重庆大学先进制造课程论文

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高速切削加工技术

前言

先进制造技术是指微电子技术、自动化技术、信息技术等先进技术给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称，是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一。高速切削加工是先进制造技术的重要组成部分，近净形毛坯通过高速机床一次装夹加工是制造业的发展趋势。介绍了高速切削加工的概念；切削的机理；国内外高速切削的技术发展与应用以及论述了高速切削机床的关键技术。高速切削具有切削力低，热变形小，材料切除率高，加工精度高，降低加工成本，可以加工难加工的材料等优点，必将成为世界加工的发展趋势。

关键词：高速切削，机理，发展，高速切削机床

1高速切削的概念

高速切削概念的起源可以追溯到20世纪20年代末，德国物理学家Carl. J . Salomon博士1929年进行的超高速切削模拟试验，并于1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削的设想[1]。

其提出在常规的切削范围内切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值Vcr后，切削速度再增大，切削温度反而下降。如图1.1所示，在常规的切削区域A，切削温度和切削速度近似成正比，但当切削速度达到一定时，切削温度就开始下降。越过不能切削的区域B后，切削温度下降到正常值，此时的速度属于高速切削。这就是Salomon高速切削定理。

图1.1切削速度变化与切削温度之间的关系

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1.1高速切削速度范围

高速切削是一个相对的概念，很难就高速切削的速度范围给出确切的定义。对于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范围。目前沿用的高速切削加工的定义主要有以下几种[1]。

(1)1978年，CI RP(国际生产工程研究院)切削委员会提出的以线速度500 ~ 7 000m/ min的切削速度进行加工为高速切削加工；

(2)对铣削加工而言，以刀具夹持装置达到平衡要求时的速度来定义高速切削加工.根据ISO 1940标准，主轴转速高于8 000 r/min为高速切削加工；

(3)德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所((PTW)提出将高于普通切削速度5一10倍的切削加工定义为高速切削加工；

(4)从主轴设计的观点，以Dn值(主轴轴径或主轴轴承内径尺寸D与主轴最大转速n的乘积)来定义高速切削加工.Dn值达((5 ~2 000)?105 mm? r/min时为高速切削加工。

(5)从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工.这种定义取决于刀具振动的主模式频率。

因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义.切削条件不同，高速切削速度范围亦不同.1992年在CIRP会议上发表了不同材料大致可行的和发展的切削速度范围，如图1.2所示。

图1.2 不同工件材料的切削速度范围

2高速切削的发展

高速切削由于具有切削力低，热变形小，材料切除率高，加工精度高，降低加工成本，可以加工难加工的材料等优点，目前已经成为全世界加工的趋势，国内外科研人员在高速切削的发展上做出了不可估量的贡献。

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2.1国外高速切削

美国于1960年前后开始进行超高速切削试验，试验将刀具装在农炮里，从滑台上射向工件，或将工件当作子弹射向固定的刀具[1]。1977年，在一台带有高频电主轴的加工中心上进行了高速切削试验。

1984年，德国国家研究技术部组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所和41家公司参加的两项联合研究计划，全面、系统地研究了超高速切削机床、刀具控制系统以及相关的工艺技术，实现了高速切削的突破，并且应用到生产实际中。

日本于20世纪60年代就着手超高速切削机理的研究，日本学者发现在超高速切削时，绝大部分切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，其切屑比常规切屑热得多。为后续基于切削形状的研究作为高速切削的突破口奠定了基础。

2.2国内高速切削

中国高速切削加工技术研究起步较晚。20世纪80年代以来对高速切削刀具寿命与切削力，高速切削机理，高速硬切削和切屑形成机理，钦合金高速铣削、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面温度，高速主轴系统和快速进给系统，高温合金的高速切削等进行了初步研究并取得了令人鼓舞的成就。加工中心主轴转速普遍提高到8 000 r/min，最高可达12 000 r/min，数控车床的主轴最高转速提高到6 000r/ min，快速进给速度最高达40 m/ min，换刀时间减少到1. 5 s。

3高速切削的关键技术

实现高速切削加工的核心研究内容主要有:高速切削机理、高速加工用刀具技术、高速机床技术等。在大批量生产领域，薄壁零件加工领域，难加工材料领域，超精密微细加工领域得到了广泛的应用。

3.1 高速切削机理

如图3.1所示，在高速切削过程中一般都有一个共同的特点，即形成锯齿形切屑。对高速切削中形成的锯齿形切屑的解释主要有两大理论体系，即绝热剪切理论和周期脆性断裂理论。目前也有对两大理论体系进行总结，认为绝热剪切理论适用于解释塑性材料或者是在切削过程中转化为塑性材料的脆性材料形成的锯齿形切屑，而周期脆性断裂理论适用于解释脆性材料的切屑形成。

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