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高速切削加工综述 刘强北京航空航天大学教授 高速加工的概念 高速切削加工是采用比常规切削速度高出5 ～ 10 倍速度下进行的切削加工。高速切削的思想起源于20 世纪20 年代，德国学者Carl Salomon提出了高速切削假设：“当切削速度提高到一定程度时，切削温度不升反降。”这一假设启发各国学者们进行了大量的机理研究和实验。1980 年之后，随着高速数控机床和高性能切削刀具的成熟以及生产需要，高速切削首先在航空器结构件、汽车模具等零件加工中得到实际应用，使得加工效率和加工质量大幅度提高。需要注意的是，高速加工不是简单地以是否使用高速机床，或是所使用机床主轴的转速来衡量。高速切削的本质是，不同工件材料切削加工时的线速度进入到高速切削的速度区间，从而获得优于常规切削速度下的加工质量和效率，如图1 所示。图中白色部分为常规加工切削速度范围，蓝色部分为高速加工切削速度范围，常规和高速之间可能会有一段切削速度的中间过渡范围。、 图1 典型工件材料的高速切削速度范围 高速切削过程的基础理论 尽管在金属切削理论中，已建立起了金属切削过程中的切屑形成、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损和耐用度、已加工表面完整性等基础理论和规律。但由于高速切削与常规切削过程不同，会出现许多不同的变化规律和效果，呈现出新的特性。当前，高速切削过程基础理论研究的关键和热点问题包括： （1）高速切削过程中的切削变形理论。主要研究Johnson-Cook 本构方程、锯齿状切屑形成、切削过程变形区的计算机仿真等； （2）高速加工切削力建模。研究高速切削条件下的铣削/ 钻削/ 车削等切削力数学模型、切削参数对切削力的影响规律以及高速加工切削力的特征分析。 （3）高速加工热力学建模。主要研究高速切削过程的“切屑- 刀具- 工件-周围介质”的生热/ 传热/ 散热等热力学特性、切削热源特性、切削温度场特点等。 （4）高速加工动力学。主要研究高速加工过程中“主轴- 刀具- 工件” 系统的动力学特性，重点解决以高速铣削为典型切削过程的切削稳定性分析与求解，并且在加工过程动力学仿真基础上避免切削颤振、进行切削参数优化和机床结构优化。 （5）高速加工表面完整性。主要研究零件表面微观几何形状特征以及表面特理力学性能，包括表面粗糙度、加工表面硬化、表层残余应力及金相组织变化等，尤其是难加工材料( 如钛合金、高温合金等) 在高速切削时的表面完整性。 高速切削机床及其功能部件 高速化是数控机床发展的一个重要趋势，国内外的数控机床制造企业都在致力于研制和生产各类高速机床，高速切削机床一般具有满足如下的特征： 1. 高速主轴 高速机床的主轴应能够提供足够的转速和功率，以实现高速切削。通常，最大主轴转速高于12 000 r/min 称为高速机床；在满足转速要求的同时，对于铝合金一类轻合金切削的高速主轴应有足够的功率；而实现高强钢、钛合金等材料的高速切削主轴还应可提供足够的扭矩，以适应切削过程中所产生大切削力和扭矩。 高速主轴一般多采用电主轴，其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具（或工件）动平衡等，传统的高速低功率的电主轴技术已经十分成熟，国外可适用于钛合金高速切削的高速大功率( 大扭矩) 的电主轴也已开发成功。 2. 具有高动态响应的高精度进给系统 高动态响应的进给系统是实现高速高效加工的另一个重要基础。一般直线进给轴速度可达30 ～ 60 m/min，甚至达到1 ～ 2 g，小型的数控机床可达更高。高性能数控机床采用直线电机驱动的直线轴运动和力矩电机驱动的摆动轴运动，以简化机械传动结构，实现所谓“零传动”，并在轴运动控制器中对速度、加速度和加速度变化率的控制曲线进行优化，此外，还采用“双边同步驱动”、“重心驱动”等技术，从而可显著抑制运动过程中的谐振，获得非常高的动态响应特性。 3. 高刚度 主轴系统、进给系统和机床结构应具有良好的静态刚度和动态刚度以及热稳定性。高的静态刚度可以抵抗零部件重力和切削力引起的结构变形，保证刀具相对于工件在切削过程中的静态位移要求；优良的动态特性可防止和减小动态切削过程产生的强迫振动和自激振动( 颤振)，以控制刀具相对于工件在切削过程中的动态位移；良好的热稳定性使得机床在加工过程中受到切削热、环境温度变化等作用时，热变形量尽可能小并且均衡一致。最终，机床高静动态刚度和热稳定性将使零件切削加工获得好的表面质量和高的切削效率。 4. 智能化 智能化是新一代数控机床的重要特征。智能化主要表现在两个方面，一方面是机床控制的智能化，如在机床轴运动控制上引入前馈控制、预测控制、鲁棒控制等先进控制策略，在加工过程控制上引入自适应控制、学习控制等。另一方面是将专家系统、自动检测及自动补偿功能等嵌入数控系统，