高速切削技术简介

高速切削技术，是以比常规切削速度高10倍左右的速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。实践证明，当切削速度提高10倍，进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”后，切削机理发生根本性的变化。其结果是：单位功率的金属切削率提高了30％～40％，切削力降低了30％，刀具的切削寿命提高了70％，由于工件的切削热大幅度降低，切削振动几乎消失，切削加工发生了本质性的飞跃。在常规切削加工中备受困惑的一系列问题也得到了解决。例如，利用在高速切削状态下径向切削力小、工件温升低等特点，可以用高速加工方法来加工薄壁类零件、对温度敏感的零件和难加工材料等。

3.5.1 切削速度范围的划分

各国对高速切削速度的范围迄今尚未作出明确统一的规定，但是通常把切削速度比常规高出5～10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。

（1）按不同加工工艺划分的高速切削范围如表3－5所示。

表3－5 按工艺划分的高速切削

这种划分比常规切削速度几乎提高了一个数量等级，而且还有继续提高的趋势。

（2）按照加工不同的材料划定高速切削范围如表3－6所示。

表3－6 按不同材料划分的高速切削

表格中所规定的是比较合适的高速切削速度范围。

一般而言，高速主轴的转速至少要超过8 000r／min。

3.5.2 高速切削的优点

（1）随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5～10倍。这样单位时间内的材料切除率可大大增加，可达到常规切削的3～6倍，甚至更高。同时机床快速空程速度的提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。

（2）在切削速度达到一定值后，切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋等刚性差的零件的高速精密切削。

（3）在高速切削时，绝大部分的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，因而特别适用于加工容易热变形的零件。

（4）高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床－刀具－工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳、振动小，因而能加工出非常精密、非常光洁的零件，零件经高速车、铣加工的表面质量常可达到磨削的水平，残留在工件上的应力也很小，固常可省去铣削后的精加工工序。

（5）高速切削可加工各种难加工的材料。例如，航空和动力部门大量采用镍合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。在普通加工中一般采用很低的切削速度。如采用高速切削，则其切削速度可提高到100～1 000m／min，为常规切速的10倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可有效减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。

（6）降低加工成本。由于高速切削，零件的单位加工时间缩短了。在一台机床上，一次装夹完成零件的所有粗、半精、精加工，提高了效率。高速加工提高了零件表面质量，免去了后续的光整加工工序，以及替代了一部分电加工工序。因此，虽然高速机床的价格高于普通速度机床，但是，综合各方面的因素，仍可大幅度降低加工成本。

3.5.3 高速加工的工艺技术

高速切削不同的工件材料时，其所用的切削刀具、工艺方法以及切削参数均有很大不同，而且和在普通切削速度时的情况很不相同，掌握正确的高速切削的工艺方法，是高速切削应用技术中的一个重要环节。

1.高速切削轻金属材料

高速切削用于加工轻合金的优越性主要表现为：切削力、切削功率小，大约比切削钢件小70％；切屑短、不卷曲，因而高速加工中易于实现大量切屑的排屑自动化；刀具磨损小；加工表面质量高，仅采用少量的切削液的情况下，不用再经过任何加工或手工研磨，零件即可得到很高的表面质量；可采用很高的切削速度和进给速度进行加工，切削速度可高达1 000～7 500m／min，高速加工使95％以上的切削热被切屑迅速带走，工件可保持室温状态，热变形小，加工精度高。轻金属合金的加工参数见表3－7所示。

表3－7 轻金属加工参数

续表

注：vc／（m／min）——切削速度；fz／mm——每齿进给量；vf／（mm／min）——进给速度。

由于在高速铣削过程存在较大的冲击载荷，聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）刀具的寿命特性并不好。

当切削速度达到1 000m／min时，可使用K型硬质合金刀具；当切削速度达到2 000m／min时，可使用金属陶瓷刀具；当在更高速切削时，特别是切削低熔点的硅铝合金材料（硅的质量分数大于12％）时，要使用金刚石镀层硬质合金刀具，甚至PCD刀具；在铣削铝镁合金时，可使用K10硬质合金刀具。

2.高速铣削钢和铸铁

高速铣削钢和铸铁时，刀具用更锋利切削刃和较大的后角，这样可以减少切削时刀具的磨损，可提高刀具使用寿命。刀具参数也应该随进给速度而变化。当进给速度增加时，刀具后角要减小，进给速度对刀具前角的影响相对比较小。按通常的切削规律，刀具的正前角可以减小切削力，并减小月牙洼磨损。但在高速下，正前角并不能比零前角更多地降低切削力。负前角虽然能使刀片具有更高的切削稳定性，但是增大了切削力和月牙洼磨损。一般来讲，随着切削速度的提高，刀具寿命降低。当切削速度进一步升高，使切屑和刀具前刀面接触区的滑移速度高到超过刀具材料的耐热能力时，就会造成月牙洼磨损。

在径向进给比较慢时，刀具的非接触区时间比接触区时间长，短时间的发热可以由比较长时间的冷却来弥补。因此，从整体上看，径向进给速度应稍慢些，建议进给量等于刀具直径的5％～10％。

高速切削刀具的磨损也受到加工材料强度等力学性能的影响。工件材料的抗拉强度增大，则刀具寿命降低，所以要减小每齿的进给量。如表3－8、表3－9所示。

表3－8 钢的切削速度和每齿进给量

表3－9 铸铁的切削速度和每齿进给量

对钛合金、特殊合金和耐热镍基合金等难加工合金材料进行高速加工时，顺铣时的刀具磨损明显要大。实践证明，顺铣的效果比逆铣的要差，所以建议使用逆铣。

3.高速切削硬质材料

1）高速硬切削技术的优势

淬硬材料包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等，是典型的耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求高的零件。淬硬钢材料的特点是经淬火或低温去应力退火后具有比较高的硬度（55～65HRC），很难应用传统的切削方法加工，通常采用磨削进行精加工。但磨削加工效率低、成本高、污染大，一直是加工企业希望改进的工艺方法。高速硬切削技术的研究发展，为淬硬钢材料的加工提供了更好的解决途径。高速硬切削具有以下几个方面的优越性。

（1）效率高 高速切削淬硬钢的加工效率比磨削加工的要高得多，金属切除率是磨削的3～4倍，而消耗的能量仅仅是普通磨削加工的1／5。

（2）污染少 高速硬切削以干切削为主，减少了切削液的污染，可以省去冷却装置，简化生产系统，降低生产成本，形成的切屑干净，易于回收处理。

（3）减少设备投资，适应柔性生产 在生产率相同的情况下，CNC车床的投资仅为CNC磨床的1／3，而且占地面积小，辅助费用低。采用高速加工中心铣削淬硬模具钢，可以在很大程度上代替电火花加工。

（4）零件整体加工精度高 在淬硬模具以铣代磨的加工中，其加工尺寸精度高，而且大大减少了手工修光时间。在以车代磨的加工中，由于切削产生的大部分热量被切屑带走，不会像磨削那样容易产生表面烧伤和裂纹，因而可获得很高的圆度和很好的表面质量，而且可以保证很高的位置精度。

高速硬切削有利于切削热被切屑快速带走，减少切削热传递给工件，提高零件加工精度。

2）硬切削刀具材料的选择

高速切削淬硬钢要求很高的比切削率。比切削率高，切削温度也高，同时还会出现刀具的塑性变形，很快导致高速钢和一般的硬质合金刀具的断裂。因此，选择硬度高、热硬性好的刀具材料是高速切削淬硬钢的关键因素之一。能够用于高速切削淬硬钢的刀具材料有CBN、PCBN、性能好的陶瓷、超细晶粒硬质合金及涂层硬质合金。

3）硬切削刀具参数的选择

无论是硬车削还是硬铣削，在刀具材料选定后，应选择强度尽可能大的刀片形状，刀尖圆弧半径也尽可能大。在精加工时，刀尖半径为0.8～1.2μm，同时应对刀具刃口进行预加工。

淬硬钢切屑的脆性大，易折断，不黏结，一般在刀具表面不产生积屑瘤，因此加工的表面质量高。但是切削力比较大，故刀具宜采用负前角（γ0＜－5°）。

硬切削的切削力大，除了要求刀片强度高以外，刀杆的强度也要求高。在巨大的切削力作用下，刀杆会产生过大的变形（虽然这种变形在切削力消除后大部分能得以恢复）。为解决这一问题，一些刀具公司推出了整体硬质合金刀杆的结构。

4）高速硬切削工艺参数的选择

总体来说，被加工材料的硬度越高，其切削速度应该越小。根据选用刀具材料的不同，硬切削的切削速度选择也有较大的区别。一般来讲，使用PCBN刀具时，切削速度高于其他刀具材料。通常，硬车和硬铣的切削速度为80～400m／min。陶瓷刀具和各种硬质合金刀具的切削速度比CBN刀具要低。

一般情况下，切削深度在0.1～0.3mm之间，可根据表面粗糙度的要求选择，要求高时，可以选择小一些，但不能太小。进给量过大或过小都会降低刀具的使用寿命，进给量通常在0.05～0.25mm／r之间选择。