制系統(tǒng) 高速切削加工要求cnc控制系統(tǒng)有快速處理數(shù)據(jù)的能力，來保證高速加工時的插補精度。一般要求程序段傳送速率 1.6～20ms，rs232系列數(shù)據(jù)接口 19.2 kbit/s(20ms)，ethernet數(shù)據(jù)傳送 200kbit/s(1.6ms)。 新一代的高性能cnc控制系統(tǒng)采用32位或64位cpu，程序段處理時間短至1.6ms。 近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為cnc機床加工中的主要通訊手段和控制工具，相信不久的將來，將形成一套先進的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，通訊將更快和更方便。大量的加工信息可通過網(wǎng)絡(luò)進行實時傳輸和交換，包括設(shè)計數(shù)據(jù)、圖形文件、工藝資料和加工狀態(tài)等，極大提高了生產(chǎn)率。但目前用得最多的還是利用網(wǎng)絡(luò)改善服務(wù)，給用戶提供技術(shù)支持等等。美國cincinati machine公司研制開發(fā)出了網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，用戶只要購買所需的軟件、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機和耳機等，即可上網(wǎng)，無需安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過網(wǎng)上交換多種信息，生產(chǎn)率得到了提高。日立精機機床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式cnc系統(tǒng)，能將機床cnc操作系統(tǒng)軟件和因特網(wǎng)連接，進行信息交換。
G/(oQA (6) 高安全性 機床安全門罩高速切削機床普遍采用全封閉式安全門罩，高強度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施，來保證機床操作者及機床周圍現(xiàn)場人員的安全，避免機床、刀具和工件等有關(guān)設(shè)施受到損傷。一些機床公司還在cnc系統(tǒng)中開發(fā)了機床智能識別功能，識別并避免可能引起重大事故的工況，保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
) ?'sw5C (7) 高精度、高速度的傳感檢測技術(shù) 這包括位置檢測、刀具狀態(tài)檢測、工件狀態(tài)檢測和機床工況監(jiān)測等技術(shù)。
Szi4M&!K 高性能的刀具
Y'/`
