高速切削加工技术-黄冬平-142271336

1 高速切削加工
高速切削加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大的提高切削速度和进给速度 来提升材料切除率，加工精度和加工质量的现代加工技术。 以切削速度和进给速度来界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的 5~10 倍[2]。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速大于等于 10000r/min。
图 1 Salomon 切削模拟实验
2.2 萨洛蒙曲线
从萨洛蒙曲线中，我们可以看出： 1. 不同的材料，随着切削速度的提高，切削温度的变化不同。 2. 在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增加而增高，但当切削速度 到达某个峰值时，切削速度再提高，切削温度反而下降。 萨洛蒙曲线的意义在于，它预言了一个不可切削区的存在。当切削速度到达一定值 时，切削过程产生的热量将超过刀具的耐受极限，使切削无法继续。而将主轴转速 极大提升，又能使切削温度回到材料可加工的范围内。 由于当时实验条件的限制，无法论证萨洛蒙理论的正确性，所以萨洛蒙的发现在 当时并未受到人们的重视。之后，由于战争的缘故，当年的实验数据全部丢失，所 以也无法考证实验的正确性。另外，人们对于当年的测温技术也存在疑问，所以实 验数据的可信度也存在争议。直到 1977 年，美国第一次实现了超高速铣削，超高 速加工的概念才开始广泛被人们接受。
高速切削加工技术
黄冬平 （上海理工大学机械工程学院 上海）
摘要
高速加工技术是近 30 年来急速发展的一门新兴技术，相对于普通加工，高速加工 有着高效率，高质量，生产周期短等一系列的优势。同时，主轴转速的提升改变了切 削的机理，所以高速加工能完成普通加工所不能实现的加工要求。因此，高速加工技 术对工业领域有着极其重要的意义。 本文将从高速加工的概念，原理，发展过程，应用领域及关键技术等方面介绍这一 加工技术。从中探讨高速加工与普通加工的区别，并说明高速加工技术在机械制造业 的价值和作用。
Fs Ss Ac / sin
Fm Ac v 2 cos 0 / cos( 0 )
具前角，Φ是剪切角。
(1) (2)
式中：Ss 为工件材料动态剪切强度，Ac 为切削层截面积，ρ 是工件材料密度，γ 0 为刀 由式（1）与（2）可见，如果工件材料、切削面积 Ac 和刀具前角γ 0 一定，剪切力 Fs 和切屑惯性力 Fm 主要由剪切角Φ而定，而剪切角又受切削速度的影响。切削速度 低时，与剪切力 Fs 相比，切屑惯性力 Fm 很小，可视为零。 考虑切削速度的影响，按功率平衡原理，可以建立以下剪切角关系式：


4


2

0
2
（3）
此即为麦钱特剪切角公式。但过去的麦钱特公式是在低的切削速度下按最小能量原理 推导的，而式（3）是根据能量平衡原理推导的，它适合于任何切削速度情况，式 （3）给出了剪切角Φ与摩擦角β 以及γ 0 的关系。 随着切削速度的提高，会使金属流动的速度大于塑性形变的速度，及形变区尚未形 成，切削过程已经完成。这意味着此时第一变形区后移，使剪切角增大。同时切削速 度 v 对刀具前刀面上的平均摩擦系数μ 也有影响，在高速区，v 增大切削温度提高，摩 擦系数减小，则摩擦角β （β =arctgμ ）减小，由式（3）可见，剪切角Φ增大。所以切 削速度提高导致剪切角增大，有式（1）可见，剪切角增大会使剪切力降低。由式 （2）可知，剪切角增大会使切屑惯性力增加，切削速度本身也使惯性力增加，也就是 说，切削速度提高，会使剪切力降低，而使切屑惯性力增加，可见，切削速度对切削 力的影响复杂，是上述两种作用的综合结果。总过大量实验总结，剪切角Φ增大，导 致剪切力减小的幅度较大；由于切屑质量很小，虽然切削速度提高，导致切屑惯性力 增大，但其增加幅度比剪切力幅度小很多，故在高速切削范围内，切削速度的提高最 终导致切削力的降低。
1.1 高速切削速度范围
对高速切削加工不能简单的给出速度界线，因为高速加工对于不同的材料和不同的 加工工艺，都有不同的速度标准。 根据材料区分： 铝合金 铸铁 超耐热镍合金 钛合金 纤维增强塑料 根据加工工艺区分： 车削 铣削 钻削 磨削 700~7000m/min 300~6000m/min 200~1100m/min >250m/s 1600m/min 1500m/min 300m/min 150~1000m/min 2000~9000m/min
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.2.2 切削速度对切削热的影响
高速切削时，总的切削功 W 消耗在以下几个方面： 1 形成以加工表面和切屑底面两个新生表面所需要的能量 Wn
其值等于物体该表面的表面能。切削单位体积材料的表面能 Wn 大致为 0.02N·cm。 与切削时消耗的总能量成正比，实际上是很小的，它成为工件和切屑增加的内能。 2 剪切区德剪切形变共 Ws 3 前、后刀面与切屑、工件的摩擦功 Wf 4 切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功 Wm 剪切变形功 Ws 和动量改变所消耗的功 Wm 大部分将变为剪切变形区（第一变形 区）的热量 Eq1，一小部分形成两个新生表面的表面能以内能形式储存于加工表面和 切屑中。前、后刀面的摩擦功 Wf 全部将变为第二、三形变区的热量 Eq2 和 Eq3。因 此，单位时间内产生的总热量 Eq 为：
Abstract
High-speed machining technology is a new technology, which in recent 30 years of rapid developed. As opposed to ordinary processing, high-speed machining shows a series of advantages like high efficiency, high quality, short production cycle and so on. At the same time, with the enhancement of the spindle speed changes the cutting mechanism, so high-speed processing can complete the requirements, that ordinary machining processing can hardly achieve. Therefore, high-speed machining technology has an extremely important significance in industry. This article will introduce the high-speed machining in these aspects, the concept of this processing technology, principles, development, application areas and key technologies. In order to explore the difference between the high-speed machining and general machining, and explain the value and role of the high-speed processing technology in machinery manufacturing. Key Words: High-speed cutting; Machining technology; Ultra-rapid machining
2 超高速加工
超高速加工是相对于高速加工而言的，对此国内外学者没有一个统一的界定速度。 一般，国外学者认为：机床主轴转速 8000~12000r/min 为准高速切削， 15000~50000r/min 为高速切削，大于 50000r/min 就认为是超高速切削。而国内学者 认为：超高速加工是一种比常规切削速度高得多（10 倍左右）的速度对零件进行加工 的先进技术[4]。
EQ EQ1 EQ 2 EQ3
（4）
设单位时间内单位面积上在剪切面、前刀面和后刀面上产生的热量分别为 q1，q2 和 q3，而剪切面、前刀面——切屑、后刀面——工件接触面积分别为 A1，A2 和 A3。则：
EQ q1 A1 q2 A2 q3 A3
（5）
剪切面上产生的热量大部分传给切屑，一部分传入工件。设前一部分的比例为 R1， 于是单位时间传入切屑的热量为 R1q1acawcscΦ，单位时间传入工件的热量为（1-R1） q1acawcscΦ，其中 ac 为切削厚度，aw 为切削宽度。 剪切面上产生的热量流入切屑的比例 R1 为：
1.2 高速切削基础理论
为了解高速加工与普通加工的区别，必须弄清切削速度对切削过程的影响。下面主 要讨论随着切削速度的提升，对切削的两个主要指标——切削力和切削热的影响。
1.2.1 切削速度对切削力的影响
切削过程中，剪切面上发生变形所需要的力由刀具的前刀面通过切屑传递到剪切面 上，该力有两部分组成：一是剪切力 Fs；另一个是切削层材料经过剪切面时，沿着剪 切面滑移，造成动量的改变所需要的作用力即惯性力 Fm[3]。Fs 和 Fm 可分别表示为：
图 2 萨洛蒙曲线
2.3 超高速加工技术的发展
超高速加工技术的发展历史并不长，所以它仍是一门新兴的技术[5]。 1931 年，德国物理学家卡尔·萨洛蒙用大直径圆锯片进行了超高速切削模拟实验， 提出了超高速加工的概念。 1977 年，美国第一次在数控铣床上实现了超高速切削。当时进行了主轴转速为 18000r/min、30000r/min、100000r/min 三组超高速切削实验[6]。 自上世纪八十年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从 单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。 目前，超高速加工在不断提速的同时，正和数控领域结合。我国目前研制的超高速 加工机床主轴最高转速仍处于 10000r/min，与国外先进水平存在较大差距。
2.1 萨洛蒙超高速切削模拟实验
对于超高速加工的研究，起源于上世纪 30 年代，当时德国的切削物理学家卡尔·萨 洛蒙博士进行了一项研究。由于当时技术条件的限制，萨洛蒙采用加装了锯齿的大直 径圆锯片对铜等非铁金属进行了超高速切削的模拟实验，并提出了著名的萨洛蒙曲 线。在图中，实线是萨洛蒙真正做过的实验，另外的曲线是经过推测得出的。
0 引言
高速加工这一概念起源于二战前，但其真正开始发展是上世纪七十年代末。高速加 工技术的出现大大提高了机械加工的生产效率，并逐渐成为实现柔性制造，以满足人 们对产品多样化，个性化越来越高的要求。 由于高速加工特别适合于加工大切除率的薄壁件，所以它在航天航空等对零件轻量 化要求很高的领域有着十分重要的意义。以往上百个零件经焊接组成的部件，现在可 由毛坯一次加工成形，大大缩短了零件的生产周期[1]。 随着对刀具材料的突破，主轴转速的不断提升，高速加工技术仍有着广阔的发展潜 力，并逐渐取代传统加工。可以毫不夸张的说，在将来，高速加工技术将成为一个国 家制造业水平，甚至工业水平的一个重要指标。
关键词： 高速切削； 加工技术； 超高速加工
High Speed Machining Technology
Huang Dongping （University of Shanghai for Science and Technology Mechanical Engineering College Shanghai)
R1
1 a 1 1.33 1 vac
（6）
式中，a1 为工件材料导热系数，ε 为剪应变。由式（6）知，随 v 与 ac 增大，R1 增 加，但 v 的变化范围比 ac 大，所以 v 对 R1 的影响更大，也就是说，随 v 提高，剪切 面上产生的热量流入切屑的比例 R1 增大，即切削速度越高，被切屑带走的热量越多， 切屑温度升高，而刀具温度升高少。 高速切削实验也表明，随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速 度后，切削温度的身高逐渐缓慢，甚至很少升高。