高速切削技術(shù)的研究與發(fā)展*

沈宇峰，許愛軍

(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空機械制造學(xué)院，湖南 長沙 410124；2.航空工業(yè)長沙五七一二飛機工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410114)

切削加工是當(dāng)前機械制造領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的加工方法[1]，提高切削加工效率、降低生產(chǎn)成本，對促進國民經(jīng)濟和國防建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。隨著數(shù)控自動化技術(shù)的普及和發(fā)展，工件加工的輔助時間大為縮減，與之對應(yīng)的切削加工所占的時間比例增大(零件加工的總工時為輔助時間與切削加工時間之和)，進一步提高加工效率就必須降低切削工時[2]。降低切削工時的主要方法是提高切削速度和切削深度，而隨著精密制造的不斷發(fā)展，以提高切削深度的大余量切削的發(fā)展前景受限。高速切削可在降低切削工時的同時，減小切削力，提高工件表面的加工精度，已在航空航天、國防工業(yè)、電子和精密機械等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用和證明[3]。因此，高速切削技術(shù)已成為當(dāng)前國內(nèi)外先進制造領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容之一[4]。本文對高速切削技術(shù)的特點與應(yīng)用、高速切削機理、高速機床與刀具技術(shù)、高速切削工藝等方面對高速切削的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并預(yù)測其發(fā)展方向，以期為我國高速切削技術(shù)的發(fā)展提供參考性建議。

1 高速切削技術(shù)的概述

德國物理學(xué)家薩洛蒙(Carl·J·Salomon)最早提出“高速切削”這一觀點，其核心理念是任何一種零件材料都對應(yīng)一個臨界切削速度，當(dāng)切削速度小于臨界切削速度時，切削力和切削溫度隨著切削速度的增大而增大；當(dāng)切削速度大于臨界切削速度以后，切削力和切削溫度隨著切削速度的增大反而減小[5]。因而，高速切削可在降低切削工時的同時，降低切削溫度，減少刀具磨損，改善零件加工表面質(zhì)量。目前對于高速切削的速度沒有準(zhǔn)確的定義，一般有如下兩種定義方法：一種是以切削速度來劃分的，切削速度超過常規(guī)切削速度的5倍以上時，即為高速切削；另一種是以主軸的轉(zhuǎn)速來劃分的，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過8 000 r/min時，即為高速切削[6-8]。在生產(chǎn)實踐中，高速切削的速度還與零件的材料和加工方法有較為密切的關(guān)系，因而無法對其速度有較為準(zhǔn)確的定義。此外，高速切削不僅是切削速度的高速化，還是建立在高速切削機理、高速切削關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)、高速切削工藝等基礎(chǔ)之上的一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程[9]，隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展而不斷追求技術(shù)和效益的有機統(tǒng)一。

2 高速切削技術(shù)的優(yōu)點與應(yīng)用

與傳統(tǒng)普通切削相比，高速切削技術(shù)的優(yōu)點與應(yīng)用主要表現(xiàn)在如下幾個方面[10-15]。

1)高去除率，降低生產(chǎn)成本。

高速切削時，主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的大幅提高使得單位時間內(nèi)的材料去除率大幅提高，切削工時大大減少，有效地提高了加工效率，生產(chǎn)成本也隨之降低。在航空航天、汽車、模具等制造領(lǐng)域中，一些整體構(gòu)件的材料去除率較大，利用高速切削可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

2)切削力小，減少加工變形。

與常規(guī)切削相比，高速切削時切削力小(至少降低30%)，剪切角增大，使得切屑流出的速度加快，切削變形小。利用這一特性可有效減少剛性較差工件的加工變形，特別適合薄壁、飛機腹板等零件的加工。

3)切屑散熱，熱變形小。

高速切削的時間短，加工過程發(fā)生于一瞬間，90%以上的切削熱隨切屑排出機外(來不及將熱量傳遞給工件)，工件表面積聚的熱量少，熱變形小。利用這一特性，高速切削對加工易熱、易變形且精度要求較高的零件和熔點較低、易氧化的材料(如鎂)具有重要的現(xiàn)實意義。

4)切削平穩(wěn)，精度高。

高速切削時，主軸轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)刀具的激勵頻率與機床系統(tǒng)的固有頻率差距較大，不會造成機床系統(tǒng)的受迫振動，加工過程平穩(wěn)；加之切削力小，積熱少，刀具與工件的熱變形小，二者之間的摩擦少，加工表面精度高。高速切削的這一特性使得其在精密加工、特種加工、光學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

5)簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。

淬火后的材料硬度高、強度高，常規(guī)切削無法進行加工，必須經(jīng)過放電加工，而放電加工又會使工件表面硬化，需后續(xù)的工序處理，工藝流程復(fù)雜。高速切削可直接加工硬度高的材料，省去時效處理等部分中間工序，簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。此外，高速切削的切削力小，可使用半徑較小的刀具加工小圓角和一些精細結(jié)構(gòu)，省去了后續(xù)的鉗工清理等工序。

3 高速切削關(guān)鍵技術(shù)的研究

3.1 高速切削機理的研究

高速切削機理是高速切削技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，在整個高速切削體系中起指導(dǎo)作用。高速切削機理與傳統(tǒng)普通切削機理的不同主要表現(xiàn)在切削原理、切削熱與切削溫度、切屑成形等方面。高速切削加工的原理如圖1所示[16-18]，刀具切削速度的增大使得刀具與工件之間的擠壓力和刀具與切屑之間的摩擦力增大，不斷增大的摩擦力使得刀具與切屑接觸區(qū)域的溫度升高，不斷升高的溫度達到工件材料的熔點時，接觸區(qū)域的部分呈熔融狀態(tài)，熔融狀態(tài)下的部分可起到潤滑的作用，降低摩擦因數(shù)。區(qū)域摩擦力的降低使得斷屑成為一種幾乎不受阻力的切屑流，減小了切屑對刀具的作用力。此外，與傳統(tǒng)的普通切削加工相比，高速切削的剪切角增大，則對應(yīng)的橫截剪切面減小，工件的塑性變形區(qū)域減少；大部分熱量聚集在切屑上排出機外，很小一部分熱量被傳送到刀具和工件上。

高速切屑成形機理是高速切削機理的核心內(nèi)容，鋸齒狀切屑是高速切屑的主要表現(xiàn)形態(tài)。鋸齒狀切屑是一種典型的材料力學(xué)失穩(wěn)狀態(tài)，其切削力和切削溫度呈周期性變化狀態(tài)[19-20]，影響整個高速切削過程。對于鋸齒狀切屑形成機理的研究主要有兩大理論體系：基于熱力耦合作用的絕熱剪切理論[21-23]和基于動態(tài)力作用的周期性脆性斷裂理論[24-26]。絕熱剪切理論認(rèn)為鋸齒狀切屑是由于材料在高應(yīng)變率下，大塑性畸變產(chǎn)生的熱量堆積造成的局部高溫引起的熱軟化效應(yīng)超過材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)而產(chǎn)生的熱塑性失穩(wěn)現(xiàn)象(見圖2a)[27]。脆性斷裂理論認(rèn)為鋸齒狀切屑是由于周期性斷裂而產(chǎn)生的，首先在切屑表面產(chǎn)生裂紋(見圖2b)，并逐步沿著剪切帶向內(nèi)部擴展，最終導(dǎo)致突變失效而產(chǎn)生鋸齒狀切屑。前者的理論基礎(chǔ)是傳熱學(xué)，后者的理論基礎(chǔ)是斷裂力學(xué)。山東大學(xué)的楊奇彪等[28]對這2種理論進行了總結(jié)，對于塑性材料或在切削過程中轉(zhuǎn)化為塑性材料的脆性材料形成的鋸齒狀切屑可用絕熱剪切理論解釋，對于脆性材料的鋸齒狀切屑的形成可用周期性斷裂理論解釋?？傊?，對于高速切削過程中鋸齒狀切屑的形成機理缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，需要進一步的研究。

3.2 高速切削關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)的研究

1)高速切削機床。

高速切削機床作為高速切削加工的基礎(chǔ)核心設(shè)備，主要包括主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)和CNC控制系統(tǒng)等機構(gòu)。高速主軸系統(tǒng)作為核心的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)具備如下性能要求[29-31]：a.結(jié)構(gòu)緊湊，啟停性能好；b.高轉(zhuǎn)速和寬轉(zhuǎn)速范圍；c.高剛度和高回轉(zhuǎn)精度；d.熱穩(wěn)定性好；e.先進可靠的潤滑、冷卻系統(tǒng)；f.穩(wěn)定的監(jiān)測反饋系統(tǒng)。為滿足上述性能要求，高速主軸直接做成電主軸(電動機和主軸合二為一)的形式，主軸內(nèi)部采用交流伺服電動機直接驅(qū)動的集成化結(jié)構(gòu)。

高速主軸必須配以快速進給系統(tǒng)配合使用，傳統(tǒng)的滾珠絲杠螺母副的進給機構(gòu)傳動效率低，無法滿足其性能要求。為適應(yīng)高速精準(zhǔn)化的要求，導(dǎo)軌采用內(nèi)嵌球軸承的直線結(jié)構(gòu)(接觸面積小，摩擦力小)；為獲得較高的進給速度和加速度，進給機構(gòu)可采用高質(zhì)量的小螺距滾珠絲杠，電動機可采用先進高速的直線電動機(直線電動機消除了傳動間隙，減少了傳動摩擦，實現(xiàn)了“零傳動”，傳動精度高[32-33])。

高速切削加工時，要求CNC控制系統(tǒng)具有如下性能：a.快速處理數(shù)據(jù)的能力；b.前瞻計算控制功能；c.幾何補償和熱補償功能。傳統(tǒng)的將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點到點的刀具路徑軌跡已無法滿足上述性能要求，可采用NURBS插補、平滑插補、鐘形加減速等輪廓控制技術(shù)。

2)高速切削刀具。

高速切削過程中，刀具的磨損與平衡失效是高速切削加工中的普遍現(xiàn)象[34]。為滿足現(xiàn)代高速加工技術(shù)的要求，高速切削刀具應(yīng)“三高一?！薄呔?、高效率、高可靠性和專用化[35-36]，其對應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)為刀具材料、涂層和刀具結(jié)構(gòu)。刀具的材料和涂層對高速切削加工技術(shù)的發(fā)展意義重大，高速刀具材料和涂層主要有如下幾種：TiCN基硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、金剛石刀具、PCBN(人造立方氮化硼)刀具等。TiCN基硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具主要適用于鋼及其合金的高速加工；金剛石刀具主要適用于鋁合金、鈦合金、銅合金、有色金屬和非金屬材料的高速加工；PCBN刀具主要適用于鑄鐵合金、淬硬鋼、鎳基合金等高溫合金材料的高速加工。

刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響刀具的使用壽命和零件的加工質(zhì)量。與傳統(tǒng)普通加工的刀具相比，高速切削刀具的前角較小(一般小10°)，后角較大(一般大5°～8°)。為提高高速刀具的剛度，減少刀具磨損，可通過增大刀尖角(主、副切削刃連接處可采用修圓刀尖或倒角刀尖)和加大刀尖附近切削刃的長度。此外，由于高速切削時主軸的轉(zhuǎn)速較高，高速旋轉(zhuǎn)的刀具結(jié)構(gòu)必須滿足平衡品質(zhì)的要求。

高速旋轉(zhuǎn)下，為避免高速離心力對刀具造成損壞，刀夾裝置必須保持足夠的夾持力和安全可靠性。當(dāng)前，兩面定位刀柄主要有兩大類：一類是通過對傳統(tǒng)實心BT刀柄的技術(shù)改進，如日本的BIG-PLUS系列等；另一類是通過創(chuàng)新型設(shè)計的1∶10中空短錐刀柄系統(tǒng)，如德國的HSK系列等。傳統(tǒng)的錐度為7∶24的實心BT刀柄定位精度不高，連接剛性不足，無法滿足高速切削加工的要求[37]。為保證足夠的夾持力和定位精度，開發(fā)了與主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定位的緊密貼合型刀柄。

3.3 高速切削工藝技術(shù)的研究

高速切削加工工藝與傳統(tǒng)普通加工工藝有很大的不同，高速切削工藝設(shè)計原則是充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢，設(shè)計合理的工藝方案，從而達到高效率與高質(zhì)量。高速切削加工工藝技術(shù)的研究主要包括切削方式、切削用量和走刀方式的選擇。

高速切削時應(yīng)盡量采用順銑加工，這是由于順銑時，切削厚度由大變小，刀齒在切削表面的滑動距離小，走過的路程短，工件表面的光滑性好；而逆銑時，切削厚度由小變大，刀具與工件之間的摩擦增加，徑向力也大大增加，加之刀刃處會產(chǎn)生大量的熱量導(dǎo)致刀具易磨損；高速切削時，不同刀具切削不同材料的工件時，切削用量的選擇也不盡相同，但高速銑削切削用量的選擇原則一般是中等的每齒進給量、較小的軸向切深和適當(dāng)大的徑向切深[38]。走刀方式的選擇主要包括走刀方向的優(yōu)化、走刀路徑的優(yōu)化和柔性加減速。走刀方向的優(yōu)化，應(yīng)以曲面的平坦性為評價依據(jù)；走刀路徑的優(yōu)化原則是簡單、光滑，可采用圓弧過渡的方法加工干涉區(qū)；對于柔性加減速，應(yīng)選擇合適的加減速方法，減少啟停沖擊，保證機床的加工精度。

4 高速切削技術(shù)的展望

4.1 加強高速切削機理的深入研究

在高速切削加工的理論方面，雖然國內(nèi)外進行了大量研究，也取得了一些研究成果，但總體上還無法滿足生產(chǎn)實踐需求，還需進一步的深入研究。可以從如下幾個方面加強高速切削機理的深入研究：1)切削力和切削熱分布規(guī)律的數(shù)字化描述與預(yù)測；2)難加工材料、復(fù)合材料、微細切削加工切屑形成機理的研究；3)刀-屑界面摩擦學(xué)行為描述與刀具磨損機理的研究；4)刀具壽命的監(jiān)控和預(yù)測；5)切削動力學(xué)的時域、頻域建模分析。

4.2 加快超高速大功率機床的研制

超高速大功率機床是高速切削技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，雖然我國在超高速機床技術(shù)方面進行了一些研究，但與國外的先進技術(shù)相比尚有一定的差距。超高速大功率機床的研究主要包括：1)大功率、超高速主軸單元技術(shù)；2)超高速進給單元技術(shù)；3)超高速CNC系統(tǒng)技術(shù)。大功率、超高速主軸技術(shù)的研究主要包括主軸的材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、超高速精密軸承的設(shè)計與開發(fā)、主軸自平衡技術(shù)、主軸多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)等。超高速進給單元技術(shù)的研究主要包括高速直線進給電機技術(shù)、高加減速控制技術(shù)、高速位置芯片環(huán)的研制、精密大導(dǎo)程絲杠副的研制等。超高速CNC系統(tǒng)技術(shù)的研究主要包括平滑加減速特性的智能控制、前饋控制和誤差自動補償技術(shù)。

4.3 新型刀具材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究

刀具的材料和結(jié)構(gòu)隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展需求而發(fā)展。陶瓷刀具在高速切削領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，但其強度、斷裂韌性和抗熱震性還應(yīng)進一步的優(yōu)化，可從梯度功能陶瓷刀具、納米與微米復(fù)合陶瓷刀具和晶須與顆粒協(xié)同增韌補強的陶瓷刀具幾個方面來進行優(yōu)化研究。涂層刀具在高速切削加工領(lǐng)域潛力巨大，但現(xiàn)有的涂層物質(zhì)(如TiCN等)的耐熱性和耐磨性不高，應(yīng)進一步研究新型的涂層技術(shù)、涂層材料，尤其是研究開發(fā)自潤滑的高速干切削的涂層刀具。在刀具的設(shè)計方面，多功能和專用刀具是今后的發(fā)展方向。多功能刀具的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在加工中心上，可減少換刀次數(shù)和刀具數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。在加工生產(chǎn)線中，可針對某個具體的工藝開發(fā)專用刀具，以此來提高生產(chǎn)效率。

4.4 構(gòu)建智能化高速切削云加工數(shù)據(jù)庫

高速切削加工數(shù)據(jù)庫能根據(jù)生產(chǎn)需求智能提供面向切削現(xiàn)場的工藝數(shù)據(jù)。高速切削數(shù)據(jù)庫的核心是基于切削力模型、切削溫度模型、刀具磨損模型和工件表面質(zhì)量模型的智能預(yù)測，然而隨著新工藝和新技術(shù)的不斷發(fā)展，使得切削數(shù)據(jù)庫具有很強的時效性。當(dāng)前可利用云計算技術(shù)和人工智能理論，以高速切削過程中的物理模型為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實際和大量的切削試驗，構(gòu)建智能化高速切削云加工數(shù)據(jù)庫。

4.5 高速切削過程在線監(jiān)測技術(shù)的研究

高速切削過程中，刀具的振動和磨損對工件加工表面質(zhì)量的影響至關(guān)重要，對刀具狀態(tài)和工件表面質(zhì)量的在線監(jiān)測是高速切削技術(shù)的發(fā)展方向。在線監(jiān)測是將刀具的振動和磨損與工件表面質(zhì)量建立聯(lián)系，并根據(jù)大量的生產(chǎn)實際經(jīng)驗設(shè)置合理的坎值，通過監(jiān)測刀具振動信號是否正常、工件表面粗糙度是否合格，反饋調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，更換刀具，調(diào)整設(shè)備，保證高速切削正常進行。

4.6 以干切削為主的綠色切削技術(shù)的研究

高速切削可以在一定程度上減少能源消耗，但在高速切削過程中無法避免地使用了大量的冷卻液，對環(huán)境也造成了一定的污染。綠色環(huán)保、節(jié)能減排是今后制造業(yè)的主要發(fā)展方向，以干切削為主的綠色切削是未來高速切削的重點研究領(lǐng)域。干切削是一種加工過程不用或微量使用切削液的加工技術(shù)，在減輕污染的同時，還可省去與切削液有關(guān)的裝置，簡化生產(chǎn)系統(tǒng)，降低生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)高速切削技術(shù)是當(dāng)前先進制造領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。高速切削不止是切削速度的高速化，更是建立在高速切削機理、高速切削關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)、高速切削工藝等基礎(chǔ)之上的一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展而不斷追求技術(shù)和效益的有機統(tǒng)一。

2)與常規(guī)切削相比，高速切削技術(shù)主要具有如下優(yōu)點：a.高去除率，降低生產(chǎn)成本；b.切削力小，減少加工變形；c.切屑散熱，熱變形?。籨.切削平穩(wěn)，精度高；e.簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。

3)推進高速切削技術(shù)的發(fā)展主要從如下幾個方面著手：a.加強高速切削機理的深入研究；b.加快超高速大功率機床的研制；c.加強新型刀具材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究；d.構(gòu)建智能化高速切削云加工數(shù)據(jù)庫；e.開展高速切削過程在線監(jiān)測技術(shù)的研究；f.重點強化以干切削為主的綠色切削技術(shù)的研究。