高速切削机理和实验（下）

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6 高速切削加工对机床的要求
高速切削加工是一项综合性的高新技术。实现高速切削加工，机床的高速化是首要条件和最基本因素，高速加工机床是提供高速加工的主体。因此，开发和研制性能优良的可使机床执行部件带动刀具或工件获得极高工作速度的高速机床是发展高速切削加工的重中之重。现代数控机床和加工中心的高速化已成为机床发展的主要方向。
; V! g0 y4 S! n5 u; L% |5 B- B$ X进入20世纪90年代以来，一批又一批高速切削加工机床陆续涌现并投入国际市场，并在制造业中迅速扩大其应用范围，创造出了巨大的经济效益和社会效益，标志着高速切削加工这一高新技术已从理论和实验研究进入工业应用的新阶段。
6.1  对高速切削加工机床的要求
高速切削加工机床与普通机床的主要区别在于高速 机床必须能够提供高的切削速度和满足高速切削加工下一系列的功能要求，主要包括如下几点。
（1） 要有一个适合高速运转的主轴单元及其驱动系统
高速主轴单元的设计，是实现高速加工的最关键的技术领域之一，同时也是高速加工机床最为关键的部件。它不仅要能在很高的转速下旋转，而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动功率、良好的散热和冷却装置，要经过严格的动平衡矫正，主轴部件的设计要保证具有良好的动态和热态特性，具有极高的角加、减速度来保证在极短时间内实现升降速和在指定位置的准停。高速机床与普通机床的不同之处，反映在高速主轴单元上主要表现在如下几个技术参数的变化：主轴转速一般为普通机床主轴转速的5~10倍，机床的最高转速一般都大于10000 r/min，有的高达60000~100000 r/min；主轴单元电机功率一般高达20~80 kW，以满足高速、高效和重载荷切削的要求；主轴单元从启动到达到选定的最高转速（或从最高转速到停止）需要的时间较短，一般只需1~2 s即可完成。就是说，主轴的加、减速度比普通机床高得多，一般比常规数控机床高出一个数量级，从而达到1~8 g（g=9.81m/s2）。高速加工机床的主运动一般是由电主轴来完成的。
* J& U+ o7 K  |+ a7 N" k（2） 要有一个快速反应的进给系统单元部件和数控伺服驱动系统
/ [) U. ~/ d3 x; j: e9 T高速机床在高速切削加工时，随着主轴转速的提高，机床进给速度和其加、减速度也必须大幅度提高，以保证刀具每齿或工件每转进给量基本不变。同时机床空行程运动速度也必须大大提高。现代高速加工机床进给系统执行机构的运动速度要求达到40~120 m/min，进给加速度和减速度同样要求达到1~8 g，亦即9.81~78.48 m/s2。为此，机床进给驱动系统的设计必须突破传统一般数控机床中的“旋转伺服电机+普通滚珠丝杠”的进给传动方式。结构形式上采取的主要措施有：一是大幅度减轻进给移动部件的重量，为此，最有效的办法就是在结构上实现“零传动”，即直接采用直线电机驱动；二是采用多头螺纹行星滚柱丝杠代替常规钢球式滚珠丝杠以及采用无间隙直线滚动导轨，实现进给部件的高速移动和快速准确定位；三是采用快速反应的伺服驱动CNC控制系统。
5 Y* t# x5 R9 k" D& Q（3） 要有高效、快速的冷却系统
在高速切削加工条件下，单位时间内切削区域会产生大量的热量，如果不能使这些热量迅速地从切削区域传走，不但妨碍切削工作的正常进行，而且会造成机床、刀具和工具系统的热变形，严重影响加工精度和机床的动刚性。作为高速切削加工的配套技术，近年来日本的三井精机和J.E.公司共同开发了HJH系列高压喷射装置，把压力为7MPa、流量为60L/min左右的高压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，消除切削产生的热量。另外有的加工中心则采用大量冷却液以瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，把大量的热切屑立即冲走，始终保持工作台的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证高的加工精度。高速“电主轴”单元结构设计时，冷却系统的设计也是不可忽视的一个重要方面。为了防止主轴部件在高速运转过程中出现过热现象，支撑轴承必须考虑采用有效的强制冷却方法。就是说，对于高速切削加工机床，机床结构设计时必须考虑设计必要的冷却和散热装置。
（4） 要有高刚性的床体结构
( k* V0 x& [( @7 Q- [$ ]* N; L高速切削加工机床在高速切削状态下，一方面，产生的切削力作用在床体上；另一方面，因速度很高，还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床身受力较大。设计时必须要求其具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。高刚性和阻尼特性是高速加工中保证加工质量和提高刀具寿命的需要。
* Z" t5 }$ d$ h7 P# B（5） 要有安全装置和实时监控系统
在高速切削加工过程中，若刀具断裂或破损，其初速将如同子弹一般，易于造成危险和人身伤害。为此，机床工作时必须用足够坚固的板材将切削区封闭起来，同时还要考虑便于人工观察切削区状况。除此之外，工件和刀具必须保证夹紧牢靠，必须采用主动在线监控系统，对刀具磨损、破损和主轴运行状况等进行在线识别和监控，确保人身和设备安全。
1 T# }8 P3 Z/ R. O  V/ [" W（6） 要有方便可靠的换刀装置
$ A" W* n  G. s$ |% l通过新型换刀结构设计，保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷，换刀时间短。这也是高速切削加工机床要求所必需的。
（7） 要有优良的热态特性和静、动态特性
高速切削加工情况下，单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多，热变形较大。机床结构设计必须保证其在内部热源和外部热源作用下，不能产生较大的热变形。为此，高速切削加工机床上一般要采取特殊的冷却措施，来冷却主轴电机、主轴支撑轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。同时因高速切削加工下的动态力（惯性力、切削力、阻尼力等）和静态力（夹紧力等）较大，机床各支撑部件和其总体必须具有足够的动、静刚度，不致产生较大的力变形，保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。
总之，应考虑高速切削加工的特殊性，必须对实施高速切削加工的机床提出新的要求。只有这样才能实现高速、高效、高精度的平衡切削。
) ^1 W# N1 j5 _& s5 o- l. y6.2  高速切削加工机床的国内外现状
5 X0 w0 w+ M  e' p( W* R日本、美国、德国、意大利等厂商是当今世界上高速机床的主要提供者。目前国际上提供高速加工中心和NC机床设备的主要厂商，其部分代表性产品主要技术性能参数所能达到的水平如表3所示。所列机床的主要性能指标都较普通机床大大提高，其到达额定的工作加速度一般都在6～25 m/s2之间，即达到g（g为重力加速度）数量级的加速度，具有高的动态特性。德国DECKEL MAHO公司生产的DMC 85 V linear，采用先进的机床结构和超高速直线电机，使其拥有2g (20m/s2)的加速度和120m/min的快移速度，每一轴的进给力也高达8000N。
! F* r9 Z! J7 a- N# P  I& I表3 国外几种主要高速加工中心

7 s( W% @" X2 d% P当前，国产高速加工机床也在迅速发展，在近年来的CIMT中国国际机床展览会上可以看出（表4）。除表4中所列的以外，沈阳机床股份有限公司还和德国BW公司合资生产了BW60HS型卧式加工中心，主轴最高转速16000r/min，快移速度达60m/min, x、y轴加速度1g，z轴加速度1.3g，定位精度10μm，重复精度5μm，苏州三光集团与国外合作生产的MC60小型加工中心，行程600mm×450mm×450mm，主轴转速（1～10000）r/min，快移速度50m/min,20位刀库，换刀时间1.2～1.4 s。
表4 国内几种高速加工中心
. z( ~8 T$ S3 X) [. b
# g8 J( e, c$ N近年，沈阳理工大学在国家科技部、兵器总公司和辽宁省科委的支持下，研制开发了XS6380型数控高速铣床。主轴转速达30000r/min（无级），工作台各方向快速移动达60m/min，主电机功率为10kW，工作台尺寸为630×800mm，主轴锥孔采用HSK―E40系列。应该说，该机床具有较高水平。
" ?( G! x+ z* d7 x7 高速切削加工对刀具的要求
2 m- M) Z: ^8 a& J/ j8 _* M. I  c, m在机床—刀具—夹具—工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是很重要、很活跃的因素。当机床确定之后，切削加工生产率、刀具寿命、加工成本和加工质量，在很大程度上取决于刀具的合理选择。在高速切削加工中，对刀具提出了更高的要求，主要是刀具材料、刀具结构、刀具几何形状、刀具系统及刀具平衡等方面。
7.1  由于高速切削时产生热量较多，刀具切削部分温度高，对刀具材料高温性能的要求更高。用于高速切削的刀具材料应具有很好的高温硬度、高温强度、高温弹性模量以及高温耐磨性，还应有足够的韧性和抗冲击性。此外，刀具材料应具有良好的工艺性，价格不可过于昂贵。
! B' {+ Z: F+ b在高速切削中常用的刀具材料有：
6 x5 W* D. H% [* w, V* ^（1） 金刚石具有很高的硬度（天然金刚石达10000HV）和很大的热导率（天然金刚石达2000W.m-1.K-1），弹性模量也很高，可用于有色金属和非金属材料的高速切削。例如，用人造PCD金刚石刀具和其他人造金刚石刀具，车削和铣削硅铝合金零件，当切削深度ap=0.5～0.8mm,进给量f=0.1mm/r和fz=0.05～0.1mm/z时，可用1000～2000m/min的切削速度。人造金刚石刀具加工纤维增强和颗粒增强复合材料，效果也很好。但是，金刚石刀具不能在高速下切削钢铁件或铁族元素的材料；在高温（700℃）下易产生石墨化。
! ?1 S6 ^- V+ |& n  @  u（2） 立方氮化硼
立方氮化硼PCBN也具有很高的硬度（7500HV）和很好的热导率（1300W.m-1.K-1）弹性模量也高。热稳定性好，在大气中达1300℃也不分解，对铁族元素呈惰性。可用于淬硬钢和高硬度铸铁的高速切削。在采用较小的切削深度和进给量时切削淬硬钢和合金耐磨冷硬铸铁，可采用80～100m/min的切削速度。
! i- V2 I- q  F8 Q（3） 氧化铝基和氮化硅基复合陶瓷
! @; v) G+ Z% c  I3 ?% _这两种复合陶瓷用高于50m/min的切削速度，切削淬硬钢和高硬铸铁效果也很好。用它们切削未淬硬的普通钢材和铸铁，刀具寿命常高于硬质合金。但氮化硅基复合陶瓷刀具不能加工出长屑的未淬硬钢材。
' C4 U( n) f; `2 h( y（4） 表面涂层硬质合金
6 ?8 ^4 w( s5 i# f  B涂层材料种类很多，有TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等，多用CVD涂层工艺，也有用PVD涂层工艺的。可以用单层涂覆；多层涂覆效果更佳。与未涂层的硬质合金刀具相比，涂层硬质合金刀具可以成倍地提高刀具寿命；保持一定刀具寿命，涂层硬质合金刀具可提高切削速度20～30%。
) H  s$ F4 N' ^1 h; p: q（5） TiCN基硬质合金（金属陶瓷）
, L# O& M3 X- P* p3 _+ W1 P' Z3 g一般硬质合金都是以WC为主要成分，称WC基硬质合金。与WC基相比，TiCN基硬质合金刀具密度较小，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强。故切削速度可以适当提高。常用为高速切钢的刀具材料。
现代刀具材料的发展仍嫌不足，限制了高速切削中速度的进一步提高。人们期待质量更高、更能适应高速加工的刀具材料问世。
, z9 i+ `- s/ |1 n5 ~5 H7.2  高速切削回转刀具（如铣刀）在很高的回转速度下工作，刀体和刀片都受到很大离心力的作用。故要求刀体材料尽可能轻，避免采用贯通式沟槽、减小槽底尖角，减少夹紧零件，加大夹紧力与可靠性。
高速回转刀具必须经过动平衡测试，应达到ISO1940/1规定的G40平衡质量等级。
7.3  高速切削刀具的刀柄是一个关键部件，它传递机床的动力和精度。刀柄的一端是机床主轴，另一端是刀具，加工时既要保证加工精度和操作方便，又要保证安全可靠。故装夹的重复精度要好，装夹刚性要高。
传统的7∶24锥度的刀柄，在高速切削中暴露出刚性不足，换刀后刀具径向与轴向尺寸不稳定，端口处扩张造成刚度下降并影响动平衡。近年来，德国、美国、日本等国开发了不同的适合于高速切削的刀柄结构系统。用得最多的德国阿亨大学开发的HSK刀柄系列，已列入了国际标准，锥度用1∶10。美国肯纳金属公司开发了KM刀柄系列，也是用1∶10锥度。日本开发了BIG-PLUS刀柄系列，属于7∶24锥度的改进型。瑞典山特维克公司开发了CAPTO刀柄系列，是1∶20的空心短锥结构。
8  高速切削的研究和应用
3 {3 {% e& r1 x, }) Z* t8.1  国外高速切削加工的研究和应用
自提出高速切削的概念后，经过半个多世纪的探索和研究，才逐步用于生产。其发展过程经历了以下的几个阶段。
（1）高速切削加工理论研究和探索阶段（1931～1971年）
自20世纪30年代Salomon理论提出后，20多年没有什么重要进展，直到50年代后期，高速切削加工的理论基础研究在世界范围内开始展开。美国、日本、法国、苏联、英国和澳大利亚等国才进行了一些高速切削的理论基础研究。由于当时还没有高速加工的机床，不能进行很高速度的切削加工实验，于是采用了弹射实验方法。这些实验有的是通过弹射快速滑动带动的刀具经过工件进行切削加工，有的是弹射工件使它经过静止的刀具切削刃进行切削。美国洛克希德（Lockheed）飞机公司R.L.Vanghn研究小组于1958～1960年进行了高速切削加工的切削力、切削温度、刀具磨损、切削振动和切屑形成机理等实验研究。切削实验的工件材料有AISI4340（40CrNiMoA）钢、Ti-6Al-4A钛合金、镍基高温合金和铝合金等。刀具材料包括高速钢、硬质合金与史特莱合金（Stellite），切削速度4570～73000m/min，切削深度0.127～1.10mm。这些研究表明：高速切削加工时，切屑形状与普通切削条件下不同，随着切削速度提高，逐渐形成不连续的切屑，切屑是由于脆性断裂而形成的。在低速切削时，切削力随切削速度提高而增大，但当切削速度大到一定程度后，切削力会下降。大量研究结果还表明，高速切削加工可以通过使用能承受工件材料熔点以上温度的刀具材料来实现。提高切削速度可以改善加工表面质量。高速切削加工铝合金是可行的，刀具磨损小；但高速切削加工AISI4340钢，刀具磨损严重。只要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动，可以大大提高生产效率，显著降低生产成本。1947～1960年苏联V.D.Kuznetsov进行了高速切削加工铝和杜拉明（Duralumin，一种材料）的切削力、切屑变形、切屑硬度和加工硬化层深度的实验研究。切削速度6000～42000m/min。研究结果表明，用6000m/min切削速度切削加工铝和杜拉明是实际可行的。日本田中义信（Yoshinobu Tanaka）等人对高速切削加工进行了比较系统的实验研究，主要包括切屑形成机理、切削力、加工表面质理、切削温度和刀具磨损等，工件材料为铝、黄铜、软钢，刀具材料为高速钢、陶瓷与硬质合金，切削速度1000～45000m/min。研究结果表明，高速切削加工所形成的切屑形状、刀具磨损和加工表面质量有显著特点，随切削速度提高，剪切角增加，刀―屑接触长度减少，切削力降低，改善切削加工性能和表面质理，但刀具磨损加速。在切削速度1000～10000m/min范围内加工铝、黄铜和软钢时没有出现Salomon理论中的“死区”。1964年，法国机床研究中心、法国机械研究中心和Forest-Line公司对钢和铸铁进行了高速切削加工实验。实验证明，铸铁的高速切削加工是可行的，但钢件的高速切削加工比较困难，主要是当时没有适合于高速切削加工钢件的刀具材料。
（２）高速切削加工应用基础研究探索阶段（1972～1978年）
; g4 }) Y5 S4 }美国洛克希德导弹与空间公司R.L.King研究小组对铝合金和镍铝青铜合金进行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于实际生产的可行性。铣削实验研究表明，高速切削加工可以大幅度降低加工时间，而且由于切削力减小，可以提高加工零件的精度。因此，在生产环境中应用高速切削加工是经济可行的。该研究在实验和生产领域都取得了积极的进展。该公司为高速切削加工实验研究，改装成功一台数控铣削加工中心和一台数控立式六角车床。前者主轴转速可连续调整为18000r/min，30000r/min与100000r/min，工作台进给速度为4.93m/min;后者附加有一个14.7kW（20HP）、转速为6000r/min的铣头，最高切削速度可达3660m/min。在这期间，美国还为该公司研制一台带磨头附件的数控高速铣床，功率为18.4kW（25HP），其主轴转速可在1800～18000r/min之间无级调速，进给速度达7.6m/min。采用新设计的喷雾系统冷却主轴精密轴承。在这一阶段，还有美国、德国、澳大利亚和印度等国家的学者继续研究用高速钢、硬质合金刀具切削加工铝合金和碳钢的切屑形成机理、切削力和切削温度等。1977年美国用切削速度高达1800m/min的铣床进行高速切削加工实验研究，证实了弹射高速切削加工实验的结果和理论分析结论。在这一期间的实验研究还发现高速切削加工时产生的热量大部分被切屑所带走。在1978年CIRP年会上美国Cincinati金属切削组发表一篇“高速切削的可能性和需要”的主题报告，该文公布了1971～1978年间高速车、铣切削加工研究和生产数据，其中一部分来自参考文献，一部分来自于对CIRP会员的问卷调查，包括工厂企业和研究单位实验室。调查报告表明：生产上应用切削速度305～915m/min切削加工铸铁和钢；610～3660m/min切削加工铝合金是可行的，但要加强研究开发刀具材料和具有快速装卸工件与更换刀具的高速加工机床。
（3）高速切削加工应用研究阶段（1979～1989年）
  l$ @( H, u' l8 d1979年美国国防高级研究工程局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）开始一项为期4年的现代加工技术研究计划。该计划对高速切削加工基础理论、高速切削加工刀具技术、高速切削加工工艺、激光辅助加工以及经济可行性等进行了全面系统的研究。主要研究高速车削和铣削。工件材料包括钢、铸铁及铝、铜、铅与其合金和镍基合金等。刀具材料有碳素工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷刀具和立方氮化硼等。切削速度在改装机床上达7600m/min和弹射装置上达73000m/min。该项研究统一了在此前研究中主要争论的问题。
该研究结果明确指出：随切削速度提高，切削力降低，切削温度升高至工件材料熔点而没有出现降低情况，改善加工表面粗糙度但要注意加工中的振动；除加工铝合金外，高速切削加工钢、铁及其合金、镍基合金等，刀具均发生严重重损，寿命降低；Merchant剪切角方程可用于估算高速切削加工中切屑形成的剪切角。研究还指出，高速切削加工是经济可行的，等等。
* a* d& ]9 @+ H. T  T- C0 p1979～1983年在德国政府研究技术部（Ministry of Research and Technology）资助下，由Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）舒尔茨（Schulz H.）教授领导的研究组开展了一项合作研究，主要研究高速铣削加工过程的特点。1981年研制由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，进行了高速铣削铝合金实验研究，并于1984～1988年间全面深入系统研究了高速铣削铁族和非铁族材料的基础理论、高速切削刀具和机床技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获得许多有重要价值的成果。这一阶段对高速切削加工理论和技术的卓有成效的研究为该项技术的发展和应用奠定了重要的基础。
% A! v' o3 A; X4 S& t* A（4）高速切削加工技术发展和应用阶段（1990年至21世纪初）
/ M- X: O5 v; \  T1 a7 Z高速切削加工技术经过半个多世纪的理论和应用研究与探索，人们清楚地认识到它在制造业的市场竞争日益剧烈中的巨大潜力。进入20世纪90年代以后，各工业发达国家陆续投入到高速切削加工技术的研究、开发与应用中来，尤其是高速切削机床和刀具技术的研究、开发，与之相关的技术也得到迅速发展。1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕。新型电主轴高速切削加工中心不断投入到国际市场。高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高速切削加工技术已从理论研究进入工业应用阶段。高速切削加工技术的发展促进了机床高速化，大大推动了现代数控加工技术的发展。1996年芝加哥国际制造技术展览会（IMTS ’96）中最主要的技术话题就是机床高速化。1998年4月由美国切削刀具研究所和欧洲切削刀具联合会举办的第一届世界金属加工刀具制造会议上，与会者作了高速切削的专题报告。在1998年度芝加哥国际制造技术展览会（IMTS ’98）上，新增加了高速切削中的刀具、刀具夹持系统分会。1999年美国国家科学基金会设计与制造学科学资助者会议上，高速切削加工技术被列入重要会议议题。机床高速化的趋势日益显得突出。2001年北京国际机床展览会（CIMT ’2001）上机床最高主轴转速从上届（1999年）8000～12000r/min普遍提高到15000～20000r/min。现在加工中心主轴转速一般为15000～30000r/min，快速进给速度为30～60m/min，换刀时间为3～5s。齿轮机床的主轴最高转速也已提高到9000～12000r/min。目前已有主轴最高转速达150000r/min，换刀时间为（0.7～1.5）s的加工中心。
最近十多年来，高速切削加工理论基础研究进一步深入，取得新的进展，主要是锯齿状切屑的形成机理，高速切削加工钛合金时的切屑形成机理，机床结构动态特性及切削颤振的避免，多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配，进一步证实大部分切削热被切屑带走。切削温度的实验研究表明：现有的刀具材料高速切削加工时，不论是连续或断续切削均未出现Salomon理论中的“死区”。
& w- P) ~/ \% V" B在这一阶段，高速硬切削加工得到进一步研究、发展和应用。与磨削加工比较，它有很多优越性，在替代磨削加工方面具有很大潜力。高速干切削加工日益受到重视，它对保护环境，减少消耗，降低成本具有重大作用。研究表明，高速干切削加工铸铁、钢、铝合金，甚至超级合金和钛都是可能的，但要根据工件材料特性，合理设计切削条件。
, u) M& _% N, Z) ^" l现在在工业发达国家，高速切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业中。约有（30～50）%的模具公司，用高速切削加工技术，加工放电加工（EDM）电极、淬硬模具型腔等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90%，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车工业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地提高效率，降低成本。目前生产中高速切削加工技术水平大致情况是：粗精加工铝合金的切削速度为1000～4000m/min，最高达5000～7500m/min，主要受限于机床主轴最高转速和功率。铸铁可高速精和半精加工，速度为500～1500m/min，精铣灰铸铁最高可达2000m/min；切钢可用300～800m/min的速度高速精加工；淬硬钢（HRC 45-65）高速精加工，切削速度为100～500m/min；钢铁及其合金的最高切削速度主要受刀具寿命限制。铝合金钻孔速度为200～300m/min；模数1.5的钢齿轮的滚齿加工速度可达300～600m/min；可锻铸铁螺纹(M14×1.5)的攻丝速度为60m/min。
# b( ^- S3 z; e# m- I; Y; v* A3 k1 f8.2 国内高速切削加工的研究和应用
我国高速切削加工技术研究起步较晚，20世纪80年代，山东大学（原山东工业大学）切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了Al2O3基陶瓷高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗碳淬硬齿轮钢等，硬度HRC（50~65），切削速度为100~500m/min，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。该研究成果1986年在生产中推广应用至今。20世纪90年代后，先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具、PCBN刀具和陶瓷刀具高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度等。
沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理；天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理；上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律；广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统；东北大学研究了高速磨削技术；成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化，沈阳理工大学（原为沈阳工业学院）研制成功了高速立式铣床和高速锯床，并在其上做了很多试验。尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。
& ]# d2 H2 s/ e2 S, [“九五”期间我国高速、高效、高精度数控机床技术指标有了大幅度的提高，加工中心主轴转速普遍提高到8000r/min，最高可达12000r/min，数控车床提高到4000~6000min，快速进给速度提高到30m/min，最高达40m/min，加工中心换刀时间减少到1.5~3s。目前主要差距在于机床关键功能部件的研究开发落后于市场需求，如转速20000r/min以上的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的高速加工中心基本上还是依赖进口，并已从国外引进了相当数量的高速加工中心。
我国高速切削刀具材料也有了很大的发展，但还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。
! D6 S; p: Z& q/ ~/ S我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，20世纪80年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有90年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。采用聚晶立方氮化硼（PCBN）、Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用聚晶金刚石（PCD）、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件，铣削速度达2200m/min，钻、铰削速度达80~240m/min；采用Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/min；采用Co粉末冶金高速钢（表面TiCN涂层）整体拉刀、滚刀、剃齿刀以及硬质合金机夹专用拉刀加工各种精锻钢件、铸铁件、拉削速度达10~25m/min，滚齿速度达110m/min，剃齿速度达170m/min，大大提高了生产效率和加工精度。近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造待业引进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精铣采用主轴转速18000r/min，切削深度2mm，进给速度5m/min；精铣采用20000r/min，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工周期为6h，质量完全满足客户要求。原制造工艺包括手工铲刮和手工抛光，制造周期60h，仍无法满足客户要求。该厂在轮胎模具的加工中，需要加工一种型芯，工件材料为可加工塑料，外形类似于一个汽车轮胎，上面刻满了各种轮胎花纹。传统方法加工时，需经历十几道工序，全部用手工完成，一般的轮胎花纹加工，需14天左右，而对复杂的轮胎花纹，需加工20天以上，质量仍无法达到设计要求。现采用高速铣削加工，主轴转速为18000r/min，切削深度2mm，进给速度10m/min，加工时间24h，型芯质量满足加工要求。
虽然在我国，高速切削加工技术的研究和应用仍处于初步阶段，正在发展和推广之中，但作为面向21世纪的一种先进制造技术，有着非常强大的生命力和广阔的应用前景。
) g) `7 B4 J2 `7 u. y# E& t9 u文章关键词： 切削