2.1　超高速切削技术

2.1.1　超高速切削技术的内涵

超高速切削的理论是由德国人Carl Salmon博士于1931年4月率先提出来的，图2-1所示的Carl Salmon曲线表明，当切削速度超过某一阈值后，切削条件会得到很大改善，但受实验条件所限，当时未能付诸实施。近几年来，随着高强度、高熔点刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼和金刚石薄膜作为涂层）的广泛应用，使刀具能够使用的切削速度提高了10～100倍，因而超高速切削成为现实，超高速切削加工技术也逐步发展起来。

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”（图2-1中的不可切削区）后，切削机理发生了根本的变化。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，因而被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等均明显优于传统切削速度下的指标，加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。其结果是单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的使用寿命提高了70%，留于工件的切削热量大幅度降低，切削振动几乎消失。切削加工发生了本质性的飞跃，一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。可以说，超高速切削技术是21世纪切削加工领域的重大技术课题之一，是切削加工领域新的里程碑，应用前景十分广阔。

目前世界各国对超高速切削技术还没有统一的定义。一般认为超高速切削技术是指采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度（比常规高10倍左右）来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的一种集高效、优质和低耗于一身的现代制造工艺技术。

实际上，超高速切削中的“超高速”是一个相对概念，不能简单地用某一具体切削速度或主轴转速数值来定义。加工方法、工件材料和刀具材料不同，超高速切削时应用的切削速度也各不相同。德国Darmstadt工业大学通过研究，给出了常用材料的超高速切削加工的速度范围，见表2-1。

对应不同的加工工艺方法，超高速切削的切削速度范围分别为：车削，700～7000m/min；铣削，300～6000m/min；钻削，200～1100m/min；磨削，高于150m/s。

2.1.2　超高速切削技术的特点

在切削速度方面，超高速切削比常规切削的切削速度几乎高出了一个数量级；在切削原理上，突破了对传统切削的认识。由于切削机理的改变，使超高速切削表现出了以下几个主要特点。

1.加工效率高

超高速切削加工约为传统切削加工切削速度的10倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高5～10倍。这样，单位时间材料切除率可提高3～6倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的1/3。从而提高了加工效率和设备利用率，缩短生产周期。

2.切削力小

与传统切削加工相比，超高速切削加工的切削力至少可降低30%。这对于加工那些刚度较差的零件（如细长轴、薄壁件）来说，可减少加工变形、提高零件的加工精度。同时，采用超高速切削后，单位功率材料切除率可提高40%以上，有利于延长刀具使用寿命。统计表明，超高速切削刀具寿命可提高约70%。

3.热变形小

超高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热被切屑迅速带走而来不及传给零件；因而零件不会由于温升导致弯翘或膨胀变形。因此超高速切削特别适合于加工那些容易发生热变形的零件。

4.加工精度高、表面质量好

由于超高速切削加工的切削力和切削热降低，使刀具和零件的变形减小，零件表面的残余应力下降，从而容易保证工件的尺寸精度。同时，由于切屑被飞快地切离零件，可以使零件达到较好的表面质量。

5.加工过程稳定

由于高速旋转刀具切削加工时的激振频率已经远远高出了工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统振动，因而超高速切削加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。

6.能加工各种难加工材料

例如在航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金。由于这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化、切削温度高、刀具磨损严重，在普通加工中都采用很低的切削速度。现在采用超高速切削，其切削速度为常规切削速度的10倍左右，不仅大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损。

7.降低加工成本

超高速切削时，单位时间的金属切除率高、能耗低、工件加工时间短，从而有效地提高了能源和设备利用率，降低了生产成本。

2.1.3　超高速切削技术的应用

20世纪80年代以来，航空工业和模具工业的快速发展，大大推动了超高速切削技术的发展。据统计，美国和日本有大约30%的公司已经使用了超高速加工技术；在德国，这一比率已经超过了40%。超高速切削技术是未来切削加工的发展方向，目前已经广泛应用于航空、航天、汽车、模具、机床等行业中的车、铣、镗、钻、拉、铰、攻螺纹等加工方法，几乎可以加工所有采用常规切削方法能加工的和很难加工的材料，产生了显著的经济效益，并不断向其他应用领域拓展。

1.汽车工业领域

汽车工业是超高速切削加工技术的一个重要应用领域。为提高生产率，过去汽车、摩托车发动机的箱体、气缸盖等复杂零件多用刚性的组合机床流水线来加工。其缺点是缺乏柔性，不能适应技术的快速变化，这就产生了“高效率”和“高柔性”之间的矛盾。目前国外汽车工业以及国内的上海大众、上海通用汽车公司，对于技术变化较快的汽车零件，如气缸盖的气门数目及参数经常变化，为提高柔性，一律采用高速加工中心来加工。采用高速数控加工中心和其他高速数控机床组成的高速柔性生产线，既能满足产品不断更新换代的要求（高柔性），又有接近于组合机床刚性自动线的生产率（高效率），较好地解决了这一矛盾。

又如Ford汽车公司和Ingersoll机床公司合作，历经多年努力，研制出了HVM800型卧式加工中心，采用了高速电主轴和直线电机，使主轴最高转速达到了20000r/min，工作台最大进给速度提高到76.2m/min。用这种高速加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入减少了40%，生产准备时间也少得多。主要的工作就是编制软件，而不是大量制造夹具。

另外，汽车发动机零件也常用镍基高温合金（Inconel 718）和钛合金（Ti-6Al-4V）来制造。这些材料用常规工艺方法加工非常困难，过去只能采用极低的切削速度。现在采用高速加工，就可大幅度提高生产率、减小刀具磨损、提高零件的表面质量。

2.模具工业领域

以前，对于淬硬模具的传统加工方法主要局限在各种电加工工艺方法之内，但其加工效率很低。现在可以实现淬火硬度达到60HRC（某些情况下可达70HRC）的淬硬模具的切削加工，表面粗糙度数值可达Ra0.6以下。而且，采用高速硬切削新工艺后，模具的加工时间仅为电加工的25%左右，加工费用可节省50%以上，技术经济效果显著。

用高速铣削代替电加工是加快模具开发速度、提高模具制造质量的一条崭新的途径。用高速铣削加工模具，不仅可用高转速、大进给，而且粗、精加工一次完成，极大地提高了模具的生产率。表2-2为某型模具采用电火花放电加工与高速铣削加工的效果对比。

通常情况下，模具的切削加工不仅包括粗加工、半精加工和精加工，还包括手工抛光。其中手工抛光占模具制造周期的1/3，而且劳动强度大、质量不稳定。充分发挥超高速切削技术的优势，以极高的切削速度和进给速度，较小的走刀次数和背吃刀量进行切削加工，可以获得良好的加工精度和表面质量，减少模具手工抛光工作量的60%～100%，能够大幅度缩短模具开发周期。

3.航空、航天工业领域

超高速切削首先用在航空、航天工业轻合金的加工。为了减轻重量，很多零部件都采用了铝合金、铝钛合金或纤维增强塑料等轻质材料。这些材料采用常规方法切削加工时，切削速度和生产率很低。采用高速切削后，切削速度达到了100～1000m/min，不仅大幅度提高生产率，还能有效减少刀具磨损，提高工件表面的加工质量。因此，飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。

另外，飞机上的很多零件都采用“整体制造法”，即在整体上“掏空”加工以形成多筋、薄壁的复杂构件，材料切除率可达85%，采用常规加工方法几乎不可能完成。图2-2所示的铝制螺旋片，壁厚最薄处只有0.05mm，壁高20mm，采用常规的加工方法不可能完成。美国在采用超高速切削技术后，铝合金的切削速度已达1500～5500m/min，最高可达7500m/min；材料切除率高达100～180cm³/min，是常规加工的数倍以上，在保证加工质量的前提下，还可大大缩短切削工时。

2.1.4　超高速切削加工的关键技术

超高速切削加工是一项复杂的系统工程，能否顺利实现有赖于机床、刀具等一系列关键技术。

1.超高速切削机床

国外超高速切削机床技术发展很快，国内通过引进并消化吸收和国际合作，高速加工机床和加工中心技术也得到了快速发展，在性能参数上大大缩短了与发达国家之间的差距。表2-3所示为超高速切削机床的基本要求。表2-4列举了国内、外几种具有代表性的高速机床或加工中心型号及其主要技术参数。

切削机床的超高速化是实现超高速切削的首要条件。其与超高速切削技术密切相关的技术主要包括以下几个方面。

（1）超高速主轴单元

为了获得良好的快速响应（良好的加速度、减速度）和高转速，必须最大限度地减小旋转部件的转动惯量。采取的措施是去掉电动机和执行机构间的一切中间传动环节，使机床主轴的机械结构大为简化；同时电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的“电主轴单元”。在高速主轴部件上采用了高速精密轴承，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气轴承等；超高速加工机床电主轴采用了大功率、宽调速交流变频电动机直接驱动；在结构设计上保证主轴单元具有良好的动刚度、抗振性、热特性和良好的动平衡性能；配有高效冷却与润滑系统；采用了先进的控制技术。

（2）快速进给系统

超高速机床不但要求主轴有很高的转速和功率，同时也要求机床工作台有与之相适应的进给速度和运动加速度。也就是说，要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有很高的定位精度。其采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件重量，以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠，或采用直线电机，省去了中间传动件。

（3）支承及辅助单元制造技术

实践证明，超高速机床运转时，铸铁材料已不适合作为支承基础，必须改用人造花岗岩来制作机床基础支承件。这种材料是用大小不等的石英岩颗粒作填料，用热固性树脂做黏结剂，在模型中浇铸后通过聚合反应成型，并采用预埋金属构件的方法，形成导轨和连接面；材料的阻尼特性为铸铁的7～10倍，密度却只有铸铁的1/3。

超高速切削对机床夹具的要求是高刚度、高精度动平衡、轻量化、高效自动化和柔性化。

2.超高速切削对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备普通刀具材料的那些基本性能之外，还要求具备以下性能：①可靠性；②高耐热性和抗热冲击性；③良好的高温力学性能；④能适应难加工材料和新型加工材料的需要。

目前适合于超高速切削加工的刀具材料，主要有涂层刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具等几种。

另外，超高速切削对刀柄也有很高要求。目前超高速加工机床上普遍采用是日本的BIG-PLUS刀柄系统（图2-3）和德国的HSK刀柄系统（图2-4）。