高速切削技術(shù)是目前機(jī)械加工領(lǐng)域中的最前沿技術(shù)，又是一門(mén)綜合交叉性的學(xué)科。本文主要介紹了高速加工機(jī)床、高速切削刀具和智能刀具的情況。

　　高速切削具有：金屬切除率高于常規(guī)切削5-10倍；切削力比傳統(tǒng)切削低約30%，切削變形小；被加工表面有較低的切削熱；易于實(shí)現(xiàn)無(wú)振動(dòng)切削；精加工成本低等諸多的優(yōu)點(diǎn)。

　　高速切削技術(shù)的實(shí)施主要取決于機(jī)床、刀具、加工方法和冷卻技術(shù)的實(shí)施。當(dāng)前高速機(jī)床和高速刀具技術(shù)發(fā)展較快，并由此產(chǎn)生出許多關(guān)鍵性技術(shù)。有高速電主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高速高效CNC控制系統(tǒng)、高速切削刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)、高速切削刀柄系統(tǒng)、高速切削加工的安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)等，這些關(guān)鍵技術(shù)對(duì)高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起著決定性的作用。而先進(jìn)加工方法和冷卻技術(shù)研究相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較落后，當(dāng)然這取決于高速切削機(jī)理研究的相對(duì)落后。

　　高速切削技術(shù)是一個(gè)工程科學(xué)問(wèn)題，影響因素眾多，且各因素又是相互制約，相互關(guān)聯(lián)與耦合。包括了力學(xué)、機(jī)床動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等，所以說(shuō)高速切削技術(shù)是一門(mén)綜合交叉性學(xué)科。

　　高速切削機(jī)理研究的主要內(nèi)容

　　高速切削機(jī)理研究主要從四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：高速切削過(guò)程和切屑成形機(jī)理；高速加工基本規(guī)律；各種材料的高速切削機(jī)理；高速切削虛擬技術(shù)。其中：

　　（1）高速切削過(guò)程和切屑成形機(jī)理的研究是針對(duì)高速切削加工中切屑成形機(jī)理、切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過(guò)程原理的研究來(lái)進(jìn)行。

　　（2）高速加工基本規(guī)律的研究是針對(duì)高速切削加工中的切削力、切削溫度、刀具磨損、刀具耐用度和加工質(zhì)量等現(xiàn)象及加工工藝參數(shù)對(duì)這些現(xiàn)象的影響規(guī)律進(jìn)行研究；提出反映其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型、實(shí)驗(yàn)方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等間題。

　　（3）各種材料的高速切削機(jī)理研究是針對(duì)各種工程材料在高速切削下的切削機(jī)理，包括輕金屬材料、鋼和鐵、復(fù)合材料、難加工合金材料等。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和分析，建立高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)等。

　　（4）高速切削虛擬技術(shù)研究是針對(duì)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)，虛擬高速加工過(guò)程中刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用過(guò)程，對(duì)切屑形成過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，顯示加工過(guò)程中的熱流、相變、溫度及應(yīng)力分布等，預(yù)測(cè)被加工工件的加工質(zhì)量，研究切削速度、進(jìn)給量、刀具和材料以及其他切削參數(shù)對(duì)加工的影響等。

　　高速機(jī)床研究的主要內(nèi)容

　　高速切削加工機(jī)床與普通機(jī)床的主要區(qū)別在于高速機(jī)床必須能夠提供高的切削速度和滿(mǎn)足高速切削加工下的一系列功能要求。

　　適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸單元及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　高速主軸單元的設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)高速加工的最關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域之一，同時(shí)也是高速加工機(jī)床最為關(guān)鍵的部件。它不僅要能在很高的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，而且要有高的同軸度、高的傳遞力矩和傳動(dòng)功率、良好的散熱或冷卻裝置，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡矯正，主軸部件的設(shè)計(jì)要保證具有良好的動(dòng)態(tài)和熱態(tài)特性，具有極高的角加減速度來(lái)保證在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升、降速和在指定位置的準(zhǔn)停。

　　有快速反應(yīng)的進(jìn)給系統(tǒng)單元和數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　高速機(jī)床在高速切削加工時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)床進(jìn)給速度和其加、減速度也必須大幅度提高，以保證刀具每齒或工件每轉(zhuǎn)進(jìn)給量基本不變，否則會(huì)嚴(yán)重影響工件加工的表面質(zhì)量和刀具壽命。同時(shí)機(jī)床空行程運(yùn)動(dòng)速度也必須大大提高。現(xiàn)代高速加工機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度要求達(dá)到（40-120）m/min，進(jìn)給加速度和減速度同樣要求達(dá)到（1-8）g。

　　機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須突破傳統(tǒng)一般數(shù)控機(jī)床中的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+普通滾珠絲杠”的進(jìn)給傳動(dòng)方式。在結(jié)構(gòu)形式上采取的主要措施有：大幅度減輕進(jìn)給移動(dòng)部件的重量，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，即直接采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；采用多頭螺紋行星滾柱絲杠代替常規(guī)鋼球式滾珠絲杠以及采用無(wú)間隙直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給部件的高速移動(dòng)和快速準(zhǔn)確定位；采用快速反應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)CNC控制系統(tǒng)。

　　有一個(gè)高效、快速的冷卻系統(tǒng)

　　在高速切削加工過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)切削區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能使這些熱量迅速地從切削區(qū)域帶走，不但妨礙切削工作的正常進(jìn)行，而且會(huì)造成機(jī)床、刀具和工具系統(tǒng)的熱變形，嚴(yán)重影響加工精度和機(jī)床的動(dòng)剛性。

　　高效、快速的冷卻系統(tǒng)是利用高壓噴射裝置把壓力為7MPa、流量為60 L/min左右的高壓冷卻液射向機(jī)床的切削部位，進(jìn)行冷卻，消除切削產(chǎn)生的熱量。

　　也可以采用大量冷卻液以瀑布方式由機(jī)床頂部淋向機(jī)床工作臺(tái)，把大量的熱切屑立即沖走，始終保持工作臺(tái)的清潔，并形成一個(gè)恒溫的小環(huán)境。

　　高剛性的床體結(jié)構(gòu)

　　高速切削加工機(jī)床在高速切削狀態(tài)下，一方面產(chǎn)生的切削力一般作用在床體上；另一方面因速度很高，還會(huì)產(chǎn)生較大的附加慣性力作用在床體上，因而機(jī)床床身受力較大。設(shè)計(jì)時(shí)必須要求其具有足夠的強(qiáng)度、剛度和高的阻尼特性。此外，高剛性和阻尼特性也是高速加工中保證加工質(zhì)量和提高刀具壽命的需要。

　　安全防護(hù)裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

　　在高速切削加工過(guò)程中，若刀具斷裂，其初速將如同子彈一般，易于造成危險(xiǎn)和人身傷害。為此，機(jī)床工作時(shí)必須用足夠厚的鋼板將切削區(qū)封閉起來(lái)，同時(shí)還要考慮便于人工觀察切削區(qū)的狀況。除此之外，工件和刀具必須保證夾緊牢靠，必須采用主動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)刀具磨損、破損和主軸運(yùn)行狀況等進(jìn)行在線(xiàn)識(shí)別和監(jiān)控，確保人身和設(shè)備安全。

　　要有方便可靠的換刀裝置

　　通過(guò)新型換刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要保證高速切削加工下?lián)Q刀方便、可靠、迅捷，換刀時(shí)間短。這也是高速切削加工過(guò)程中所必需的。

　　機(jī)床具有優(yōu)良的熱態(tài)特性和靜、動(dòng)態(tài)特性

　　高速切削加工情況下，單位時(shí)間內(nèi)其移動(dòng)部件間因摩擦產(chǎn)生的熱量較多，熱變形較大。

　　機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證其在內(nèi)部熱源和外部熱源作用下，不能產(chǎn)生較大的熱變形。為此，高速切削加工機(jī)床上一般要采取特殊的冷卻措施，來(lái)冷卻主軸電機(jī)、主軸支撐軸承、直線(xiàn)電機(jī)、液壓油箱、電氣柜等，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構(gòu)件。

　　因高速切削加工下的動(dòng)態(tài)力（慣性力、切削力、阻尼力等）和靜態(tài)力（夾緊力等）較大，機(jī)床各支撐部件和其總體必須具有足夠的動(dòng)、靜剛度，不致產(chǎn)生較大的力變形，保證零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。

　　高速刀具研究的主要內(nèi)容

　　高速刀具研究主要包括幾個(gè)方面：刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)與幾何形狀、刀具的裝夾系統(tǒng)及刀具平衡等。

　　刀具材料

　　高速切削刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、氧化鋁基和氮化硅基復(fù)合陶瓷、表面涂層硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。

　　刀具結(jié)構(gòu)與幾何形狀

　　刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具使用性能的重要因素。結(jié)構(gòu)決定刀體和刀片的空間位置和安排的穩(wěn)定性，保證刀具的剛性和容屑空間，又要使尺寸緊湊，還有使用的靈活與多變性。

　　現(xiàn)在對(duì)刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀的研究注重以“切削模型” 為設(shè)計(jì)依據(jù)，便于尺寸調(diào)節(jié)和刀具幾何角度調(diào)節(jié)，可在不同工序中使用的組合刀具，即“復(fù)合刀具”和“模塊化刀具”。為的是提高加工效率，保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定和降低成本。

　　刀具的裝夾系統(tǒng)

　　刀具高速旋轉(zhuǎn)時(shí)要保持平衡，要有高接觸精度、高的剛性、高的夾緊可靠性。而一般加工中心機(jī)床主軸孔是7：24圓錐孔，使用7：24錐度的刀柄，在高速切削中暴露出剛性不足，換刀后刀具徑向與軸向尺寸不穩(wěn)定，端口處擴(kuò)張?jiān)斐蓜偠认陆挡⒂绊憚?dòng)平衡。目前，在此領(lǐng)域的研究比較多。

　　如：以HSK為代表的短錐柄兩面接觸刀柄，這是一種7：24錐度的中空結(jié)構(gòu)式兩面接觸刀柄。拉緊是依靠空心錐柄的收縮變形達(dá)到端面的接觸，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸錐孔擴(kuò)脹，錐柄恢復(fù)彈性變形，繼續(xù)保持錐面和端面的接觸，應(yīng)用這樣的刀柄刀具的金屬切除率可提高50%。

　　近年來(lái)，德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)開(kāi)發(fā)了不同的適合于高速切削的刀柄結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。用得最多的德國(guó)阿亨大學(xué)開(kāi)發(fā)的HSK刀柄系列，已列入了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，錐度用1：10。美國(guó)肯納金屬公司開(kāi)發(fā)了KM刀柄系列，也是用1：10錐度。日本開(kāi)發(fā)了BIG-PLUS刀柄系列，屬于7：24錐度的改進(jìn)型。瑞典山特維克可樂(lè)滿(mǎn)公司開(kāi)發(fā)了CAPTO刀柄系列，是1：20的空心短錐結(jié)構(gòu)。

　　刀具平衡

　　隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高速刀具提出的動(dòng)平衡要求越來(lái)越高。不僅要求刀具的外觀制造要精美，而且制造精度要高，加工質(zhì)量要高，刀具壽命要長(zhǎng)。對(duì)此刀具系統(tǒng)要做預(yù)平衡處理。此項(xiàng)研究有：刀具系統(tǒng)的預(yù)平衡、在線(xiàn)動(dòng)平衡工具系統(tǒng)等。

　　智能刀具的發(fā)展

　　一項(xiàng)研究報(bào)告指出：在美國(guó)加工中心刀具的正確選擇只有50%左右，刀具只有58%的切削時(shí)間是在最佳切削速度下工作的，僅有38%的刀具完全用到刀具的壽命值。其他國(guó)家刀具的正確選擇則遠(yuǎn)低于美國(guó)。因此，提高加工效率，降低成本，研究開(kāi)發(fā)“智能刀具”及多功能刀具是提高切削加工效率和精度的十分有效的方法之一。

　　智能刀具通過(guò)與機(jī)床控制器的無(wú)線(xiàn)耦合，實(shí)現(xiàn)加工尺寸偏差的調(diào)整及對(duì)刀具耐用度的識(shí)別，并可實(shí)時(shí)采集切削過(guò)程的信息，經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)處理后使機(jī)床始終保持在最佳狀態(tài)。

　　“智能型刀具”的研究始于20世紀(jì)80年代末，它是將各種傳感器置于刀體內(nèi)，將驅(qū)動(dòng)、返回、微型計(jì)算裝置、非接觸式能量和數(shù)據(jù)傳輸裝置集成在一起，實(shí)現(xiàn)刀具的微米級(jí)調(diào)整，并可由機(jī)床控制器的M指令加以控制。

　　中國(guó)對(duì)“智能刀具”的研究仍處于初期階段，對(duì)智能刀具系統(tǒng)的可調(diào)性結(jié)構(gòu)研究還較少，只停留在刀具在線(xiàn)檢測(cè)，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)與加工過(guò)程的適應(yīng)性控制等方面的研究。

　　德國(guó)Mapal公司和Heller機(jī)床公司首先將該技術(shù)用在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的缸孔進(jìn)行鏜削加工上，該智能刀具具有三組Mapal六邊形CBN刀片，刀具呈軸向和徑向交錯(cuò)排列，最高切削速度達(dá)10000r /min。其中：兩組刀片用于半精加工，第三組刀片能自動(dòng)調(diào)節(jié)，用于完成精加工工序。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，在離心力作用下，機(jī)構(gòu)會(huì)將刀片位置調(diào)節(jié)一個(gè)預(yù)定的數(shù)值，并帶有內(nèi)置式氣動(dòng)量規(guī)測(cè)量已加工的孔徑，將測(cè)量結(jié)果傳給機(jī)床控制系統(tǒng)并自動(dòng)調(diào)整刀具尺寸。

　　日本黛杰刀具公司也開(kāi)發(fā)了在線(xiàn)可調(diào)刀具尺寸的“靈巧刀具”；美國(guó)肯納金屬公司研制了一種加工中心進(jìn)行精確自動(dòng)刀具補(bǔ)償精鏜刀具系統(tǒng)，這是一種微米級(jí)的模塊式、有級(jí)調(diào)整的精鏜刀具系統(tǒng)，其最小分辨率為1μm。

　　帶有測(cè)量功能并可自調(diào)的切削部件及可適應(yīng)控制的和能自學(xué)的數(shù)控機(jī)床，裝有傳感器和執(zhí)行元件的智能化刀具，將是未來(lái)智能化的發(fā)展方向。