關(guān)于高速切削機(jī)床
高速切削加工是最重要的現(xiàn)代制造技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機(jī)床。自20 世紀(jì)80 年代中期以來(lái)，開發(fā)高速切削機(jī)床便成為國(guó)際機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的高速機(jī)床系統(tǒng)主要包括：高的靜/動(dòng)剛度支承構(gòu)件（機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)）；高精度、高轉(zhuǎn)速的高速主軸；高控制精度、高進(jìn)給速度和高進(jìn)給加速度的進(jìn)給系統(tǒng)；高速、高精度CNC 系統(tǒng)；高效的冷卻系統(tǒng)（干切削機(jī)床除外）；安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等。
高速電主軸剖視圖
1
機(jī)床基本結(jié)構(gòu)
機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)有床身、底座和立柱等，高速切削會(huì)產(chǎn)生很大的附加慣性力，因而機(jī)床床身、立柱等必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和高水平的阻尼特性。很多高速機(jī)床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土(或人造花崗巖)，這種材料阻尼特性為鑄鐵的7～10 倍，比重只有鑄鐵的1/3。提高機(jī)床剛性的另一個(gè)措施是改革床體結(jié)構(gòu)，如將立柱和底座合為一個(gè)整體，使得機(jī)床可以依靠自身的剛性來(lái)保持機(jī)床精度。
高速主軸是實(shí)現(xiàn)高速切削最關(guān)鍵的技術(shù)之一。隨著工業(yè)上對(duì)主軸轉(zhuǎn)速要求不斷提高，高速主軸技術(shù)近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展，在理論與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上研制開發(fā)出實(shí)用的高速主軸單元已商品化。目前主軸轉(zhuǎn)速在10000～20000r/min 的加工中心越來(lái)越普及，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min，200000r/min，250000r/min 的實(shí)用高速主軸也正在研制開發(fā)中。高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會(huì)引起高溫和變形，所以必須嚴(yán)格控制。為此對(duì)高速主軸提出如下性能要求：
高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速范圍。
足夠的剛性和較高的回轉(zhuǎn)精度。
良好的熱穩(wěn)定性。
大功率。
可靠的工具裝卡性能。
先進(jìn)的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)。
可靠的主軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2
高速切削刀具
高速切削是一個(gè)相對(duì)概念，一般認(rèn)為是常規(guī)切削速度的5-10倍。高速切削的速度范圍與加工方法和工件材料密度相關(guān)。
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須考慮：
刀具強(qiáng)度
刀具夾持
刀片壓緊
刀具動(dòng)平衡
高速切削刀具的耐用度與下列因素有關(guān)：
刀具材料
刀尖結(jié)構(gòu)
切削用量
走刀方式
冷卻條件
刀具工件材料匹配
刀具的磨損：
粘結(jié)磨損：刀具與工件材料接觸到原子間距離所產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象。在摩擦面的實(shí)際接觸面積上，高壓高溫作用產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致“冷焊”。
擴(kuò)散磨損：兩個(gè)化學(xué)上有一定親和力的固體（碳和鐵等）放在一起，在較高溫度時(shí)，碳原子向鐵中擴(kuò)散。
溶解磨損：和擴(kuò)散磨損類似，都是化學(xué)磨損，基于化學(xué)熱力學(xué)的溶解理論。
氧化磨損：高速切削高溫下，刀具材料中的一些元素與周圍某些介質(zhì)（空氣中的氧，切削液中的硫，氯）起化學(xué)放映，生成不同的氧化膜和粘附膜，有的起保護(hù)作用，有的形成比較軟的化合物，使得刀具材料中的硬質(zhì)相顆粒被粘走。
刀具的破損：
受沖擊，機(jī)械疲勞和熱疲勞等原因引起崩刃，剝落，裂紋和脆斷。
刀具材料：
高速銑削刀具材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金剛石刀具。
刀具材料具備的性能：
硬度和耐磨性：必須高于工件材料的硬度，一般在HRC60以上；硬度越高，耐磨性越好。
強(qiáng)度和韌性：要承受切削力，沖擊力和振動(dòng)，防止刀具脆性斷裂和崩刃。
耐熱性：能承受高溫，具備抗氧化能力。
工藝性能和經(jīng)濟(jì)性：具備良好的鍛造，熱處理，焊接和磨削加工性能，性價(jià)比高。
1.
硬質(zhì)合金
圖為超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具銑削45#調(diào)質(zhì)鋼（HRC35-40）前，后刀面磨損V=300m/min
高速銑刀通常采用細(xì)晶?；虺?xì)晶粒硬質(zhì)合金（晶粒尺寸0.2~1μm），根據(jù)被加工材料選鎢鈷類或鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，但含鈷量一般不超過(guò)6%。
2.
涂層刀具
圖為 涂層整體硬質(zhì)合金刀具
（Vc=1200m/min,ap=5mm,ae=12mm）
機(jī)械疲勞裂紋及熱裂紋（高速銑削7050鋁合金）
高速銑削大量采用的是涂層刀具，基體有高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷， 但以硬質(zhì)合金為主。涂層材料有TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3、CNX等，通常采用多層復(fù)合涂層，如TiCN+Al2O3+TiNTiCN+Al2O3，TiCN+Al2O3+HfN, TiN+Al2O3 ，TiCN, TiB2，TiAlN/TiN和TiAlN等。采用物理氣相沉積的TiAlN涂層硬質(zhì)合金在高速銑削時(shí)具有良好的切削性能。
3.
金屬陶瓷
圖為 SG4陶瓷刀具銑削淬硬45#鋼（HRC45-50）前，后刀面磨損，V=400m/min
主要有高耐磨性的TiC基金屬陶瓷（TiC+Ni or Mo）, 高韌性TiC基金屬陶瓷（TiC+TaC+WC+Co），增強(qiáng)型TiCN基金屬陶瓷（TiCN+NbC），相比硬質(zhì)合金改善了刀具的高溫性能，適合高速加工合金鋼和鑄鐵。
4.
陶瓷刀具
圖為 JX-1 陶瓷刀具加工GH169邊界磨損V=62.5m/min
陶瓷刀具分為氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷和復(fù)合陶瓷三類，具有高硬度、高耐磨性、熱穩(wěn)定性，其中Al2O3基陶瓷約占2/3，化學(xué)活性低，不易粘結(jié)和擴(kuò)散磨損，強(qiáng)度、斷裂韌性、導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性較低，適合加工鋼件。Si3N4基陶瓷約占1/3，比Al2O3陶瓷有較高的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐熱沖擊性，但化學(xué)穩(wěn)定性不如Al2O3陶瓷，適于高速銑削鑄鐵。Si3N4-Al2O3復(fù)合陶瓷(Sialon)具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，高的抗氧化性和抗高溫蠕變性，高速銑削加工工藝培訓(xùn)教程的抗熱沖擊性，但不適合加工鋼件，可用于高速粗加工鑄鐵和鎳基合金。
CBN刀具
具有高硬度、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，但強(qiáng)度稍低。按重量比分，低含量CBN（50%～65%）可用于淬硬鋼的精加工。高含量CBN（80%～90%）可用于高速銑削鑄鐵，淬硬鋼的粗加工和半精加工。
金剛石
分天然金剛石和聚晶金剛石，高速銑削主要采用聚晶金剛石，具有非常高的硬度、導(dǎo)熱性，低的熱膨脹系數(shù)，通常用于高速加工有色金屬和非金屬材料。晶粒越細(xì)越好，高速切削含Si量小于12%的鋁合金可用晶粒尺寸10~25μm的聚晶金剛石，高速切削含Si量大于12%的鋁合金和非金屬材料可用晶粒尺寸8~9μm的聚晶金剛石。
3
刀具結(jié)構(gòu)
列出幾種典型的高速銑削刀具，分為整體式和機(jī)夾式量類。小直徑銑刀一般采用整體式，大直徑銑刀采用機(jī)夾式。高轉(zhuǎn)速機(jī)床對(duì)刀具直徑有一定限制，整體式高速銑刀在出廠時(shí)經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡檢驗(yàn)，使用時(shí)比較方便，而機(jī)夾式需要在每次裝夾刀片后進(jìn)行動(dòng)平衡，所以整體式比較常用。機(jī)床在轉(zhuǎn)速比較低、能提供較大扭矩時(shí)可采用機(jī)夾式銑刀。
銑刀節(jié)距定義為相鄰兩個(gè)刀齒見的周向距離，受銑刀刀齒數(shù)影響。短節(jié)距意味著較多的刀齒和中等的容屑空間，允許高的金屬去除率。一般用于鑄鐵銑削和中等負(fù)荷銑削鋼件，通常作為高速銑刀首選。大節(jié)距銑刀齒數(shù)較少，容屑空間大，常用于鋼的粗加工和精加工，以及容易發(fā)生振動(dòng)的場(chǎng)合。超密節(jié)距的容屑空間小，可承受非常高的進(jìn)給速度，適合鑄鐵斷續(xù)表面加工，鑄鐵的粗加工和鋼件的小切深加工。
4
高速切削刀具的應(yīng)用
加工鋁合金：金剛石最適于高速切削。但復(fù)雜刀具可用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金及其涂層刀具高速加工結(jié)構(gòu)鋁及其合金。
加工鋼和鑄鐵及其合金：AL2O3基陶瓷刀具適于軟，硬高速切削；PCBN適于45-65HRC以上高硬鋼的高速切削；SI3N4和PCBN更適用于鑄鐵及其合金高速切削，但不宜于切削以鐵素體為主的鋼鐵；WC基超細(xì)硬質(zhì)合金及其TICN,TIAN,TIN涂層刀具和TIC基硬質(zhì)合金刀具，特別是整體復(fù)雜刀具可加工鋼和鑄鐵。
加工超級(jí)合金：增韌補(bǔ)強(qiáng)的氧化鋁基和SI3N4基陶瓷刀具和SIALON陶瓷刀具適用于加工這類合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。復(fù)雜刀具可用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金及其涂層刀具。
加工鈦合金：一般可用WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和金剛石刀具。采用潤(rùn)滑性能良好的切削液，可獲得較好的結(jié)果。
5
刀柄結(jié)構(gòu)
1.
BT刀柄
單面接觸的BT刀柄（刀柄錐度7:24）
BT刀柄與主軸接合圖
備注：
BT40 刀柄聯(lián)結(jié)的最佳轉(zhuǎn)數(shù)范圍0~12000r/min
12000~15000r/min仍可使用。
2.
HSK刀柄
雙面接觸的HSK系統(tǒng)（刀柄錐度1:10）
HSK刀柄與主軸接合圖
備注：
HSK-63A刀柄最佳轉(zhuǎn)速范圍0~30000r/min
