高速切削加工技術(shù)

徐 磊 李 強(qiáng) 王 沖

（陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司，寶雞 721006）

用提高切削速度的辦法來(lái)提高生產(chǎn)效率，是機(jī)械加工行業(yè)一直努力的方向，同時(shí)也是高速加工技術(shù)得以誕生并不斷發(fā)展的原因。當(dāng)前，機(jī)械制造業(yè)為實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率，現(xiàn)代加工制造技術(shù)應(yīng)用得越來(lái)越廣泛和深入。

1 高速加工基礎(chǔ)理論

高速加工的理論基于德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出的Salomon曲線，如圖1所示，橫軸代表切削速度，縱軸代表切削溫度。圖形分三個(gè)區(qū)域，分別為常規(guī)切削區(qū)、不可用切削區(qū)、高速切削區(qū)。

圖1 Salomon曲線

由圖1可以看出，切削溫度在A區(qū)、B區(qū)前半部分隨切削速度增大而切削溫度增高，在B區(qū)后半?yún)^(qū)、C區(qū)切削溫度隨切削速度進(jìn)一步增大而降低。當(dāng)切削溫度達(dá)到m時(shí)，切削溫度過(guò)高不利于切削的繼續(xù)進(jìn)行，所以在V1、V2之間形成了不可用切削區(qū)域；當(dāng)切削速度大于V2時(shí)，切削溫度下降小于m，進(jìn)入高速切削區(qū)域，在高速切削區(qū)域內(nèi)可以得到更高的切削效率。當(dāng)切削溫度超過(guò)m時(shí)，進(jìn)入不可用切削區(qū)域，由于過(guò)高的切削溫度對(duì)刀具材料的紅硬性（高溫下仍保持足夠硬度的特性）要求顯著提高，從而使傳統(tǒng)的高速鋼刀具、普通硬質(zhì)合金鋼刀具在應(yīng)對(duì)更高的切削溫度時(shí)，顯得力不從心。而且，過(guò)高的切削溫度會(huì)對(duì)被加工材料產(chǎn)生不良影響，如損傷非耐高溫材料、改變材料組織狀態(tài)、影響零件尺寸精度，所以這一區(qū)域不可用于切削。

2 高速加工技術(shù)特點(diǎn)

高速加工的主要技術(shù)特點(diǎn)在于高轉(zhuǎn)速、較大的進(jìn)給速度、較小的切削深度，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是高速輕切削。采用輕切削主要是為了降低切削力、降低切削震動(dòng)，在高轉(zhuǎn)速的情況下得到小而一致的刀具彎曲應(yīng)力（對(duì)多刃刀具尤為重要），最大程度避免切削震動(dòng)的產(chǎn)生。高速加工設(shè)備與傳統(tǒng)加工設(shè)備相比負(fù)載能力相對(duì)較低，為保證高轉(zhuǎn)速要求，一般采用電主軸，也就是在機(jī)床主軸內(nèi)嵌入電機(jī)，將主軸和電機(jī)融為一體，從而把電機(jī)到主軸傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮減為零，從而減小傳動(dòng)震動(dòng)。

由于主軸內(nèi)嵌電機(jī)，主軸質(zhì)量分布集中，所以其有較好的高速動(dòng)平衡穩(wěn)定性，而且多采用復(fù)合陶瓷軸承或磁浮軸承，由此可以看出機(jī)床主軸對(duì)震動(dòng)的敏感性。較大的切削震動(dòng)會(huì)通過(guò)刀具傳遞到主軸，對(duì)高轉(zhuǎn)速下的機(jī)床主軸穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)不但會(huì)損傷主軸而且會(huì)造成人員傷害事故。另外，許多高速切削刀具使用高硬度材料，其材料本身較脆，過(guò)大的切削震動(dòng)也會(huì)損傷刀具。

3 高速加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)切削加工相比，高速加工效率更高。加工速度為傳統(tǒng)切削加工的3～6倍，加工時(shí)間顯著降低，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

相比傳統(tǒng)切削加工，高速加工的切削力小、零件變形小。在高速加工中，由于切削深度小，所以受切削力較低。同時(shí)，切削時(shí)零件產(chǎn)生的切削應(yīng)力較低，所以變形量較小，十分適合薄壁零件加工。

高速加工與傳統(tǒng)切削加工相比零件溫升低。在高速加工中，由于切削速度高，90%以上切削熱量來(lái)不及傳遞給零件，就已經(jīng)被與零件基體分離的切屑帶走，所以零件溫升較低。

高速加工與傳統(tǒng)切削加工相比，零件表面質(zhì)量高（粗糙度低）。由于加工速度高，加工平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量好，其粗糙度一般比傳統(tǒng)切削加工降低1～2個(gè)等級(jí)。

4 高速加工刀具

目前，國(guó)內(nèi)外用于高速切削的刀具材料主要有：TiC（N）基硬質(zhì)合金（也稱(chēng)金屬陶瓷）、陶瓷刀具、聚晶金剛石（PCD）和立方氮化硼（CBN）等。幾種刀具材料具有如下的對(duì)比關(guān)系（對(duì)比中未列入金剛石刀具的對(duì)比，主要原因是一般難加工材料主要為高硬度鋼件、鑄鐵件或溫合金材料，而金剛石由于鐵碳親和性不適合加工這類(lèi)材料）。

從加工工件的硬度進(jìn)行對(duì)比：立方氮化硼刀具（加工硬度在HRC50以上）＞陶瓷刀具（加工硬度在HRC40～55）＞金屬陶瓷刀具（加工硬度在HRC45以下）。

從不同刀具加工硬質(zhì)材料的切削速度進(jìn)行對(duì)比：立方氮化硼刀具＞陶瓷刀具＞金屬陶瓷刀具。

從刀具材料韌性進(jìn)行對(duì)比：金屬陶瓷刀具＞立方氮化硼刀具＞陶瓷刀具。

從加工材料范圍看，金屬陶瓷主要應(yīng)用于各種鋼件、鑄鐵件的半精加工和精加工；陶瓷刀具可加工普通鋼、鑄鐵、淬硬鋼、高錳鋼、鎳基高溫合金、粉末冶金燒結(jié)件、玻璃鋼等難加工材料，也可加工各種工程塑料；立方氮化硼適用于高速和超高速切削加工硬質(zhì)材料（如鑄鐵、淬火鋼的高速切削）、硬態(tài)切削（淬火工件HRC55以上）、難加工材料（淬硬鋼、高合金耐磨鑄鐵、高溫合金、高速鋼、表面噴焊材料、燒結(jié)金屬材料）；聚晶金剛石主要用于加工各種有色金屬如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金和耐磨性極強(qiáng)的纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材等非金屬材料。值得注意的是，氧化鋁（Al2O3）基陶瓷刀具不適合加工鋁材，因?yàn)榈毒咧械匿X會(huì)與加工材料中的鋁產(chǎn)生親和反應(yīng)；金剛石刀具不適合切削鋼、鐵件，金剛石是由碳元素組成，加工鋼鐵件產(chǎn)生高溫時(shí)會(huì)發(fā)生鐵碳親和反應(yīng)，金剛石中的碳元素（C）會(huì)析出，不但會(huì)在刀頭發(fā)生“結(jié)瘤”現(xiàn)象，而且會(huì)溶于鐵（Fe）中生成鐵碳化合物（Fe3C），造成金剛石刀具的化學(xué)磨損。

5 結(jié)語(yǔ)

高速切削加工技術(shù)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，目前得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，還有大量工作需要開(kāi)展。特別是研究新的刀具材料特性、與之相應(yīng)的高速切削機(jī)理和配套切削參數(shù)，將是今后高速切削技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。