务Ｉ泣止勺矽似
高速切削技术的发展及应用
席俊杰１。２，徐颖３
（１郑州航空工业管理学院，郑州４５００１５：２中国矿业大学（北京），北京１０００８３；
３北京机械工业自动化研究所．北京１０００１１）
摘要：高速切削技术已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削较之常规
切削是一种创新的加工工艺和加工理念。分析了高速切削技术的特点，研究了高速切削的关键
技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，介绍了高速切削技术在航空航天和汽车制造等领域的
发展及应用。
关键词：高速切削；超高速切削；机床；刀具；工艺
中图分类号：Ｔ＠５０８
文献标识码：Ａ文章编号：１
００９０１
６４（２００５）１
２００２６—０４
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅ
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ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｏｎｃｅｐｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ
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机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性
术——机床技术、刀具技术和工艺技术及其应用。
和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削
加工是应用最广泛的加工方法。近年来，高速切削
１高速切削技术概述
１．１高速切削的概念
高速田削（Ｈｉ曲ＳｐｅｅｄＣｕｔｔｉｎｇ）是一个相对概
念，迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出５～１０倍的切削加工，有时也称为超高速切削（Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ
Ｓｐｅｅｄ
技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。在数控机床出现以前，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时间超过工件加工总工时的７０％；以数控机床为基础的柔性制造技术的发展和应用，大大降低了工件加
工的辅助时间，切削所占时间比例越来越大。因此，
Ｃｕｔｔｉｎｇ）。也有将主轴转速达到１００００ｒ／ｍｉｎ～６００００
ｒ／ｍｉｎ，快速进给速度４０ｍ／ｍｉｎ以上，平均进给速度１０ｍ／ｍｉｎ以上，加速度大于１９的切削加工定义为高
实现高速切削以降低切削工时，成为提高机床生产率的重要技术手段之一。目前，高速切ＨⅡ技术在航
空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获得广泛
速切削。对于不同的Ｔ件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加Ｊ二的线速度，单位ｍ／ｒａｉｎ）范围也
不同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到３８０ｍ／ｍｉｎ以上、铸铁７００Ｔ１１，ｍｉｎ以上、铜材１０００ｍ／ｒａｉｎ以卜、铝材ｌｌＯＯｍＪｍｉｎ以上－、塑料１１５０ｒｎ／ｍｉｎ以
应用，并产生了巨大的经济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高速切削作为一种新的切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。本文着重研究了高速切削的关键技
收摘日期：２００５—０６．２３
基全项目：河南省软科学研究项目（０４１３０４３０００）作者简介：席俊杰（１９６６
），男，河南巩义人，郑州航空Ｊ二业管理学院副教授，中国矿、Ｉｋ大学（北京）博士研究生，主
要从事制造技术研究。
【２６】
第２７卷第１２期２００５—１２
万方数据
上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工
工艺划分，高速切削速度范围为：车１驯７００～７０００ｍ／ｒａｉｎ，铣削３００～６０００ｍ／ｒａｉｎ，钻削２００～１１００ｍ／ｍｉｎ，磨削５０００～１００００ｍ／ｍｉｎ。
高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙
（ＣａｒｌＳａｌｏｍｏｎ）１９３１年提出的，现在人们常用“萨
洛蒙曲线”来表示。他认为，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，一定的
工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度
最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个
速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具
材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速
区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削ｊ二时，大幅度提高机床生产率。
１．２高速切削技术的特点
高速切削速度较之常规切削速度几乎高出一个
数量级，其切削机理异于常规切削。由于切削机理的改变，使得高速切削技术具有如下特点：
（１）切削力小
由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，从而使切削力比常规
切削降低３０％以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件
受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄
壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。
（２）工件热变形小
在高速切削时，９０％以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少，
工件温升不会超过３℃，基本保持冷态，不会由于温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变的工件。
（３）材料切除率高
随切肖¨速度的提高，进给速度也相应提高５～１０
倍，单位时间内的材料切除率町达常规切削的３～６
倍，适用于材料切除率要求大的场合，在航空航天、
汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工
整体构件最理想的制造技术。在２００１年德国汉诺威举办的欧洲机床展览会（ＥＭＯ）上展出的荷兰Ｕｎｉｓｉｇｎ公司制造的Ｕｎｉｐｒｏ一５型五轴立式加工中心（ｘ行程１０００１１７１１１１、Ｙ行程８００ｍｍ），电主轴功率１００ｋＷ，最高转速２５，０００ｒ／ｒａｉｎ，最大扭矩９０Ｎ・ｎｌ，其铣削铝合金的材料切除率已达８，０００～１０，０００ＣＦｆｌ３／ｍｉｎ。
万
方数据（４）工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工
在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超出了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围（５０～３００Ｈｚ），使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的
表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的
精加工工序。例如，瑞士ＤＩＸＩ机械公司生产的
ＤＨＰ５０高精度卧式加工中心，工作台５００×５００ｍｍ，双托盘，行程为７００×７００×７００ｒａｍ，主轴转速为
１２，０００ｒ／ｍｉｎ，功率为２５ｋｗ，刀库容量６５把，换刀
时间４ｓ（Ｔ—Ｔ），６ｓ（Ｃ—Ｃ），定位精度４ｂｔｒｎ，重复定位精度２ｌ＿ｔｍ（按ＩＳ０２３０—２标准），测量分辨率０．５ｐｍ。高
速切削尤其适合于光学等领域的加工。
（５）可加工难加工材料
难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、
复合材料和耐磨铸铁等的切削加上不仅切削效率低，
而且刀具寿命短。高速切削时，由于切削力小，切屑
变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材
料。例如，航空制造业中大量采用的镍基合金、钛合金材料强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削
温度高，刀具磨损严重，在常规切削中一般采用很低
的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到１００～１（＇ｆｆｌＯｎｖ＇ｍｉｎ，不但能大幅度提高机床生产率，而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。
（６）高速干切削可以实现加工过程的绿色制造
高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何
切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负而影响。目前，能实现高速干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。
２高速切削的关键技术
高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不
只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。２．１高速切削机床技术
性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提
和关键，而具有高精度的高速丰轴和控制精度高的高速进给系统，则是高速切削机床技术的关键所在。
（１）高速主轴
，
高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大
第２７卷第１２期２００５
１２
［２７１
程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削的加工
中心其主轴最高转速一般都大干１０，０００ｒ／ｍｉｎ，有的
高达６０，０００～１００，０００ｒ／ｍｉｎ，为普通机床的１０倍左右；主电动机功率１５～８０ｋＷ，以满足高速车削、高速铣削之要求。
随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢
量控制技术等）的快速发展，高速数控机床主传动的机械结构得到极大简化，取消了齿轮传动和带传动，实现了机床的“零传动”，采用机床主轴与主轴
电机一体化的传动结构形式，即所谓的电主轴。
轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。电主
轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁
悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、
结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点，在电
主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时，润滑极为重要，目前，电主轴主要采用两种润滑方式：油脂润滑和油一气润滑。油雾润滑尽管价廉，但
因其污染环境、损害操作工人健康，不符合绿色制
造和可持续发展原则，国外电主轴公司已不再使用。
流体静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高和阻尼特性好等优点。气体静压轴
承电主轴转速可高达１００，０００～２００，０００ｒ／ｍｉｎ，缺
点是刚度差，承载能力低；液体静压轴承刚度高，承载能力强。磁悬浮轴承又称磁力轴承，也为非接触式轴承，没有磨损，无需任何润滑。目前，生产磁悬浮轴承电主轴的厂家有德国ＧＭＮ公司、瑞士
ＩＢＡＧ公司及中国洛阳轴承研究所等。
（２）高速进给系统
控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削
的关键技术之一。
传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其技术改进和技术创新，才能适应高速切削之要求。主要技术措施有：（１）丝杠
采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（２）为降低高
速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心
丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传
动系统之精度。（３）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大
一小间隔排列，可有效降低高速运行时的噪声。（４）
改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（５）采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺
１２８１
第２７卷第１２期２００５１２
万
方数据母与驱动电机的转子集成为一体，由转子直接驱动。该结构由于丝杠固定不动，螺母作高速旋转的同时
作轴向移动，故可消除丝杠临界转速的限制。
高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为０．５～１．Ｏｇ，行程范围≤６ｍ，用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其加速度可高达２－１０９，行程范围不受限制，用于高档高速数控机床和高速加工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（１）高速响应性。由于系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使
整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异
常灵敏快捷。（２）速度和加速度高。最大进给速度可
达８０－－１８０ｒｎ／ｍｉｎ，加速度可高达２～１０９。（３）定位
精度高。直线电机进给驱动系统常用光栅尺作为位
置测量元件，采用闭环控制，因而定位精度可高达０．１～Ｏ．０１Ｉ．ｔｍ。
直线电机伺服系统的价格约是高速滚珠丝杠伺
服系统的２５倍，但在加速度大于】ｇ的情况下，前
者仍是高速进给系统的唯一选择。２．２高速切削刀具技术
刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选
择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。
（１）高速切削刀具材料
高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬
度、高强度和耐磨性；高韧度，良好的耐热冲击性；
高热硬性、良好的化学稳定性。目前，高速切削加
工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（Ａ１…Ｏ
Ｓｉ，Ｎ。）、立方氮化硼（ＣＢＮ）材料和聚晶金刚石
（ＰＣＤ）材料等。
①涂层刀具
目前，用于高速切削刀具的涂层主要有两类：
一类是“硬”涂层，如ＴｉＣ、ＴｉＮ和ＡＩ。Ｏ，等涂层刀具，其优点是硬度高、耐磨性好。其中，ＴｉＣ涂层刀
具具有很强的抗后刀面磨损能力，ＴｉＮ涂层刀具则具有理想的抗月牙洼功能。一类是“软”涂层，如
ＭｏＳ，、ＷＳ等涂层刀具，这类刀具也称为“自润滑刀具”，刀具、工件和切屑之间的摩擦系数很低，只
有约０．叭，能降低切削力和切削温度。航空航天工
业用材如高强度硬质合金、钛合金等的加工就不适合采用“硬”涂层刀具；采用“软”涂层刀具，可防止刀刃上产生积屑瘤，提高工件表面加工质量，
延长刀具寿命。
②陶瓷刀具
陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。可用于高速切削的陶瓷刀具包括金属陶瓷
《Ｃｅｒｍｅｔ）、氧化铝陶瓷ｆＡＩ，０：）和氮化硅陶瓷（Ｓｉ，Ｎ。）等。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，适于加工５０～６５ＨＲＣ的高硬度材料；高温性能好，在１２００＂Ｃ的高温下仍能进行切削；具有良好的抗粘结性能，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好。但陶瓷刀具抗冲击裁荷能力差、抗热冲击性能差，因此，用陶瓷刀具进行切削时，不宜使用切削液，适
于进行高速干切削。
③立方氮化硼（ＣＢＮ）
立方氮化硼（ＣＢＮ）材料的硬度仅次于金刚石，高达３２００～４０００ＨＶ，具有很高的耐磨性、热稳定性
和化学稳定性，最适于高硬度淬火钢、高温合金、硬化轴承钢（６０～６２ＨＲＣ）、工具钢（５７～６０ＨＲＣ）、高速钢（６２ＨＲＣ）等材料的高速切削。
④聚晶金刚石（ＰＣＤ）
聚晶金刚石（ＰＣＤ）材料的硬度约为ＣＢＮ的２倍，其导热性好、热膨胀系数小、摩擦系数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料的高速切削，是实现高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度
切削加工的重要刀具。ＰＣＤ刀具主要用于轻金属及
其台金、新型陶瓷材料及难加工材料的高速切削，
用于精密、超精密及光学元件的精加工。
（２）高速切削刀具系统
刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具约
小１００，后角约大５。～８。。
刀具在高速旋转时，会承受很大的离心力，其大小远远超过切削力，成为刀具的主要载荷，足以
导致刀体破碎，造成重大事故。以高速铣刀为例，提高刀具设计的安全性技术有：①高速铣刀大多采用ＨＳＫ空心短锥刀柄与机床主轴连接，有时做成整体式结构，以提高刚性和安装的重复定位精度。②在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个
附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。对
安装在高速主轴上的旋转刀具来说，高精度的动平
衡是至关重要的。德国１９９４午起草的《高速旋转铣
刀的安全性要求》标准规定，用于高速切削的铣刀
必须经过动平衡测试。
２
３高速切削工艺技术
高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常
万
方数据规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程；而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、
多行程的加工工艺。在进行高速切削时，工件材料不同，所选用的切削刀具、切削＿］＝艺和切序＂参数也有很大不同。下面我们着重研究轻金属、钢和铸铁的高速切削工艺技术。
（１）高速切削轻金属技术
铝台金因具有良好的耐蚀性，较高的比强度，导电性及导热性好等优点，在汽车工业和航空航天Ｔ业中已经大量应用。铝镁台金大多使用铸件。这蝗轻合金的最大优点就是其固有的易切特性。轻合金可采用很高的切削速度和进给速度进行加工，切
削速度可高达１０００～７５００ｍ／ｍｉｎ，高速切削使９５～
９８％的切削热被切屑迅速带走，工件保持室温状态，
热变形小，加工精度高。
高速铣削轻金属时，由于加工过程存在较大的冲击载荷，ＰＣＤ和ＣＢＮ刀具的寿命特性并不好。当
切削速度达到１０００ｍ／ｍｉｎ时，可使用Ｋ型硬质合金刀具｝当切削速度达到２０００ｍ／ｍｉｎ时，可使用金属陶瓷刀具；当切自Ⅱ速度更高时，可使用ＰＣＤ刀具；
高速铣削铝镁合金时，可使用Ｋ１０硬质台金刀具。
（２）高速切削钢和铸铁技术
高速铣削钢和铸铁时，遇到的主要问题是刀具的磨损。
高速铣削钢材时，刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。刀具的磨损与工件材料的力学性能有关。如工件材料的抗
拉强度增大，则刀具磨损增加，因此应减少每齿的进给量。表１给出了钢的切削速度和每齿进给量。
表１钢的切削速度和每齿进给量
刀具材料切削速度（ｒｒ—ｍｉｎ）
每齿进给量（Ⅲｍ）
镀层硬质台金
５１００３ｌ金属陶瓷
６０００２～０２５
Ｓｉ３Ｎ４
８１０
０１６
表２铸铁的切削速度和每齿进给量
刀具材料剀削速度（ｎｇｍｉｎ）
每齿进给量（ｍⅢ）
硬赝台会
４３００．６５Ｓｉ３Ｎ４
２０００
０３１ＣＢＮ
３０００～４０００
０３ｌ
高速铣削铸铁时，切削速度的选择取决于刀具材料。提高切削速度和减少每齿进给量，可提高工
【下转第６２页】
第２７卷第１２期２００５～１２１２０１
校验位（占一个字节）为发送端的固定代码。
（２）通讯软件实现
ＣＡＮ通讯系统软件设计中，对于接受采用中断的方式，要求系统对于接受到的数据必须马上处理，以提高系统的实时响应特性，其程序流程图见图４。
ＤＳＰ上传实时采集数据的发送采用定时查询的方式，查询ＡＤＣ采样是否结束并且进行了相应的数据处理后，立即将数据通过ＣＡＮ控制器装载并发送到ＣＡＮ总线上。
于ＤｓＰ的现场总线数据采集素统也将具有这样的优
点。为数据采集和系统的控制带来新的福音。以上
系统通过在某油井的管路系统中的运用，基本达到
预期效果。数据的采集和存储比较稳定，维护成本
也比较低。
参考文献：
［１］划和平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ结构、原理及应用【ＭＩ北京
航空航天大学出版，２００２．
【２］２张雄伟，曹铁勇．ＤＳＰ芯片的原理与开发应用『Ｍ】电子工
业出版社，２０００
【３］３江思敏，等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ＸＤＳＰ硬件开发教程【Ｍ］机械
工业出版社。２００３．
【４］饶运涛，等，现场总线ＣＡＮ原理与应用技术【Ｍ】北京：北
京航空航天大学出皈社．２００３．
【５】张雄伟，曹铁勇ＤＳＰ芯片的原理与开发应用【Ｍ】．电子工
业出版社，２０００
４结语
开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的
三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。基
【上接第２９页】
｛矗●●毒‘＾矗‘●缸｛毒｜｛站｛缸●出｝｛矗‘ｊ蠡‘｛曳｝｛缸｛矗‘｛缸｛出‘｛缸｛缸｛缸｛矗‘｛童‘｛缸ｊ缸ｊ缸｛缸
件表面加工质量。表２给出了铸铁的切削速度和每
齿进给量。
Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ机床公司合作研制的以ＨＶＭ８００卧式加工
中心为主的汽车生产线等。
３高速切削技术的应用
３．１高速切削在航空航天工业中的应用
航空航天工业中许多零件采用薄壁、细筋结构，由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，
４结语
高速切削技术已经成为切削加工的主流，高速切削技术对于机械制造业来说是一场深刻的技术革命，必将对机械制造蛾产生重要而深远的影响。
高速切削技术的发展和应用是一项复杂的系统
高速切削成为此类零件加工工艺的唯一选择。
飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成的部件，改用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。有的整体构件的材料去除率高达９０％，采用高速切削可大大提高生产率和产品质量，降低制造成本，这也是高速切削技术在飞机制造业获得广泛应用的主要原因。例如，波音公司在生产波音Ｆ／１５战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了４２％，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。
３．２高速切削在汽车制造业中的应用
以高速加工技术为基础的敏捷柔性自动生产线被越来越多的国内外汽车制造厂家使用。国内如一
汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、
工程，它涉及到刀具、机床、工艺、材料、敏捷生产、网络化、智能化和故障诊断等诸多领域的技术
发展和创新。
为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求，高速切削和高速加工技术必将在生产工艺离散型和混合型企业（如模具、船舶、汽车和航空航天等制造企业）中得到进一步发展和应用。
参考文献：
【ｌ】张伯霖高速切削技术及应用ＩＭＩ北京机械工业ｍ版社，
２００２
【２］朱有为高速切削技术的应用分析［Ｊ］长沙大学学报，２００３，
４：７４－７７．
［３１艾兴，刘战强，赵军，等高速切削刀具材料的进展【Ｊ】制造
技术与机床，２００１，８：２１—２５
［４】４荣烈润．高速团削技术的发展现状［Ｊ】．机电一体化，２００２，
ｌ：６—９
总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿
车能力１５万辆，制造节拍１．５０分，辆；上海大众桑塔纳轿车自动生产线等。国外如美国ＧＭ发动机总成工厂的高速柔性自动生产线、福特汽车公司和
【６２】
第２７卷第１２期２００５－１２
【５Ｊ陈光明高速切削技术的优势及经济性【Ｊ】机床与液压
２００１．２：１５－１７
［６】刘志峰，张崇高，任家隆干切肖Ⅱ加工技术及应用【Ｍ］北京
机械工业出版社．２００５．
万方数据
高速切削技术的发展及应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
席俊杰， 徐颖， XI Jun-jie， XU Ying
席俊杰,XI Jun-jie(郑州航空工业管理学院,郑州,450015;中国矿业大学(北京),北京,100083) ， 徐颖,XU Ying(北京机械工业自动化研究所,北京,100011)制造业自动化
MANUFACTURING AUTOMATION2005，27(12)9次
参考文献(6条)
1. 刘志峰;张崇高;任家隆 干切削加工技术及应用 2005
2. 陈光明 高速切削技术的优势及经济性[期刊论文]-机床与液压 2001(2)3. 荣烈润 高速切削技术的发展现状[期刊论文]-机电一体化 2002(1)
4. 艾兴;刘战强;赵军 高速切削刀具材料的进展[期刊论文]-制造技术与机床 2001(08)5. 朱有为 高速切削技术的应用分析[期刊论文]-长沙大学学报 2003(4)6. 张伯霖 高速切削技术及应用 2002
相似文献(10条)
1.会议论文 杨广勇 超高速切削技术 1997
超高速切削是集高效、优质和低耗为一身的先进制造技术。它借助于自身独特的加工机理和技术特点，使切削技术产生了彻底的改革性进步。该文分析综述了超高速切削技术的概念、发展、加工机理、技术特点、应用及其关键技术；介绍了国内外的研究、发展现状；对该项技术在中国的应用前景作了展望和预测；指出了中国的发展途径。
2.期刊论文 王正君. 史津平. 周小玉 高速超高速切削及高速切削机床 -机床与液压2001,1(1)
介绍了高速、超高速切削技术发展状况及其特点，并讨论了高速、超高速切削关键设备——高速机床。
3.期刊论文 王西彬. 解丽静. WANG Xibin. XIE Lijing 超高速切削技术及其新进展 -中国机械工程2000,11(1)
阐述了超高速切削的概念、特点和发展这项技术的重要性,分析了超高速切削的技术体系、技术现状和发展趋势,并就我国发展超高速切削的基础关键技术进行了讨论.
4.期刊论文 赵军. 郑光明. 李安海. 崔晓斌. ZHAO Jun. ZHENG Guang-ming. LI An-hai. CUI Xiao-bin 超高速切削Inconel 718刀具寿命研究及切削参数优化 -哈尔滨理工大学学报2011,16(1)
针对Inconel 718加工时,切削效率低和刀具磨损严重,通过角正交试验对Sialon陶瓷刀具超高速切削Inconel 718的刀具寿命及磨损机理进行了研究,同时利用等效率-等寿命响应曲面法,对切削参数进行了优化,获得了干切削状态下刀具寿命的经验公式,得到陶瓷刀具超高速切削Inconel 718主要的磨损机理是粘结磨损和磨粒磨损,在效率不变的情况下,适当的降低切削速度,增大切削深度,可以提高刀具寿命,试验刀具的切削参数优化结果为:切削速度150～250 m/min、切削深度0.05～0.2 mm、进给量0.1～0.2 mm,在该建议切削参数下刀具寿命约在5～20 min.
5.会议论文 杨广勇 超高速切削时刀具的动平衡及自动化的主轴平衡系统 1999
超高速切削时随着主轴转速的提高离心力会大幅度增加，刀具、工件和主轴会被损坏，操作人员的安全受到威胁，因此高速回转刀具的动平衡是必不可少的。集成在主轴上的自动化平衡系统可以特别有效地工作，它可以在极短的时间内同步地降低机床主轴的振动，从而使超高速切削变得更加快速、精密和可靠。
6.期刊论文 吴敏镜 超高速切削机床和超高速刀具技术的现状 -新技术新工艺2002(5)
在机械制造业中,实现高生产率已成为追求利润的重要手段之一,因此,高速切削和超高速切削发展迅速,这里,对超高速机床与超高速切削刀具的现状与进展作一简单介绍.
7.期刊论文 莫荣利. 陈灿辉. 邓朝晖. Mo Rongli. Chen Canhui. Deng Zhaohui 超高速切削在降低轨道车辆用空气弹簧摩擦因数中的应用 -机械制造2009,47(4)
介绍了超高速切削加工技术.研究了将该技术应用在降低空气弹簧摩擦因数方面.
8.学位论文 刘煜 超高速切削的机理研究 1997
该文对超高速切削的机理进行了研究.采用金属陶瓷刀具NT5、NT6超高速铣削美国EX30软钢,切削速度达到785m/min.在试验数据的基础上,得到刀具耐用度T与切削速度V,切削温度与切削速度V,主切削力F与切削速度V、吃刀量a、进给速度V之间的关系与规律,给出了关系曲线与关系式,并对这些关系与规律进行了机理上的分析和讨论.采用氧化铝基陶瓷刀具AT6、国产氮化硅基陶瓷刀具FD-03及FD-04超高速铣削铸铁,切削速度达到
1011m/min.在试验数据的基础上,得到刀具耐用度T与切削速度V、吃刀量a、每齿进给量a,切削温度与切削速度V、吃刀量a、进给量f,主切削力F与切削速度V、吃刀量a、进给速度V之间的关系与规律,给出了关系曲线与关系式,并对这些关系与规律进行了机理上的分析和讨论.
9.期刊论文 李合生. 曾忠. 曹炜. LI He-sheng. ZENG Zhong. CAO Wei 超高速切削加工技术及其发展趋势 -机械设计与制造2005(5)
简述了超高速切削的机理与特点,介绍了该技术在国内外的发展及技术应用领域,分析了关键技术并展望了发展趋势.
10.期刊论文 赵鹏喜. 张曙灵. ZHAO Peng-xi. ZHANG Shu-ling 高速切削理论在机械加工中的应用 -木材加工机械
2007,18(6)
对高速切削现状与发展作了概括介绍.
引证文献(9条)
1. 孙军. 王玉玲. 万光辉 钢管高速冲裁机构刀具动态仿真与工艺优化[期刊论文]-沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2010(5)
2. 孟葵阳 高速切削的工艺及应用分析[期刊论文]-科技信息 2009(24)
3. 徐宏海. 徐倩. 刘东 碳纤维复合材料高速铣削实验研究[期刊论文]-机械设计与制造 2009(12)4. 王海叶. 彭中年. 程良田 基于HSM的CNC编程技术的研究[期刊论文]-机械 2009(12)5. 胡炜 高速切削的工艺及应用分析[期刊论文]-机械研究与应用 2009(2)
6. 曾维林. 吴连连 高速切削加工技术的研究现状及应用[期刊论文]-机械研究与应用 2008(5)
7. 薛建勋. 孙全平 基于ACIS的高速切削加工编程系统的研究与开发[期刊论文]-中国科技信息 2008(16)
8. 金晓强. 季林红. 王子羲. 陈里宁 水轮机叶片坑内修复机器人修磨方式研究[期刊论文]-机械设计与制造 2008(1)9. 聂建林 数控刀具寿命智能化管理系统的研究[学位论文]硕士 2006
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_zzyzdh200512008.aspx授权使用：中南大学(zndx)，授权号：8840e68f-6a5a-4df9-9f94-9f0301381670
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高速切削技术的发展及应用
席俊杰１。２，徐颖３
（１郑州航空工业管理学院，郑州４５００１５：２中国矿业大学（北京），北京１０００８３；
３北京机械工业自动化研究所．北京１０００１１）
摘要：高速切削技术已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。高速切削较之常规
切削是一种创新的加工工艺和加工理念。分析了高速切削技术的特点，研究了高速切削的关键
技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，介绍了高速切削技术在航空航天和汽车制造等领域的
发展及应用。
关键词：高速切削；超高速切削；机床；刀具；工艺
中图分类号：Ｔ＠５０８
文献标识码：Ａ文章编号：１
００９０１
６４（２００５）１
２００２６—０４
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｘｌ
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ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎ９１０００８３．Ｃｈｉｎａ；３ＢｅｉｊｉｎｇＲｅｓｅａｒｏｈＴｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｆｏｒ
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇｉｓ
ｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎ
ｔｒｅｎｄｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄ
ａｎ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｄｖａｎｃｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｕｔｆｉｎｇ，ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｆｆｉｎｇｉｓ
ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅ
ａｎ
ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｏｎｃｅｐｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅｋｅｙ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇ：ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ，ｃｕｆｆｉｎｇｔｏｏｌｓａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｔ
ａｓｌｏ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ
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ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｆｉｅｌｄｓｏｆ
ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｅｔｃ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇ；ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔＩｉｎｇ；ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ；ｃｕｉｎｇｔｏｏｌｓ；ｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性
术——机床技术、刀具技术和工艺技术及其应用。
和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削
加工是应用最广泛的加工方法。近年来，高速切削
１高速切削技术概述
１．１高速切削的概念
高速田削（Ｈｉ曲ＳｐｅｅｄＣｕｔｔｉｎｇ）是一个相对概
念，迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出５～１０倍的切削加工，有时也称为超高速切削（Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ
Ｓｐｅｅｄ
技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。在数控机床出现以前，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时间超过工件加工总工时的７０％；以数控机床为基础的柔性制造技术的发展和应用，大大降低了工件加
工的辅助时间，切削所占时间比例越来越大。因此，
Ｃｕｔｔｉｎｇ）。也有将主轴转速达到１００００ｒ／ｍｉｎ～６００００
ｒ／ｍｉｎ，快速进给速度４０ｍ／ｍｉｎ以上，平均进给速度１０ｍ／ｍｉｎ以上，加速度大于１９的切削加工定义为高
实现高速切削以降低切削工时，成为提高机床生产率的重要技术手段之一。目前，高速切ＨⅡ技术在航
空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获得广泛
速切削。对于不同的Ｔ件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加Ｊ二的线速度，单位ｍ／ｒａｉｎ）范围也
不同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到３８０ｍ／ｍｉｎ以上、铸铁７００Ｔ１１，ｍｉｎ以上、铜材１０００ｍ／ｒａｉｎ以卜、铝材ｌｌＯＯｍＪｍｉｎ以上－、塑料１１５０ｒｎ／ｍｉｎ以
应用，并产生了巨大的经济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高速切削作为一种新的切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。本文着重研究了高速切削的关键技
收摘日期：２００５—０６．２３
基全项目：河南省软科学研究项目（０４１３０４３０００）作者简介：席俊杰（１９６６
），男，河南巩义人，郑州航空Ｊ二业管理学院副教授，中国矿、Ｉｋ大学（北京）博士研究生，主
要从事制造技术研究。
【２６】
第２７卷第１２期２００５—１２
万方数据
上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工
工艺划分，高速切削速度范围为：车１驯７００～７０００ｍ／ｒａｉｎ，铣削３００～６０００ｍ／ｒａｉｎ，钻削２００～１１００ｍ／ｍｉｎ，磨削５０００～１００００ｍ／ｍｉｎ。
高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙
（ＣａｒｌＳａｌｏｍｏｎ）１９３１年提出的，现在人们常用“萨
洛蒙曲线”来表示。他认为，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，一定的
工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度
最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个
速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具
材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速
区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削ｊ二时，大幅度提高机床生产率。
１．２高速切削技术的特点
高速切削速度较之常规切削速度几乎高出一个
数量级，其切削机理异于常规切削。由于切削机理的改变，使得高速切削技术具有如下特点：
（１）切削力小
由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，从而使切削力比常规
切削降低３０％以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件
受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄
壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。
（２）工件热变形小
在高速切削时，９０％以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少，
工件温升不会超过３℃，基本保持冷态，不会由于温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变的工件。
（３）材料切除率高
随切肖¨速度的提高，进给速度也相应提高５～１０
倍，单位时间内的材料切除率町达常规切削的３～６
倍，适用于材料切除率要求大的场合，在航空航天、
汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工
整体构件最理想的制造技术。在２００１年德国汉诺威举办的欧洲机床展览会（ＥＭＯ）上展出的荷兰Ｕｎｉｓｉｇｎ公司制造的Ｕｎｉｐｒｏ一５型五轴立式加工中心（ｘ行程１０００１１７１１１１、Ｙ行程８００ｍｍ），电主轴功率１００ｋＷ，最高转速２５，０００ｒ／ｒａｉｎ，最大扭矩９０Ｎ・ｎｌ，其铣削铝合金的材料切除率已达８，０００～１０，０００ＣＦｆｌ３／ｍｉｎ。
万
方数据（４）工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工
在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超出了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围（５０～３００Ｈｚ），使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的
表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的
精加工工序。例如，瑞士ＤＩＸＩ机械公司生产的
ＤＨＰ５０高精度卧式加工中心，工作台５００×５００ｍｍ，双托盘，行程为７００×７００×７００ｒａｍ，主轴转速为
１２，０００ｒ／ｍｉｎ，功率为２５ｋｗ，刀库容量６５把，换刀
时间４ｓ（Ｔ—Ｔ），６ｓ（Ｃ—Ｃ），定位精度４ｂｔｒｎ，重复定位精度２ｌ＿ｔｍ（按ＩＳ０２３０—２标准），测量分辨率０．５ｐｍ。高
速切削尤其适合于光学等领域的加工。
（５）可加工难加工材料
难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、
复合材料和耐磨铸铁等的切削加上不仅切削效率低，
而且刀具寿命短。高速切削时，由于切削力小，切屑
变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材
料。例如，航空制造业中大量采用的镍基合金、钛合金材料强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削
温度高，刀具磨损严重，在常规切削中一般采用很低
的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到１００～１（＇ｆｆｌＯｎｖ＇ｍｉｎ，不但能大幅度提高机床生产率，而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。
（６）高速干切削可以实现加工过程的绿色制造
高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何
切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负而影响。目前，能实现高速干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。
２高速切削的关键技术
高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不
只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。２．１高速切削机床技术
性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提
和关键，而具有高精度的高速丰轴和控制精度高的高速进给系统，则是高速切削机床技术的关键所在。
（１）高速主轴
，
高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大
第２７卷第１２期２００５
１２
［２７１
程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削的加工
中心其主轴最高转速一般都大干１０，０００ｒ／ｍｉｎ，有的
高达６０，０００～１００，０００ｒ／ｍｉｎ，为普通机床的１０倍左右；主电动机功率１５～８０ｋＷ，以满足高速车削、高速铣削之要求。
随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢
量控制技术等）的快速发展，高速数控机床主传动的机械结构得到极大简化，取消了齿轮传动和带传动，实现了机床的“零传动”，采用机床主轴与主轴
电机一体化的传动结构形式，即所谓的电主轴。
轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。电主
轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁
悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、
结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点，在电
主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时，润滑极为重要，目前，电主轴主要采用两种润滑方式：油脂润滑和油一气润滑。油雾润滑尽管价廉，但
因其污染环境、损害操作工人健康，不符合绿色制
造和可持续发展原则，国外电主轴公司已不再使用。
流体静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高和阻尼特性好等优点。气体静压轴
承电主轴转速可高达１００，０００～２００，０００ｒ／ｍｉｎ，缺
点是刚度差，承载能力低；液体静压轴承刚度高，承载能力强。磁悬浮轴承又称磁力轴承，也为非接触式轴承，没有磨损，无需任何润滑。目前，生产磁悬浮轴承电主轴的厂家有德国ＧＭＮ公司、瑞士
ＩＢＡＧ公司及中国洛阳轴承研究所等。
（２）高速进给系统
控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削
的关键技术之一。
传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其技术改进和技术创新，才能适应高速切削之要求。主要技术措施有：（１）丝杠
采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（２）为降低高
速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心
丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传
动系统之精度。（３）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大
一小间隔排列，可有效降低高速运行时的噪声。（４）
改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（５）采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺
１２８１
第２７卷第１２期２００５１２
万
方数据母与驱动电机的转子集成为一体，由转子直接驱动。该结构由于丝杠固定不动，螺母作高速旋转的同时
作轴向移动，故可消除丝杠临界转速的限制。
高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为０．５～１．Ｏｇ，行程范围≤６ｍ，用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其加速度可高达２－１０９，行程范围不受限制，用于高档高速数控机床和高速加工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（１）高速响应性。由于系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使
整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异
常灵敏快捷。（２）速度和加速度高。最大进给速度可
达８０－－１８０ｒｎ／ｍｉｎ，加速度可高达２～１０９。（３）定位
精度高。直线电机进给驱动系统常用光栅尺作为位
置测量元件，采用闭环控制，因而定位精度可高达０．１～Ｏ．０１Ｉ．ｔｍ。
直线电机伺服系统的价格约是高速滚珠丝杠伺
服系统的２５倍，但在加速度大于】ｇ的情况下，前
者仍是高速进给系统的唯一选择。２．２高速切削刀具技术
刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选
择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。
（１）高速切削刀具材料
高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬
度、高强度和耐磨性；高韧度，良好的耐热冲击性；
高热硬性、良好的化学稳定性。目前，高速切削加
工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（Ａ１…Ｏ
Ｓｉ，Ｎ。）、立方氮化硼（ＣＢＮ）材料和聚晶金刚石
（ＰＣＤ）材料等。
①涂层刀具
目前，用于高速切削刀具的涂层主要有两类：
一类是“硬”涂层，如ＴｉＣ、ＴｉＮ和ＡＩ。Ｏ，等涂层刀具，其优点是硬度高、耐磨性好。其中，ＴｉＣ涂层刀
具具有很强的抗后刀面磨损能力，ＴｉＮ涂层刀具则具有理想的抗月牙洼功能。一类是“软”涂层，如
ＭｏＳ，、ＷＳ等涂层刀具，这类刀具也称为“自润滑刀具”，刀具、工件和切屑之间的摩擦系数很低，只
有约０．叭，能降低切削力和切削温度。航空航天工
业用材如高强度硬质合金、钛合金等的加工就不适合采用“硬”涂层刀具；采用“软”涂层刀具，可防止刀刃上产生积屑瘤，提高工件表面加工质量，
延长刀具寿命。
②陶瓷刀具
陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。可用于高速切削的陶瓷刀具包括金属陶瓷
《Ｃｅｒｍｅｔ）、氧化铝陶瓷ｆＡＩ，０：）和氮化硅陶瓷（Ｓｉ，Ｎ。）等。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，适于加工５０～６５ＨＲＣ的高硬度材料；高温性能好，在１２００＂Ｃ的高温下仍能进行切削；具有良好的抗粘结性能，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好。但陶瓷刀具抗冲击裁荷能力差、抗热冲击性能差，因此，用陶瓷刀具进行切削时，不宜使用切削液，适
于进行高速干切削。
③立方氮化硼（ＣＢＮ）
立方氮化硼（ＣＢＮ）材料的硬度仅次于金刚石，高达３２００～４０００ＨＶ，具有很高的耐磨性、热稳定性
和化学稳定性，最适于高硬度淬火钢、高温合金、硬化轴承钢（６０～６２ＨＲＣ）、工具钢（５７～６０ＨＲＣ）、高速钢（６２ＨＲＣ）等材料的高速切削。
④聚晶金刚石（ＰＣＤ）
聚晶金刚石（ＰＣＤ）材料的硬度约为ＣＢＮ的２倍，其导热性好、热膨胀系数小、摩擦系数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料的高速切削，是实现高精度、高效率、高稳定性和低表面粗糙度
切削加工的重要刀具。ＰＣＤ刀具主要用于轻金属及
其台金、新型陶瓷材料及难加工材料的高速切削，
用于精密、超精密及光学元件的精加工。
（２）高速切削刀具系统
刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具约
小１００，后角约大５。～８。。
刀具在高速旋转时，会承受很大的离心力，其大小远远超过切削力，成为刀具的主要载荷，足以
导致刀体破碎，造成重大事故。以高速铣刀为例，提高刀具设计的安全性技术有：①高速铣刀大多采用ＨＳＫ空心短锥刀柄与机床主轴连接，有时做成整体式结构，以提高刚性和安装的重复定位精度。②在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个
附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。对
安装在高速主轴上的旋转刀具来说，高精度的动平
衡是至关重要的。德国１９９４午起草的《高速旋转铣
刀的安全性要求》标准规定，用于高速切削的铣刀
必须经过动平衡测试。
２
３高速切削工艺技术
高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常
万
方数据规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程；而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、
多行程的加工工艺。在进行高速切削时，工件材料不同，所选用的切削刀具、切削＿］＝艺和切序＂参数也有很大不同。下面我们着重研究轻金属、钢和铸铁的高速切削工艺技术。
（１）高速切削轻金属技术
铝台金因具有良好的耐蚀性，较高的比强度，导电性及导热性好等优点，在汽车工业和航空航天Ｔ业中已经大量应用。铝镁台金大多使用铸件。这蝗轻合金的最大优点就是其固有的易切特性。轻合金可采用很高的切削速度和进给速度进行加工，切
削速度可高达１０００～７５００ｍ／ｍｉｎ，高速切削使９５～
９８％的切削热被切屑迅速带走，工件保持室温状态，
热变形小，加工精度高。
高速铣削轻金属时，由于加工过程存在较大的冲击载荷，ＰＣＤ和ＣＢＮ刀具的寿命特性并不好。当
切削速度达到１０００ｍ／ｍｉｎ时，可使用Ｋ型硬质合金刀具｝当切削速度达到２０００ｍ／ｍｉｎ时，可使用金属陶瓷刀具；当切自Ⅱ速度更高时，可使用ＰＣＤ刀具；
高速铣削铝镁合金时，可使用Ｋ１０硬质台金刀具。
（２）高速切削钢和铸铁技术
高速铣削钢和铸铁时，遇到的主要问题是刀具的磨损。
高速铣削钢材时，刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。刀具的磨损与工件材料的力学性能有关。如工件材料的抗
拉强度增大，则刀具磨损增加，因此应减少每齿的进给量。表１给出了钢的切削速度和每齿进给量。
表１钢的切削速度和每齿进给量
刀具材料切削速度（ｒｒ—ｍｉｎ）
每齿进给量（Ⅲｍ）
镀层硬质台金
５１００３ｌ金属陶瓷
６０００２～０２５
Ｓｉ３Ｎ４
８１０
０１６
表２铸铁的切削速度和每齿进给量
刀具材料剀削速度（ｎｇｍｉｎ）
每齿进给量（ｍⅢ）
硬赝台会
４３００．６５Ｓｉ３Ｎ４
２０００
０３１ＣＢＮ
３０００～４０００
０３ｌ
高速铣削铸铁时，切削速度的选择取决于刀具材料。提高切削速度和减少每齿进给量，可提高工
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第２７卷第１２期２００５～１２１２０１
校验位（占一个字节）为发送端的固定代码。
（２）通讯软件实现
ＣＡＮ通讯系统软件设计中，对于接受采用中断的方式，要求系统对于接受到的数据必须马上处理，以提高系统的实时响应特性，其程序流程图见图４。
ＤＳＰ上传实时采集数据的发送采用定时查询的方式，查询ＡＤＣ采样是否结束并且进行了相应的数据处理后，立即将数据通过ＣＡＮ控制器装载并发送到ＣＡＮ总线上。
于ＤｓＰ的现场总线数据采集素统也将具有这样的优
点。为数据采集和系统的控制带来新的福音。以上
系统通过在某油井的管路系统中的运用，基本达到
预期效果。数据的采集和存储比较稳定，维护成本
也比较低。
参考文献：
［１］划和平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ结构、原理及应用【ＭＩ北京
航空航天大学出版，２００２．
【２］２张雄伟，曹铁勇．ＤＳＰ芯片的原理与开发应用『Ｍ】电子工
业出版社，２０００
【３］３江思敏，等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ＸＤＳＰ硬件开发教程【Ｍ］机械
工业出版社。２００３．
【４］饶运涛，等，现场总线ＣＡＮ原理与应用技术【Ｍ】北京：北
京航空航天大学出皈社．２００３．
【５】张雄伟，曹铁勇ＤＳＰ芯片的原理与开发应用【Ｍ】．电子工
业出版社，２０００
４结语
开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的
三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。基
【上接第２９页】
｛矗●●毒‘＾矗‘●缸｛毒｜｛站｛缸●出｝｛矗‘ｊ蠡‘｛曳｝｛缸｛矗‘｛缸｛出‘｛缸｛缸｛缸｛矗‘｛童‘｛缸ｊ缸ｊ缸｛缸
件表面加工质量。表２给出了铸铁的切削速度和每
齿进给量。
Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ机床公司合作研制的以ＨＶＭ８００卧式加工
中心为主的汽车生产线等。
３高速切削技术的应用
３．１高速切削在航空航天工业中的应用
航空航天工业中许多零件采用薄壁、细筋结构，由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，
４结语
高速切削技术已经成为切削加工的主流，高速切削技术对于机械制造业来说是一场深刻的技术革命，必将对机械制造蛾产生重要而深远的影响。
高速切削技术的发展和应用是一项复杂的系统
高速切削成为此类零件加工工艺的唯一选择。
飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个铆接或焊接而成的部件，改用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。有的整体构件的材料去除率高达９０％，采用高速切削可大大提高生产率和产品质量，降低制造成本，这也是高速切削技术在飞机制造业获得广泛应用的主要原因。例如，波音公司在生产波音Ｆ／１５战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了４２％，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。
３．２高速切削在汽车制造业中的应用
以高速加工技术为基础的敏捷柔性自动生产线被越来越多的国内外汽车制造厂家使用。国内如一
汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、
工程，它涉及到刀具、机床、工艺、材料、敏捷生产、网络化、智能化和故障诊断等诸多领域的技术
发展和创新。
为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求，高速切削和高速加工技术必将在生产工艺离散型和混合型企业（如模具、船舶、汽车和航空航天等制造企业）中得到进一步发展和应用。
参考文献：
【ｌ】张伯霖高速切削技术及应用ＩＭＩ北京机械工业ｍ版社，
２００２
【２］朱有为高速切削技术的应用分析［Ｊ］长沙大学学报，２００３，
４：７４－７７．
［３１艾兴，刘战强，赵军，等高速切削刀具材料的进展【Ｊ】制造
技术与机床，２００１，８：２１—２５
［４】４荣烈润．高速团削技术的发展现状［Ｊ】．机电一体化，２００２，
ｌ：６—９
总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿
车能力１５万辆，制造节拍１．５０分，辆；上海大众桑塔纳轿车自动生产线等。国外如美国ＧＭ发动机总成工厂的高速柔性自动生产线、福特汽车公司和
【６２】
第２７卷第１２期２００５－１２
【５Ｊ陈光明高速切削技术的优势及经济性【Ｊ】机床与液压
２００１．２：１５－１７
［６】刘志峰，张崇高，任家隆干切肖Ⅱ加工技术及应用【Ｍ］北京
机械工业出版社．２００５．
万方数据
高速切削技术的发展及应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
席俊杰， 徐颖， XI Jun-jie， XU Ying
席俊杰,XI Jun-jie(郑州航空工业管理学院,郑州,450015;中国矿业大学(北京),北京,100083) ， 徐颖,XU Ying(北京机械工业自动化研究所,北京,100011)制造业自动化
MANUFACTURING AUTOMATION2005，27(12)9次
参考文献(6条)
1. 刘志峰;张崇高;任家隆 干切削加工技术及应用 2005
2. 陈光明 高速切削技术的优势及经济性[期刊论文]-机床与液压 2001(2)3. 荣烈润 高速切削技术的发展现状[期刊论文]-机电一体化 2002(1)
4. 艾兴;刘战强;赵军 高速切削刀具材料的进展[期刊论文]-制造技术与机床 2001(08)5. 朱有为 高速切削技术的应用分析[期刊论文]-长沙大学学报 2003(4)6. 张伯霖 高速切削技术及应用 2002
相似文献(10条)
1.会议论文 杨广勇 超高速切削技术 1997
超高速切削是集高效、优质和低耗为一身的先进制造技术。它借助于自身独特的加工机理和技术特点，使切削技术产生了彻底的改革性进步。该文分析综述了超高速切削技术的概念、发展、加工机理、技术特点、应用及其关键技术；介绍了国内外的研究、发展现状；对该项技术在中国的应用前景作了展望和预测；指出了中国的发展途径。
2.期刊论文 王正君. 史津平. 周小玉 高速超高速切削及高速切削机床 -机床与液压2001,1(1)
介绍了高速、超高速切削技术发展状况及其特点，并讨论了高速、超高速切削关键设备——高速机床。
3.期刊论文 王西彬. 解丽静. WANG Xibin. XIE Lijing 超高速切削技术及其新进展 -中国机械工程2000,11(1)
阐述了超高速切削的概念、特点和发展这项技术的重要性,分析了超高速切削的技术体系、技术现状和发展趋势,并就我国发展超高速切削的基础关键技术进行了讨论.
4.期刊论文 赵军. 郑光明. 李安海. 崔晓斌. ZHAO Jun. ZHENG Guang-ming. LI An-hai. CUI Xiao-bin 超高速切削Inconel 718刀具寿命研究及切削参数优化 -哈尔滨理工大学学报2011,16(1)
针对Inconel 718加工时,切削效率低和刀具磨损严重,通过角正交试验对Sialon陶瓷刀具超高速切削Inconel 718的刀具寿命及磨损机理进行了研究,同时利用等效率-等寿命响应曲面法,对切削参数进行了优化,获得了干切削状态下刀具寿命的经验公式,得到陶瓷刀具超高速切削Inconel 718主要的磨损机理是粘结磨损和磨粒磨损,在效率不变的情况下,适当的降低切削速度,增大切削深度,可以提高刀具寿命,试验刀具的切削参数优化结果为:切削速度150～250 m/min、切削深度0.05～0.2 mm、进给量0.1～0.2 mm,在该建议切削参数下刀具寿命约在5～20 min.
5.会议论文 杨广勇 超高速切削时刀具的动平衡及自动化的主轴平衡系统 1999
超高速切削时随着主轴转速的提高离心力会大幅度增加，刀具、工件和主轴会被损坏，操作人员的安全受到威胁，因此高速回转刀具的动平衡是必不可少的。集成在主轴上的自动化平衡系统可以特别有效地工作，它可以在极短的时间内同步地降低机床主轴的振动，从而使超高速切削变得更加快速、精密和可靠。
6.期刊论文 吴敏镜 超高速切削机床和超高速刀具技术的现状 -新技术新工艺2002(5)
在机械制造业中,实现高生产率已成为追求利润的重要手段之一,因此,高速切削和超高速切削发展迅速,这里,对超高速机床与超高速切削刀具的现状与进展作一简单介绍.
7.期刊论文 莫荣利. 陈灿辉. 邓朝晖. Mo Rongli. Chen Canhui. Deng Zhaohui 超高速切削在降低轨道车辆用空气弹簧摩擦因数中的应用 -机械制造2009,47(4)
介绍了超高速切削加工技术.研究了将该技术应用在降低空气弹簧摩擦因数方面.
8.学位论文 刘煜 超高速切削的机理研究 1997
该文对超高速切削的机理进行了研究.采用金属陶瓷刀具NT5、NT6超高速铣削美国EX30软钢,切削速度达到785m/min.在试验数据的基础上,得到刀具耐用度T与切削速度V,切削温度与切削速度V,主切削力F与切削速度V、吃刀量a、进给速度V之间的关系与规律,给出了关系曲线与关系式,并对这些关系与规律进行了机理上的分析和讨论.采用氧化铝基陶瓷刀具AT6、国产氮化硅基陶瓷刀具FD-03及FD-04超高速铣削铸铁,切削速度达到
1011m/min.在试验数据的基础上,得到刀具耐用度T与切削速度V、吃刀量a、每齿进给量a,切削温度与切削速度V、吃刀量a、进给量f,主切削力F与切削速度V、吃刀量a、进给速度V之间的关系与规律,给出了关系曲线与关系式,并对这些关系与规律进行了机理上的分析和讨论.
9.期刊论文 李合生. 曾忠. 曹炜. LI He-sheng. ZENG Zhong. CAO Wei 超高速切削加工技术及其发展趋势 -机械设计与制造2005(5)
简述了超高速切削的机理与特点,介绍了该技术在国内外的发展及技术应用领域,分析了关键技术并展望了发展趋势.
10.期刊论文 赵鹏喜. 张曙灵. ZHAO Peng-xi. ZHANG Shu-ling 高速切削理论在机械加工中的应用 -木材加工机械
2007,18(6)
对高速切削现状与发展作了概括介绍.
引证文献(9条)
1. 孙军. 王玉玲. 万光辉 钢管高速冲裁机构刀具动态仿真与工艺优化[期刊论文]-沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2010(5)
2. 孟葵阳 高速切削的工艺及应用分析[期刊论文]-科技信息 2009(24)
3. 徐宏海. 徐倩. 刘东 碳纤维复合材料高速铣削实验研究[期刊论文]-机械设计与制造 2009(12)4. 王海叶. 彭中年. 程良田 基于HSM的CNC编程技术的研究[期刊论文]-机械 2009(12)5. 胡炜 高速切削的工艺及应用分析[期刊论文]-机械研究与应用 2009(2)
6. 曾维林. 吴连连 高速切削加工技术的研究现状及应用[期刊论文]-机械研究与应用 2008(5)
7. 薛建勋. 孙全平 基于ACIS的高速切削加工编程系统的研究与开发[期刊论文]-中国科技信息 2008(16)
8. 金晓强. 季林红. 王子羲. 陈里宁 水轮机叶片坑内修复机器人修磨方式研究[期刊论文]-机械设计与制造 2008(1)9. 聂建林 数控刀具寿命智能化管理系统的研究[学位论文]硕士 2006
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下载时间：2011年6月15日