关于高速切削机床

高速切削加工是最重要的现代制造技术，而实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床。自20 世纪80 年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。一般来说，一个完整的高速机床系统主要包括：高的静/动刚度支承构件（机床的基本结构）；高精度、高转速的高速主轴；高控制精度、高进给速度和高进给加速度的进给系统；高速、高精度CNC 系统；高效的冷却系统（干切削机床除外）；安全防护与实时监控系统等。

高速电主轴剖视图

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机床基本结构

机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土(或人造花岗岩)，这种材料阻尼特性为铸铁的7～10 倍，比重只有铸铁的1/3。提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。

高速主轴是实现高速切削最关键的技术之一。随着工业上对主轴转速要求不断提高，高速主轴技术近年来得到了迅猛发展，在理论与实验研究的基础上研制开发出实用的高速主轴单元已商品化。目前主轴转速在10000～20000r/min 的加工中心越来越普及，转速高达100000r/min，200000r/min，250000r/min 的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求：

• 高转速和高转速范围。

• 足够的刚性和较高的回转精度。

• 良好的热稳定性。

• 大功率。

• 可靠的工具装卡性能。

• 先进的润滑和冷却系统。

• 可靠的主轴监测系统。

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高速切削刀具

高速切削是一个相对概念，一般认为是常规切削速度的5-10倍。高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密度相关。

HSC=High-Speed-Cutting

HSM=High-Speed-Machining

HSD=High-Speed-Mill

HST=High-Speed-Drill

HSTM=High-Speed-Turn-Milling

高速切削刀具的安全性必须考虑：

1. 刀具强度

2. 刀具夹持

3. 刀片压紧

4. 刀具动平衡

高速切削刀具的耐用度与下列因素有关：

1. 刀具材料

2. 刀尖结构

3. 切削用量

4. 走刀方式

5. 冷却条件

6. 刀具工件材料匹配

刀具的磨损：

粘结磨损：刀具与工件材料接触到原子间距离所产生的结合现象。在摩擦面的实际接触面积上，高压高温作用产生塑性变形，导致“冷焊”。

扩散磨损：两个化学上有一定亲和力的固体（碳和铁等）放在一起，在较高温度时，碳原子向铁中扩散。

溶解磨损：和扩散磨损类似，都是化学磨损，基于化学热力学的溶解理论。

氧化磨损：高速切削高温下，刀具材料中的一些元素与周围某些介质（空气中的氧，切削液中的硫，氯）起化学放映，生成不同的氧化膜和粘附膜，有的起保护作用，有的形成比较软的化合物，使得刀具材料中的硬质相颗粒被粘走。

刀具的破损：

受冲击，机械疲劳和热疲劳等原因引起崩刃，剥落，裂纹和脆断。

刀具材料：

高速铣削刀具材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金刚石刀具。

刀具材料具备的性能：

硬度和耐磨性：必须高于工件材料的硬度，一般在HRC60以上；硬度越高，耐磨性越好。

强度和韧性：要承受切削力，冲击力和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。

耐热性：能承受高温，具备抗氧化能力。

工艺性能和经济性：具备良好的锻造，热处理，焊接和磨削加工性能，性价比高。

1.

硬质合金

图为超细晶粒硬质合金刀具铣削45#调质钢（HRC35-40）前，后刀面磨损V=300m/min

高速铣刀通常采用细晶粒或超细晶粒硬质合金（晶粒尺寸0.2~1μm），根据被加工材料选钨钴类或钨钛钴类硬质合金，但含钴量一般不超过6%。

2.

涂层刀具

图为 涂层整体硬质合金刀具

（Vc=1200m/min,ap=5mm,ae=12mm）

机械疲劳裂纹及热裂纹（高速铣削7050铝合金）

高速铣削大量采用的是涂层刀具，基体有高速钢、硬质合金和陶瓷， 但以硬质合金为主。涂层材料有TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3、CNX等，通常采用多层复合涂层，如TiCN+Al2O3+TiNTiCN+Al2O3，TiCN+Al2O3+HfN, TiN+Al2O3 ，TiCN, TiB2，TiAlN/TiN和TiAlN等。采用物理气相沉积的TiAlN涂层硬质合金在高速铣削时具有良好的切削性能。

3.

金属陶瓷

图为 SG4陶瓷刀具铣削淬硬45#钢（HRC45-50）前，后刀面磨损，V=400m/min

主要有高耐磨性的TiC基金属陶瓷（TiC+Ni or Mo）, 高韧性TiC基金属陶瓷（TiC+TaC+WC+Co），增强型TiCN基金属陶瓷（TiCN+NbC），相比硬质合金改善了刀具的高温性能，适合高速加工合金钢和铸铁。

4.

陶瓷刀具

图为 JX-1 陶瓷刀具加工GH169边界磨损V=62.5m/min

陶瓷刀具分为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和复合陶瓷三类，具有高硬度、高耐磨性、热稳定性，其中Al2O3基陶瓷约占2/3，化学活性低，不易粘结和扩散磨损，强度、断裂韧性、导热性和耐热冲击性较低，适合加工钢件。Si3N4基陶瓷约占1/3，比Al2O3陶瓷有较高的强度、断裂韧性和耐热冲击性，但化学稳定性不如Al2O3陶瓷，适于高速铣削铸铁。Si3N4-Al2O3复合陶瓷(Sialon)具有较高的强度和断裂韧性，高的抗氧化性和抗高温蠕变性，高速铣削加工工艺培训教程的抗热冲击性，但不适合加工钢件，可用于高速粗加工铸铁和镍基合金。

CBN刀具

具有高硬度、高耐热性、高化学稳定性和导热性，但强度稍低。按重量比分，低含量CBN（50%～65%）可用于淬硬钢的精加工。高含量CBN（80%～90%）可用于高速铣削铸铁，淬硬钢的粗加工和半精加工。

金刚石

分天然金刚石和聚晶金刚石，高速铣削主要采用聚晶金刚石，具有非常高的硬度、导热性，低的热膨胀系数，通常用于高速加工有色金属和非金属材料。晶粒越细越好，高速切削含Si量小于12%的铝合金可用晶粒尺寸10~25μm的聚晶金刚石，高速切削含Si量大于12%的铝合金和非金属材料可用晶粒尺寸8~9μm的聚晶金刚石。

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刀具结构

列出几种典型的高速铣削刀具，分为整体式和机夹式量类。小直径铣刀一般采用整体式，大直径铣刀采用机夹式。高转速机床对刀具直径有一定限制，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时比较方便，而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡，所以整体式比较常用。机床在转速比较低、能提供较大扭矩时可采用机夹式铣刀。

铣刀节距定义为相邻两个刀齿见的周向距离，受铣刀刀齿数影响。短节距意味着较多的刀齿和中等的容屑空间，允许高的金属去除率。一般用于铸铁铣削和中等负荷铣削钢件，通常作为高速铣刀首选。大节距铣刀齿数较少，容屑空间大，常用于钢的粗加工和精加工，以及容易发生振动的场合。超密节距的容屑空间小，可承受非常高的进给速度，适合铸铁断续表面加工，铸铁的粗加工和钢件的小切深加工。

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高速切削刀具的应用

加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。

加工钢和铸铁及其合金：AL2O3基陶瓷刀具适于软，硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；SI3N4和PCBN更适用于铸铁及其合金高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TICN,TIAN,TIN涂层刀具和TIC基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。

加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和SI3N4基陶瓷刀具和SIALON陶瓷刀具适用于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。

加工钛合金：一般可用WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。

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刀柄结构

1.

BT刀柄

单面接触的BT刀柄（刀柄锥度7:24）

BT刀柄与主轴接合图

备注：

BT40 刀柄联结的最佳转数范围0~12000r/min

12000~15000r/min仍可使用。

2.

HSK刀柄

双面接触的HSK系统（刀柄锥度1:10）

HSK刀柄与主轴接合图

备注：

HSK-63A刀柄最佳转速范围0~30000r/min