高速切削加工技術及其應用探討

摘要：近年來，隨著機械加工技術的不斷成熟與發展，高速切削技術已經成為切削加工的主流和先進制造技術的一個重要發展方向。高速切削與常規切削相比，是一種新近產生的、具有創新成分的加工工藝，在加工理念上是一個巨大突破。文章主要分析了高度切削加工技術，指出其在具體生活實踐中的應用，以期對相關工作人員有所啟發和幫助。

關鍵詞：高速切削；加工技術； 機械加工技術；應用探討 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG506 文章編號：1009-2374（2015）24-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.023

隨著科學技術的不斷進步與發展，機械技工技術也在不斷成熟，機械加工技術不僅效率高、精度高，并且柔性高，在綠色制造中的應用越來越廣。切削加工技術是機械加工中的重要技術之一，應用范圍最廣，近年來，高速切削技術迎來新的發展機遇期，在關鍵技術上有所突破。目前，高速切削技術在航空航天以及模具生產領域、汽車制造等領域得以廣泛應用，并且取得了經濟效益。

1 高速切削加工技術概述

1.1 高速切削的內涵

我國學術界對高速切削至今還沒有一致的概念界定，高速切削的說法是相對于常規切削而言的，它通常比常規切削在速度和進給速度上高大約5～10倍，人們通常將這種切削技術稱為高速切削技術。當然還有其他定義，例如，有人認為當主軸的轉速達到每分鐘一萬至六萬轉，進給速度達到每分鐘40米時即為高速切削。面對不同的切削加工材料，材料不同所對應的切削加工速度也不相同，通常情況下，高速切削加工線速度的單位為米/每分鐘，例如，對鋼材來說，切削速度在380以上才稱為高速切削；對鑄鐵來說，切削速度達到700稱為高速切削；對塑料來說，切削速度達到1150稱為高度切削。依據切削材料不同，其所對應和規定的切削速度也不相同。還有按照加工的工藝進行劃分定義高速切削。

高速切削概念最早起源于德國的一個物理學家薩洛蒙，薩洛蒙在1931年提出了著名的“薩洛蒙曲線”。他認為，在常規的切削速度范圍內，切削溫度會隨著切削速度的增加而提高，但是當切削的速度不斷增加達到一定值時，切削的溫度將會隨著切削速度的增加而下降。切削達到最高溫度的臨界值與切削的具體材料有關，不同切削材料有自身的最大臨界值。如圖1所示，當切削速度在V1～V2之間時，由于切削的溫度過高，這個最高溫度已經超出刀具材料承受的最高溫度V0，因此，此時任何刀具都不能用來切削，切削工作無法完成，既是圖中的B區域，薩洛蒙將此區域稱為“死谷”。

圖1 切削速度變化和切削溫度的關系（薩洛蒙曲線）

但是當切削的速度足夠高，超出“死谷”范圍，則隨著切削速度的提升，溫度在逐漸下降，便可以用原有的刀具進行切削，此時的切削溫度與常規切削的溫度大體一致，這樣不僅節約了切削的所用工時，并且能夠有效提升機床的生產效率。

1.2 高速切削的特征

高速切削與常規切削相比，其速度高出一個數量級，因此，切削過程中的變形減小。由于速度過高，因此，切削中產生的阻力變小，更不易變形，切削力也較小，比較適合加工薄壁類的工件或是剛性較差的工件，飛機的機翼壁板便可使用高速切削加工技術。其次，由于高速切削，其切削的大部分熱量還來不及傳遞給工件就會被切屑帶走，因此，工件自身的熱量就比較低，據有關實驗測算，高速切削過程中，工件的溫度上升不過3℃，始終處于冷的狀態，避免了高溫變形，較為適合加工體積纖細較長并且容易發熱的工件。再次，由于進給速度快，切削速度高，因此單位時間內的材料切除率比常規切除高出3～6倍，材料的切除率很高。此技術在航空航天、汽車模具中已經成為廣為應用的技術。然后，在高速切削過程中，由于機床的激振頻率遠高于常規切削，因此，切削加工過程中較為平穩，工藝系統的震動較小，能夠保證切削的高精度，并且在保證高精度的同時保證低粗糙度。高速切削也較為適合光學領域的加工。最后，對于加工難度大的復合材料，高速切削具有較為明顯的加工優勢，不但能提高生產加工效率，還能有效減少刀具的磨損，提高加工質量。

2 高速切削加工技術的應用

高速切削加工技術由于具備上述的諸多優點，具有其他常規切削技術無法比擬的優勢，因此，該技術在當前的多個行業中應用廣泛，具體應用實例見表1。本文主要分析該技術在航空航天工業中應用、在汽車制造業中的應用以及在模具制造中的應用。

2.1 在航空航天工業中的應用

眾所周知，航空航天工業中有諸多零部件均是采用薄壁細筋結構，在鋼度方面較差，脆性強，對切削技術的要求較高，不能采用較大的刀具進行低速切削，因此，高速切削加工技術正好符合航空航天工業的加工要求，具有其他切削技術無法比擬的優勢。航空航天工業中的部分零件只能采用高速切削的加工工藝，目前還沒有找到其他的加工方法。飛機上有眾多零部件，這些零部件在加工中既要保證質量，同時還要壓縮成本，為此，普遍采用整體實心材料進行制造已經成為主流，這取代了以往的鉚接和焊接工藝，此種方法就是整體制造法。在整體制造法中，由于有些構件的特殊性，需要在加工中去除大部分的原材料，為保證構件質量，有些材料的去除率接近90%。此種工藝若采用高速切削技術則可以大大提高生產效率，節約加工時間，并且有效保證切削加工質量，大大降低生產成本。因此，高速切削加工技術在航空航天領域應用極其廣泛，波音公司著名的戰斗機生產就是采用整體制造法完成的，采用此種方法后，其零件減少了42%，有效提升了轉配效率。

2.2 在汽車制造業中的應用

我國和國外的汽車制造廠家大多采用敏捷柔性自動生產線，該生產線是以高速切削加工技術為基礎的。國內知名汽車生產公司一汽大眾的捷達轎車自動生產線，主要由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發動機及傳動器等高速生產線組成，該條生產線上每年的汽車產量約為15萬輛，大約每分鐘便可生產1.5輛轎車，生產效率驚人。國內的大眾桑塔納汽車生產線也是如此。就國外來說，美國GM發動機總成工廠的高速柔性自動生產線、福特汽公司以及INGERSOLL機床功底合作研制的以HVM800臥式加工中心為主的汽車生產線也是采用此種工藝，取得了巨大成功。

2.3 在模具制造中的應用

高速切削技術在磨具制造中的應用極其廣泛，歷史也較為悠久，這給傳統模具加工帶來了巨大沖擊，尤其是在生產流程方面。自由曲面在模具中較為常見，該種曲面的制作較為復雜，并且具有很高的硬度。若使用普通的切削工藝則很難在精度上和形狀上予以保證，根據普通的切削加工方法，通常是在退火之后進行銑削加工，在這一流程結束后進行熱處理加工、磨削加工以及電火花加工，在工序的最后還要進行打磨，同時進行拋光。由此看來，普通工藝方法不僅耗時較長，加工復雜難以控制，同時還要考慮手工制作中的誤差，費時費力。但當引入高速切削加工技術，利用該技術精準的切削精度，可以替代原有的手工加工，大大縮短了工時，提高了效率。同時，隨著各種新型刀具的出現，該技術將會逐漸取代磨削加工技術和電火花技術。

3 結語

高速切削加工技術在新時期已經得到廣泛應用，是切削加工的主流工藝，該技術對機械制造行業來說是一次巨大而深刻的變革，將會對今后機械行業的發展產生巨大推動作用。但是也應該認識到我國的高速切削技術仍處于低水平階段，機床加工中使用的切削速度與發達國家相比仍有很大差距，學術界對高速切削加工技術的理論研究還處于不成熟階段，在許多技術領域仍沒有重大突破，因此，我國要致力于研發高速切削加工技術，爭取盡量縮小與發達國家的差距。

參考文獻

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作者簡介：李東光，男，山東昌邑人，中國海洋大學學生，南車四方車輛有限公司工程師，研究方向：金屬加工和材料成型。

（責任編輯：陳 倩）