#第一章高速切削概述高速切削技術(shù)的基本概念高速切削技術(shù)俗稱高速切削（HighSpeedCutting,簡稱HSC或高速加工（HighSpeedMachining,簡稱HSM,是二十世紀九十年代迅速崛起的一項先進加工技術(shù)， 通常指以比常規(guī)切削加工高出很多的主軸線速度和進給速度下進行的切削加工，又稱為超高速切削（Ultra-HighSpeedMachining）。高速切削加工技術(shù)中的“高速”是一個相對概念。對于不同的加工方法和工件材料與刀具材料,高速切削加工時應用的切削速度并不相同。如何定義高速切削加工,至今還沒有統(tǒng)一的認識,目前沿用的高速切削加工定義主要有以下幾種：1）1978年，CIRP切削委員會提出以線速度（500?7000）m/min的切削速度加工為高速切削加工。2）對銑削加工而言,從刀具夾持裝置達到平衡要求（平衡品質(zhì)和殘余不平衡量）時的速度來定義高速切削加工。根據(jù)ISO1940標準，主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min為高速切削加工。3）德國Darmstadt工業(yè)大學生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW）提出以高于（5?10）倍的普通切削速度的切削加工定義為高速切削加工。從主軸設(shè)計的觀點，以沿用多年的DN直（主軸軸承孔直徑D與主軸最大轉(zhuǎn)速N的乘積）5來定義高速切削加工，DN直達（5?2000）X10mmr/min時為高速切削加工。5）從刀具和主軸的動力學角度來定義高速切削加工。這種定義取決于刀具振動的主模式頻率,它在ANSI/ASM標準中用來進行切削性能測試時選擇轉(zhuǎn)速范圍。因此,高速切削加工不能簡單地用某一具體的切削速度直來定義。根據(jù)不同的切削條件,具有不同的高切削速度范圍。雖然很難就高速切削范圍給出一個確切的定義,但從生產(chǎn)實際考慮,高速切削加工中的“高速”不應僅是一個技術(shù)指標,還應是一個經(jīng)濟指標,是一個可由此獲得較大經(jīng)濟效益的高速度的切削加工。高速切削技術(shù)的興起與發(fā)展高速切削的起源可追溯到20世紀20年代末期,德國的切削物理學家薩羅門（ CarlSalomon）博士于1929年進行了超高速模擬實驗， 1931年4月發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設(shè)。薩羅門博士的理論指出： “在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi),切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于每一種工件材料,存在一個速度范圍,在這個速度范圍內(nèi),由于切削溫度太高,任何刀具都無法承受,切削加工無法進行。當切削速度再增大 （約為常規(guī)速度的5?10倍），超過這個速度范圍之后，切削溫度反而會迅速降低，并且切削力也會大幅度下降”。由此可知,在具有一定速度的高速區(qū)進行切削加工,會有比較低的切削溫度和比較小的切削力,不僅有可能用現(xiàn)有的刀具進行超高速切削,從而大幅度地減少切削時間,成倍地提高機床的加工生產(chǎn)率,而且還將給切削過程帶來一系列的優(yōu)良特性。高速切削的速度范圍在工程應用中達到什么樣的切削速度或速度范圍才能算高速切削？由于不同的加工工序和機床、不同的工作材料,對應的切削速度范圍也不同,因而很難就高速切削的速度范圍給定一個確定得數(shù)直。到底達到什么速度范圍才算是高速切削呢？用什么方式劃分切削速度的范圍比較合理呢？1.3.1切削速度范圍的劃分目前劃分切削速度的方法和觀點有多種,下面介紹其中幾種：根據(jù)切削速度劃分各國對超高速切削的速度范圍迄今尚未作出明確統(tǒng)一的規(guī)定但是通常把切削速度比常規(guī)高出5-10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。按不同加工工藝劃定的高速切削范圍。車削 700?7000m/min;銃削300?6000m/min;鉆削200?1100m/min；磨削150?360m/s。這種劃分比常規(guī)切削速度幾乎提高了一個數(shù)量級，而且還有繼續(xù)提高的趨勢。按加工不同的材料劃定高速切削范圍。Darmstadt工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所(PTW)在20世紀80年代對鋼、鑄鐵、鎳基合金、鈦基合金、鋁合金、銅合金和纖維增強塑料等材料分別進行了高速切削試驗，得到上述材料適合于高速切削的速度范圍，且至今仍為國際公認的高速切削速度范圍：對鎳基合金切削速度達到 80m/min以上、對鈦基合金切削速度達到100m/min以上、對鋼材切削速度達到380m/min以上、對鑄鐵切削速度達到700m/min以上、對銅材切削速度達到1000m/min以上、對鋁材切削速度達到1100m/min以上、對纖維增強塑料切削速度達到1150m/min以上時，被定為合適的高速切削速度范圍。對機床制造廠家和機床選購者的角度而言，用“機床主軸最高轉(zhuǎn)速”這個參數(shù)來衡量機床的高速性能常常比較方便和直觀，因此人們常常用機床主軸的最高轉(zhuǎn)速作為衡量機床高速切削的性能指標。根據(jù)機床主軸轉(zhuǎn)速、主軸功率、主軸錐孔大小和主軸平衡標準劃分按主軸的Dn值劃分：主軸的Dn值是指主軸軸徑尺寸(或主軸軸承內(nèi)徑尺寸)D(mr)與主軸最高轉(zhuǎn)速n(r/min)的乘積。高速切削機床主軸的Dn值一般為500000?2000000(mmr/min)。按主軸功率P與轉(zhuǎn)速n之間的比值劃分：P=100hp時，n>10000r/min(即P/n~0.01)P=75hp時，n>15000r/min(即P/n~0.005)P=40hp時，n>30000r/min(即P/n~0.0013)P=15hp時，n>60000r/min(即P/n~0.001)注：1hp=745.700W(即1馬力=745.700瓦)對于加工中心，通常也按照主軸錐孔的大小來劃分高速切削速度范圍，采用 ISO刀具標準的刀具，劃分如下：對50號錐孔，n為10000?20000r/min對40號錐孔，n為20000?40000r/min對30號錐孔，n為25000?40000r/min對HSI錐，n為20000?40000r/min對KM錐，n為35000r/min以上按主軸要達到的平衡標準來劃分：根據(jù)ISO-1940,高速切削機床主軸要達到規(guī)定的平衡標準，主軸轉(zhuǎn)速約為 8000r/min,即高速切削機床主軸的轉(zhuǎn)速至少要高于8000r/min。從以上幾種高速切削速度范圍的劃分方法來看，高速切削可以根據(jù)不同的需要從不同的側(cè)面來劃分。在劃分高速切削機床時，一般主要考慮機床的主軸轉(zhuǎn)速，有時也考慮機床的進給速度。1.3.2高速切削機床的進給速度和加、減速度在衡量機床的高速性能時，除了考慮機床的主軸轉(zhuǎn)速外，還要考慮機床的進給速度和加、減速性能。同時具備高的主軸轉(zhuǎn)速和高的進給速度的高速加工稱為高移速加工( HighVelocityMachining——簡稱HVM，這類機床也稱為高移速機床。1.4高速切削的特點高速切削的一般特征高速切削一般采用高的切削速度，適當?shù)倪M給量，小的徑向和軸向切削深度。切削時，大量的切削熱被切屑帶走，因此，工件的表面溫度較低。隨著切削速度的提高，切削力大幅度下降，表面質(zhì)量提高，加工生產(chǎn)率隨之增加。但在高速加工范圍內(nèi)，隨切削速度的提高會加劇刀具的磨損。由于主軸轉(zhuǎn)速很高，切削液難以注入加工區(qū)，高速加工時，通常采用油霧冷卻或水霧冷卻的冷卻方法。1、高速切削的優(yōu)點高速切削之所以得到工業(yè)界越來越廣泛的應用，是因為它相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體說來有以下優(yōu)點：隨著切削速度的大幅度提高，進給速度也相應提高5?10倍。因此，單位時間內(nèi)的材料切除率大大增加，可達到常規(guī)切削的3?6倍，甚至更高。同時，機床快速空行程速度的大幅度提高，也大大減少了非切削的空行程時間，從而極大地提高了機床的生產(chǎn)率。在切削速度達到一定值后，切削力可降低 30%以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利于提高薄壁細肋件等剛性差零件的高速精密加工。在高速切削時，95%?98%以上的切削熱來不及傳給工件，被切屑飛速帶走，工件可基本上保持冷態(tài)，因而特別適合于加工容易發(fā)生熱變形的工件。高速切削時，機床的激振頻率特別高，遠遠離開了“機床——刀具——工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，工作平穩(wěn)振動小，因而能加工出非常精密、非常光潔的零件，零件經(jīng)高速車、銑加工后表面質(zhì)量常?？蛇_到磨削的質(zhì)量，殘留在工件表面上的應力也很小， 故常可省去車、銑后的精加工工序。高速切削可以加工各種難加工材料。例如飛機零件常用的鎳基合金和鈦合金， 這類材料強度大、硬度高、耐沖擊、加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重。在普通加工中一般采用很低的切削速度。若采用高速切削，則其切削速度可提高到 100?000m/min，是常規(guī)切削速度的10倍左右，不但可大幅度提高生產(chǎn)率，而且可有效地減少刀具磨損，提高零件加工的表面質(zhì)量。1.5高速切削的應用高速切削具有很多優(yōu)點，應用越來越廣泛，但也存在一些不足，因此，必須選擇適合高速切削的領(lǐng)域應用該技術(shù)。高速切削在航空航天制造業(yè)、模具加工業(yè)、汽車零件加工、以及精密零件加工等領(lǐng)域得到廣泛的應用。高速銑削可用于鋁合金、銅等易切削金屬和淬火鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料，以及碳纖維塑料等非金屬材料。例如，在鋁合金等飛機零件加工中，曲面和結(jié)構(gòu)復雜，材料去除量達高達90%?95%，采用高速銑削可大大提高生產(chǎn)效率和加工精度； 在模具加工中，高速銃削可加工淬火硬度大于HRC50的鋼件，因此許多情況下可省去電火花加工和手工修磨，在熱處理后采用高速銑削達到零件尺寸、形狀和表面粗糙度要求。1.6高速切削的關(guān)鍵技術(shù)高速切削是制造技術(shù)中引人注目的一項新技術(shù)，其應用面廣，對制造業(yè)的影響大。高速切削技術(shù)是新材料技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和精密制造技術(shù)等多項新技術(shù)綜合應用發(fā)展的結(jié)果。高速切削主要包括以下幾方面的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)：高速切削機理；高速切削刀具技術(shù)；高速切削機床技術(shù)；高速切削工藝技術(shù)；高速加工的測試技術(shù)等。高速切削機理的研究高速切削技術(shù)的應用和發(fā)展是以高速切削機理為理論基礎(chǔ)的。 通過對高速加工中切屑形成機理、切削力、切削熱、刀具磨損、表面質(zhì)量等技術(shù)的研究，也為開發(fā)高速機床、高速加工刀具提供了理論指導。高速切削機理的研究主要有以下幾個方面：高速切削過程和切屑成形機理的研究對高速切削加工中切屑成形機理、切削過程的動態(tài)模型、基本切削參數(shù)等反映切削過程原理的研究，采用科學實驗和計算機模擬仿真兩種方法。高速加工基本規(guī)律的研究對高速切削加工中的切削力、切削溫度、刀具磨損、刀具耐用度和加工質(zhì)量等現(xiàn)象及加工參數(shù)對這些現(xiàn)象的影響規(guī)律進行研究，提出反映其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學模型。實驗方案設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)處理也是研究工作中需要解決的問題。工藝參數(shù)應基于建立的數(shù)學模型及多目標優(yōu)化的結(jié)果。各種材料的高速切削機理研究由于不同材料在高速切削中表現(xiàn)出不同的特性， 所以，要研究各種工程材料在高速切削下的切削機理，包括輕金屬材料、鋼和鐵、復合材料、難加工合金材料等。通過系統(tǒng)的實驗研究和分析，建立高速切削數(shù)據(jù)庫，以便指導生產(chǎn)。高速切削虛擬技術(shù)研究在試驗研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)，虛擬高速加工過程中刀具和工件相對運動的作用過程，對切屑形成過程進行動態(tài)仿真，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度及應力分布等，預測被加工工件的加工質(zhì)量，研究切削速度、進給量、刀具和材料以及其他切削參數(shù)對加工的影響等。高速切削刀具高速切削刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。生產(chǎn)實踐證明，阻礙切削速度提高的關(guān)鍵因素是切削刀具是否能承受越來越高的切削溫度。在薩洛蒙高速切削假設(shè)中并沒有把切削刀具作為一個重要因素。但是隨著現(xiàn)代高速切削機理研究和高速切削試驗的不斷深入，證明高速切削的最關(guān)鍵技術(shù)之一就是高速切削所用的刀具。目前，在高速加工技術(shù)中，有兩個基本的研究發(fā)展目標，一個是高速引起的刀具壽命問題，另一個是具有高精度的高速機床。目前，在高速切削中使用的刀具有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、陶瓷等材料。高速切削機床技術(shù)高速機床是實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。一個國家高速加工的技術(shù)水平、很大程度反映在高速機床的設(shè)計制造技術(shù)上。在現(xiàn)代機床制造中、機床的高速化是一個必然的發(fā)展趨勢。在要求機床高速的同時，還要求機床具有高精度和高的靜、動剛度。高速機床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)(或稱功能部件)和機床整機技術(shù)。單元技術(shù)包括高速主軸、高速進給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等；機床整機技術(shù)包括機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工環(huán)境等。分別簡介如下：高速主軸單元高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速加工機床的核心部件．在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設(shè)計方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、動平衡、噪聲等多項相關(guān)技術(shù)，其中一些技術(shù)又是相互制約的，包括高轉(zhuǎn)速和高剛度的矛盾、高速度和大轉(zhuǎn)矩的矛盾等等。因此，提高主軸轉(zhuǎn)速和精度是一項很困難的工作，設(shè)計和制造高速主軸必須綜合考慮滿足多方面的技術(shù)要求。高速主軸一般做成電主軸的結(jié)構(gòu)形式，其關(guān)鍵技術(shù)包括高速主軸軸承、無外殼主軸電動機及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具動平衡等等。高速進給系統(tǒng)進給系統(tǒng)的高速性也是評價高速機床性能的重要指標之一，不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義，而且也是維持高速加工刀具正常工作的必要條件。對高速進給系統(tǒng)的要求不僅僅能夠達到高速運動，而且要求瞬時達到高速、瞬時準停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。高速進給系統(tǒng)包括進給伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件導向技術(shù)、高速測量與反饋控制技術(shù)和其他周邊技術(shù)，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術(shù)等。目前常用的高速進給系統(tǒng)有三種主要的驅(qū)動方式：高速滾珠絲杠、直線電動機和虛擬軸機構(gòu)。和高速進給系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的還有工作臺(拖板)、導軌的設(shè)計制造技術(shù)等等。CNC控制系統(tǒng)相對而言，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)對超高速機床所需的進給率來說是顯得太慢了，超高速機床要求其CN保統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時間要快得多，高的進給速率要求CN(系統(tǒng)有很高的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速率，而且還應有較大的程序存儲量。CN(控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括快速處理刀具軌跡、預先前饋控制、反應的伺服系統(tǒng)等。床身、立柱和工作臺高速機床設(shè)計的另一個關(guān)鍵點，是如何在降低運動部件慣量的同時，保持基礎(chǔ)支承部件高的靜剛度、動剛度和熱剛度。通過計算機輔助工程的方法用有限元法和優(yōu)化設(shè)計，能獲得減輕重量、提高剛度的床身、立柱和工作臺結(jié)構(gòu)。為獲得較好的動態(tài)性能，有些高速機床床身由聚合物混凝土材料制成。切屑處理和冷卻系統(tǒng)高速切削過程會產(chǎn)生大量的切屑，單位時間內(nèi)高的切屑切除量需要高效的切屑處理和清除裝置。高壓大流量的切削液不但可以冷卻機床的加工區(qū)，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環(huán)境造成嚴重的污染。切削液的使用并不是對高速切削的任何場合都適用．例如對抗熱沖擊性能差的刀具．在有些情況下，切削液反而會降低刀具的使用壽命，這時可采用干切削，并用吹氣或吸氣的方法進行清理切屑的工作。安全裝置機床運動部件的高速運動、大量高速流出的切屑以及高壓噴灑的切削液等等，都要求高速機床要有一個足夠大的密封工作空間。刀具破損時的安全防護尤為重要，工作室的倉壁一定要能吸收噴射部分的能量。此外防護裝置必須有靈活的控制系統(tǒng)，以保證操作人員在不直接接觸切削區(qū)的情況下的操作安全。1.6.4高速切削的工藝技術(shù)高速切削的工藝技術(shù)也是成功進行高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。 切削方法選擇不當，會使刀具加劇磨損，完全達不到高速加工的目的。高速切削的工藝技術(shù)包括切削方法和切削參數(shù)的選擇優(yōu)化，對各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇等。切削方法和切削參數(shù)的選擇與優(yōu)化在高速切削中，必須對切削方法和切削參數(shù)進行優(yōu)化選擇。其中包括優(yōu)化切削刀具控制，如刀具接近工件的方向、接近的角度、移動的方向和切削過程(順銑還是逆銑)等。對各種不同材料的切削方法切削鋁、銅等輕合金，與切削鋼和鑄鐵以及切削難加工合金鋼，由于切削機理不同，除了刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇外，在切削過程中還要采取不同的切削策略才能得到較好的切削效果。根據(jù)不同加工材料來研究高速切削工藝方法，也是高速切削工藝技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇在研究高速切削工藝技術(shù)中，切削方法和技術(shù)必須緊密結(jié)合刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇綜合進行。高速切削工藝技術(shù)研究是一項很有意義的工作。實踐證明，如果只有高速機床和刀具而沒有良好的工藝技術(shù)作指導，昂貴的高速加工設(shè)備也不能充分發(fā)揮作用。高速切削的工藝技術(shù)和傳統(tǒng)的工藝方法有很大差別，至今還遠不如傳統(tǒng)工藝方法那樣成熟和普及。這一點是高速機床應用中要特別加以注意的問題。1.6.5高速加工的測試技術(shù)高速加工是在密封的機床工作區(qū)間里進行的，在零件加工過程中，操作人員很難直接進行觀察、操作和控制，因此機床本身有必要對加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進行監(jiān)控、實時地對加工過程在線監(jiān)測，這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率，延長刀具使用壽命，確保人員和設(shè)備的安全。第二章高速切削機床自20世紀80年代中期以來，開發(fā)高速切削機床便成為國際機床工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流。一般來說，一個完整的高速機床系統(tǒng)主要包括以下部分：高的靜/動剛度支承構(gòu)件(機床的基本結(jié)構(gòu))；高精度、高轉(zhuǎn)速的高速主軸；高控制精度、高進給速度和高進給加速度的進給系統(tǒng)；高速、高精度CNC系統(tǒng)；高效的冷卻系統(tǒng)（干切削機床除外）；安全防護與實時監(jiān)控系統(tǒng)等。高速加工對機床結(jié)構(gòu)的基本要求和設(shè)計原則高速加工機床是基于現(xiàn)代刀具材料的發(fā)展，為滿足航空、航天、汽隼和模具等行業(yè)的發(fā)展需要而在數(shù)控控金先床、加工中心的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高效、高性能加工機床，因此，它的基本特征不僅是切削速度高（是常規(guī)切削速度的5?10倍），進幺合/快移速度快（達40m/min至180m/min）,加減速度大（現(xiàn)多為1g?2g）,而且還包含有刀具和或工件交換的時間短（在數(shù)秒至1秒以內(nèi)）以及常常具有多事由聯(lián)動功能等特點。高速加工對機床結(jié)構(gòu)的基本要求高速切削機床一般都是數(shù)控機床和精密機床，它與普通數(shù)控機床的最大區(qū)別是要求機床能夠提供很高的切削速度和滿足高速加工要求的一系列功能，包括：機床要有優(yōu)良的靜、動態(tài)特性和熱態(tài)特性高速切削時，機床各運動部件之間作速度很高的相對運動，運動副接合面之間將發(fā)生急劇的摩擦和發(fā)熱，高的運動加速度也會對機床產(chǎn)生巨大的動載荷，因此設(shè)計高速機床時，必須在傳動和結(jié)構(gòu)上采取一些特殊的措施，使高速機床的結(jié)構(gòu)除具有足夠的靜剛度以外，還必須有很高的動剛度和熱剛度。主軸轉(zhuǎn)速高、功率大。目前適用于高速加工的加工中心，其主軸最高轉(zhuǎn)速一般都大于10000r/min,有的高達60000?100000r/min,為常規(guī)機床的10倍左右；主電動機功率為15?80kW以滿足高速銃削、高速車削等高效、重切削工序的要求。進給量和快速行程速度高。其值高達60?lOOm/min以上，也為常規(guī)值的10倍左右。這是為了在高速下保持刀具每齒進給量基本不變，以保證工件的加工精度和表面質(zhì)量。在進給量大幅度提高以后，進一步增大快速行程速度也是提高機床生產(chǎn)率的必然要求。主軸和工作臺（拖板）運動都要有極高的加速度。主軸從啟動到達最高轉(zhuǎn)速（或相反），只用1?2s的時間。工作臺的加、減速度也由常規(guī)數(shù)控機床的0.1f~0.2g提高到1g?8g（g=9.81m/S2）。必須特別指出，沒有高的加速度，工作部件的高速度是沒有意義的。這是由于零件加工的工作行程一般都不長,從幾十毫米到幾百毫米,不允許有太長的速度過渡過程,因為在進給速度變化過程中是不能進行零件加工的。因此在高速加工中心上,不論主軸還是工作臺,速度的提升或降低往往要求在瞬間完成。這就是對高速運動部件有加速度要求的原因?？梢哉f,由于高速機床的出現(xiàn),目前機床設(shè)計已從“速度設(shè)計”進入了“加速度設(shè)計”的新階段。（5）實現(xiàn)高速機床主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)的“零傳動”。以往的機床，不論是普通機床還是數(shù)控機床，從動力源 （電動機）到執(zhí)行部件（主軸、工作臺等），往往要經(jīng)過一系列的帶、齒輪、離合器、聯(lián)軸器、絲杠、螺母等中間機械傳動環(huán)節(jié)，造成很大的轉(zhuǎn)動慣量，使工作部件的運動無法達到高速加工所要求的速度和加速度； 當工作部件在起動、加減速、反向和停車時，這些機械元件中發(fā)生的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙等，會產(chǎn)生工作部件運動的滯后現(xiàn)象及其他許多非線性誤差， 影響了對運動指令的快速反應。此外，這個傳動鏈在高速運轉(zhuǎn)時還會造成巨大的振動與噪聲， 影響高速加工的精度、表面質(zhì)量，并對生產(chǎn)環(huán)境造成嚴重的噪聲污染?！傲銈鲃印笔乾F(xiàn)代高速機床的基本特征，它不但大大簡化了機床的傳動與結(jié)構(gòu)，更重要的是提高了機床的動態(tài)靈敏度、 加工精度和工作可靠性。這是為聲足高速加工要求而出現(xiàn)的一種新型傳動方式，是近十年來機床設(shè)計理論和制造技術(shù)的一個重大創(chuàng)新。電主軸是實現(xiàn)高速機床主運動系統(tǒng) “零傳動”的典型結(jié)構(gòu)，而直線電動機高速進給單元則是高速機床進給運動系統(tǒng)實現(xiàn)“零傳動”的典型代表。2.1.2高速加工機床的設(shè)計原則1、機床基本結(jié)構(gòu)件的設(shè)計由于高速加工中的切削速度，進幺合速度和加減速度都大，因此機床的發(fā)熱量，運動部件的慣量也大，容易導致機床結(jié)構(gòu)的過量溫升、 產(chǎn)生變形和沖擊振動，最終會影響到加工精度、質(zhì)量乃至機床和刀具的工作壽命和可靠性。所以，高速加工對機床結(jié)構(gòu)的基本要求，首先是要三高，即靜剛度高、動剛度高和熱剛度高，也就是^, “三剛”特性要好；其次是運因此，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計應采取的原則措施是:圖2-1人造花崗巖整體澆注的床身結(jié)構(gòu)避免產(chǎn)生共振的可能性;動部件要輕量化，即要盡量減少傳動系統(tǒng)的慣量。為了提高結(jié)構(gòu)的靜剛度，首先是選擇彈性模量大的材料，如鋼、鑄鐵等作為結(jié)構(gòu)件的基本材料；其次是根據(jù)受力的性質(zhì)（拉，壓或扭）和條件（力的大小，方向和作用點）選擇合理的結(jié)構(gòu)截面形狀、尺寸、筋壁布置和機床的總體布局；三是結(jié)構(gòu)件間的接合面要平整，面積大小要適當，接觸點在接合面上的分布要均勻，連接要牢固等；四是盡量采用箱形和整體型結(jié)構(gòu)。因此，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計應采取的原則措施是:圖2-1人造花崗巖整體澆注的床身結(jié)構(gòu)避免產(chǎn)生共振的可能性;為了提高結(jié)構(gòu)的動剛度，首先是在保證靜剛度的前提下，選擇阻尼系數(shù)大的材料，如人造花花崗巖，鑄鐵等作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的材料；二是通過模型試驗或模態(tài)分析合理設(shè)計和調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)結(jié)合面的剛度值，以改變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的固有振動頻率，使其遠離切削過程中所產(chǎn)生的強迫振動頻率，三是有意采用能增加附加阻尼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如帶夾芯的雙層壁鑄件和非連續(xù)焊接的焊件等；四是直線運動部件的支承導軌面間距離要盡可能寬闊， 驅(qū)動力的作用線要居中并盡可能靠近運動部件的重心，運動鏈中應無反向間隙，以保證運動平穩(wěn)，無沖擊。為了提高結(jié)構(gòu)的熱剛度，原則上首先應采用熱容量大、熱脹系數(shù)小的材料和熱脹系數(shù)相近的材料作為結(jié)構(gòu)材料；其次是根據(jù)機床上的熱源和溫度場的分布情況， 盡量采用熱對稱和方便散熱或強迫冷卻的結(jié)構(gòu)， 包括采用熱補償措施的結(jié)構(gòu)等，以減少熱變形帶來的對機床幾何精度和工作性能的影響。為了減少運動部件的重量和傳動系統(tǒng)的慣量， 一是選用比重小的材料，如金呂合金和復合材料等，作為運動部件的結(jié)構(gòu)材料；二是在保證剛度和承載能力的前提下， 盡量去除多余的

材料；三是采用直接傳動，簡化傳動系統(tǒng)，縮短傳動鏈，以提高機床的運動品質(zhì)。現(xiàn)實中能同時滿足上述條件要求的材料和結(jié)構(gòu)是沒有的， 只能按實際要求進行綜合評估后選取。2、高速主軸系統(tǒng)的設(shè)計高速主軸是實現(xiàn)高速切削最關(guān)鍵的技術(shù)之一。 目前實現(xiàn)主軸高速運轉(zhuǎn)的方法主要是采用電主軸。電主軸是將主軸和電動機集成在一起的結(jié)構(gòu)， 取消了主傳動鏈中的一切中間傳動環(huán)節(jié)，簡化了機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高速機床主運動系統(tǒng)的“零傳動”，根據(jù)電主軸所采用的軸承的不同，主軸轉(zhuǎn)速從15000?100000r/min不等。電主軸的軸承電主軸是高速機床的“心臟部件”，是高速、精密且承受較大徑向和軸向切削負荷的旋

轉(zhuǎn)部件。其軸承首先必須滿足高速運轉(zhuǎn)的要求，并具有較高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升； 其次，必須具有盡可能高的徑向和軸向剛度。 此外，還要具有較長的使用壽命， 特別是保持精度的壽命。因此，軸承的性能對電主軸的使用功能極為重要。 目前，電主軸采用的軸承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。 目前，磁懸浮軸承電主軸和陶瓷球軸承電主軸的最高線速度可達200m/s和80m/s。滾動軸承滾動軸承具有剛度高、高速性能好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、標準化程度高、品種規(guī)格繁多、便于維修更換、價格適中和便于選擇等優(yōu)點， 因而在電主軸中得到最廣泛的應用。 電主軸一般采用適應高速且可同時承受徑向和軸向負荷的精密角、接觸球軸承。?配置形式和預加載荷角接觸球軸承的配置形式和預加載荷決定了電主軸系統(tǒng)的承載能力及其精度與剛度， 并對其使用壽命有很大的影響。 根據(jù)切削負荷大小、形式和轉(zhuǎn)速等，電主軸軸承一般采用如圖2—2所示的配置形式。其中圖2—2a僅適用于負荷較小的磨削用電主軸， 圖2—2f的后軸承為陶瓷圓柱混合軸承，可用于高速情況，既提高了剛度，又簡化了結(jié)構(gòu)，其依靠內(nèi)孔 1:12的錐度來消除間隙和預緊。b)b)圖2-2電主軸常用軸承的配置形式預加載荷不僅可消除軸角接觸球軸承一般必須在軸向有預加載荷條件下才能正常工作。預加載荷不僅可消除軸承的軸向游隙，還可以提高軸承剛度、主軸的旋轉(zhuǎn)精度，抑制振動和鋼球自轉(zhuǎn)時的打滑現(xiàn)象等。一般說來，預加載荷越大，提高剛度和旋轉(zhuǎn)精度的效果就越好；但是另一方面，預加載荷越大，溫升就越高，可能造成燒傷，從而降低使用壽命，甚至不能正常工作。所以，針對不同轉(zhuǎn)速和負載的電主軸來選擇軸承最佳的預加載荷值， 就成為電主軸制造廠家一個較為重要的技術(shù)訣竅。對轉(zhuǎn)速不太高和變速范圍比較小的電主軸，一般采用剛性預加載荷，即利用內(nèi)外隔圈或軸承內(nèi)外環(huán)的寬度尺寸差來施加預加載荷。這種方式雖然簡單，但當軸系零件發(fā)熱而使長度尺寸變化時，預加載荷大小也會相應發(fā)生變化。當轉(zhuǎn)速較高和變速范圍較大時，為了使預加載荷的大小少受溫度或速度的影響， 應采用彈性預加載荷裝置，即用適當?shù)膹椈蓙眍A加載荷。以上兩種方法，在電主軸裝配完成以后，其預加載荷大小就無法改變和調(diào)整。 對于使用性能和使用壽命要求更高的電主軸， 有一些電主軸公司采用可調(diào)整預加載荷的裝置， 其工作原理如圖2—3所示。在最高轉(zhuǎn)速時，其預加載荷值由彈簧力確定； 當轉(zhuǎn)速較低時，按不同的轉(zhuǎn)速，通以不同壓力值的油壓或氣壓， 作用于活塞上而加大預加載荷， 以便達到與轉(zhuǎn)速相適應的最佳預加載荷值?！?L ■圖2-3可調(diào)彈性預加載荷裝置原理圖2.陶瓷球混合軸承在滾珠軸承運轉(zhuǎn)過程中，滾珠既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生離心力和陀螺力矩。在軸承高速運轉(zhuǎn)條件下，滾珠將產(chǎn)生巨大的離心力和陀螺力矩， 這個巨大的離心力和陀螺力矩，會對軸承產(chǎn)生很大的接觸應力，加劇軸承的溫升與磨損，降低軸承的使用壽命。為了減少這個離心力和陀螺力矩，可以采用以下兩種方法：1)適當減少滾珠的直徑。滾珠直徑的減少應以不過多削弱軸承的剛度為限。 一般高速精密滾動軸承的滾珠直徑約為標準系列滾珠軸承的70%,而且做成小直徑密珠的結(jié)構(gòu)形式， 通過增加軸承的滾珠數(shù)和滾珠與內(nèi)外套圈的接觸點，提高滾珠軸承的剛度。采用輕質(zhì)材料來制造滾珠。用鋼質(zhì)的內(nèi)外環(huán)配以氮化硅(Si3N4)陶瓷球制成的混合陶瓷軸承(HybridCeramicBearing)具有許多優(yōu)點：陶瓷球質(zhì)量輕，材料密度僅為3.218g/cm2,只相當于鋼球的40%。在高速回轉(zhuǎn)時，輕質(zhì)球的離心力和陀螺力矩都得到大幅度的減小，從而減小了接觸應力，降低了摩擦功耗，使軸承溫升降低，壽命延長。②陶瓷球彈性模量高，E=3.22X107MPa,為鋼球的1.5倍，提高了軸承和主軸系統(tǒng)的剛度，也提高了主軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。③陶瓷球線膨脹系數(shù)低，a=3.2X10--6/oC,約為鋼球的25%，使得在不同溫升的條件下，球與內(nèi)外環(huán)的配合間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性，并減少了溫升導致的軸承軸向位移，也使得預加載荷變化小。陶瓷球硬度高，能達到1600?1700HV為鋼球的2.3倍，可減少磨損，提高軸承壽命。陶瓷與金屬間不產(chǎn)生“咬住”現(xiàn)象，磨損物也不會嵌入陶瓷球中，從而進一步提高了軸承壽命。由于陶瓷球具備以上這些優(yōu)點，使得陶瓷球軸承在高速及重載的條件下，仍可獲得高剛度、低溫升和長壽命的效果。3．潤滑滾動軸承在高速回轉(zhuǎn)時，正確的潤滑極為重要，稍有不慎，將會造成軸承因過熱而燒壞。當前電主軸主要有兩種潤滑方式：油脂潤滑油脂潤滑為一次性永久潤滑，不需任何附加裝置和特別維護。但其溫升較高，允許軸承工作的最高轉(zhuǎn)速較低，一般Dnf直在1.0X106以下。在使用混合軸承條件下，其Dnf直可以提高25%—35％。油-氣潤滑油-氣潤滑是一種新型的、較為理想的方式。它利用分配閥，對所需潤滑的不同部位，按照其實際需要，定時、定量地供給油-氣混合物，能保證軸承的各個不同部位既不缺潤滑，又不會因潤滑過量而造成更大的溫升，并可將油霧污染降至最低程度，其 DM直可達1.9X102.3高速機床進給系統(tǒng)的設(shè)計2.3.1高速加工對進給系統(tǒng)的要求高速進給系統(tǒng)是高速加工機床的極其重要的組成部分。隨著高速加工技術(shù)和高速數(shù)控機床的不斷發(fā)展，對高速機床進給系統(tǒng)的要求越來越高。目前對高速機床進給系統(tǒng)的要求可概括為以下幾個方面：、高速度為了保證高速切削的順利進行和減少空行程時間，提高加工效率，要求進給系統(tǒng)必須提供足夠高的進給速度。、高加速度由于大多數(shù)高速機床加工零件的工作行程范圍只有幾十毫米到幾百毫米， 如果不能提供極大的加速度來保證在瞬間達到高速和在高速行程中瞬間準停， 高速度也就沒有意義了，因此高速機床應具有很高的加速度。3、高精度高速機床都是精密或高精度機床，在高速運動情況下，進給驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能對機床加工精度的影響很大。高的可靠性和高的安全性在高速加工情況下，如果機床可靠性與安全性差，進給系統(tǒng)包含有運動部件，高速下一旦失控，將會造成可怕的后果。因此，提高高速進給系統(tǒng)的可靠性和安全性對提高高速機床的整機性能具有重要的意義。合理降低成本進給系統(tǒng)的成本在高速機床總成本中占有較大的比重， 降低進給系統(tǒng)的成本，對控制整機成本具有重要意義。2.3.2進給系統(tǒng)的設(shè)計對進給系統(tǒng)的設(shè)計，首先應當是能提供高速切削日寺所要求的高的進給 /快移速度和加減速度；其次是應具有所要求的調(diào)速寬度和軌跡跟蹤精度；同時還應有很好的承受動、靜載荷的能力和剛度，從而保證高速加工應有的效率和質(zhì)量。實現(xiàn)高速進給系統(tǒng)上述性能要求應從三個方面入手：即進給運動的傳動方式、各軸進給運動間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系和數(shù)控伺服控制系統(tǒng)。進給運動的傳動方式高速進給運動的傳動方式，目前廣為應用的主要有兩種：一是回轉(zhuǎn)伺服電機通過滾珠絲杠的間接傳動；二是采用直線電機直接驅(qū)動。通過滾珠絲杠間接傳動方式的優(yōu)點是技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)相對簡單，加速度特性受運動部件載荷變化的影響較小，且目前已有許多國內(nèi)外廠家進行了標準化，系列化和模塊化的專業(yè)化生產(chǎn)。但是普通傳動用的滾珠絲杠，由于存在慣量大，導程小，又受到臨界轉(zhuǎn)速的限制等，其所能提供的進給/快移速度只有10~20m/min，加速度為0.3g,滿足不了高速加工的要求，因此，高速加工用的進給滾珠絲杠普遍采取如下的改進措施：加大絲杠的導程和增加螺^的頭數(shù)，前者為提高絲杠每轉(zhuǎn)的進給量（即進幺合速度），后者則為彌補絲杠導程增大后所帶來的軸向剛度和承載能力的下降；將實心絲杠改為空心的，這既是為減少絲杠的重量和慣量，也是為便于對絲杠采取通水內(nèi)冷，以利于提高絲杠轉(zhuǎn)速，提高進幺合/快移速度和加速的能力，減少熱影響；改進回珠器和滾道的設(shè)計制造質(zhì)量，使?jié)L珠的循環(huán)更流暢，摩擦損耗更少；采用滾珠絲杠固定，螺母與連接在移動部件上的伺服電機集成在一起完成旋轉(zhuǎn)和移動，從而避開了絲杠受臨界轉(zhuǎn)速的限制等；經(jīng)過采取這些改進措施后，滾珠絲杠傳動的進給方式可提供進幺合 /快移速度達60m/min~90m/min，加速度可達1~2g。但是由于受到原理結(jié)構(gòu)的限制，要想進一步提高滾珠絲杠傳動的運動速度和加速度就很難了；而且受絲杠的可制造長度限制，滾珠絲杠傳動所能提供的運動行程也是有限的一般不超過 4?6m再者由于存在由失動量等形成的非線性特性，全閉環(huán)時系統(tǒng)穩(wěn)定性不易保證。與上述的通過滾珠絲杠間接傳動的方式相比，采用直線電機直接驅(qū)動的主要特點和優(yōu)點是將伺服電機的定子和動子分別直接與機床床身及移動部件結(jié)合在一起，沒有了中間環(huán)節(jié)，傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了進給系統(tǒng)的“零傳動”，從而大大提高了機械剛度，減少了傳動系統(tǒng)的慣量，獲得更高的速度和加速度能力，并易于控制系統(tǒng)的阻尼力和動態(tài)特性，直線電機最高的進給/快移速度可達120m/min乃至240m/min,加速度可達2~10g；進給行程長度可不受限制；適應性強，靈敏度高，隨動性好，不存在反向間隙，可利用直線光柵尺作為測量反饋元件，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，以獲得更高的定位精度和跟蹤精度等。但是，直線電機直接驅(qū)動也存在一些缺點：如效率低，功耗大，結(jié)構(gòu)尺寸和自重也相對較大;工作過程溫升高，要求強冷卻；因受磁場力影響易于吸引鐵屑和金屬物，故需考慮防磁措施等，特別是要注意的是它的加速度值直接反比于運動部件的載荷量（工作臺 /滑座自重加上工件及其他外載荷），即對運動載荷較敏感，故宜用于運動件載荷恒定或變化量不大的場合，在載荷變化重大的情況下，必需能在數(shù)控編程時予以考慮，否則不能保證加工所要求的效率和質(zhì)量。另外，直線電機直接驅(qū)動不具自鎖能力，^^和使用中應注意考慮外加制動措施，特別是在垂直軸進給系統(tǒng)中使用時，尤要注意。各軸進給運動的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系。如同一般加工機床一樣，高速加工機床一般都有2個以上，多至5個進給運動軸，這些運動軸間的相互結(jié)構(gòu)聯(lián)系，目前存在著串聯(lián)，并聯(lián)和混聯(lián)三種型式：串聯(lián)結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)機床普遍采用的型式，其特點是各運動軸的布局采用笛卡兒直角坐標系，機床床身、立柱、溜板、工作臺/軸臺和主軸箱等部件分別通過響應的導軌支承面串聯(lián)在一起的，各軸運動均可單獨地獨立進行，由于是串聯(lián)， 各運動部件的重量往往都較大，且不一致，需特殊調(diào)整方可保持各軸加速度特性的一致性； 進幺合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件不僅受拉、壓力，而且受彎、扭力矩的作用，變形復雜，后運動部件受到先運動部件的牽動和加速， 加工誤差由各軸運動誤差線性疊加而成，且受導軌精度的影響等，這些都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點。然而由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)，有長期設(shè)計、制造和應用的經(jīng)驗，技術(shù)較成熟，故迄今仍為大多數(shù)高速加工機床所采用。但串聯(lián)結(jié)構(gòu)中還有著不同的各運動軸的相互組合配置方式， 其所獲得的應用效果是不一樣的，設(shè)計時應以高速加工的特點及其對機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求出發(fā)來確定。并聯(lián)結(jié)構(gòu)的典型代表是Stewart平臺式的所所謂虛擬軸機床。它的特點是運動部件是一個由伺服電機分別控制的6根可自由伸縮的桿子所支承的動平臺， 該平臺可同時作6個自由度的運動，但沒有像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣的物理上固定的 X、Y、Z軸和相應的運動支承導軌，而且任何一軸運動都必須由6根可伸縮桿的協(xié)同運動來完成。一般刀具 /主軸頭就安裝在該動平臺上，工件則固定在機床的機架上，此外就不再有溜板、導軌等支承件了。與傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機床相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的機床主要有如下優(yōu)點：運動部件重量輕，慣量小，更有利于實現(xiàn)進給運動高的速度和加速度；刀具主軸頭可同時實現(xiàn)5軸聯(lián)動，結(jié)構(gòu)簡單，且主要的6根伸縮桿具有相同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式，便于模塊化，標準化和系列化生產(chǎn)；伸縮桿的兩端分別由球鉸和虎克鉸鏈與相關(guān)件連結(jié)， 使桿子只受拉、壓力，不受彎扭力作用，剛度高，并易于通過預加載荷來提高整個進給系統(tǒng)的綜合剛度；理論精度高，因為它不像串聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣，各軸運動誤差有可能被累積和放大， 故并聯(lián)結(jié)構(gòu)的進給運動的綜合誤差一般不會大于 6根伸縮桿運動誤差的平均值。圖2-4Stewart平臺式并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床圖2-5混聯(lián)結(jié)構(gòu)機床示意圖并聯(lián)結(jié)構(gòu)的缺點是：在同一臺機床上，其進給的行程隨著各伸縮桿的伸出長度和動平臺的位姿角變化而變化，故由行程所決定的可加工空間是非規(guī)則形，不方便應用；因受球鉸和虎克鉸鏈轉(zhuǎn)角的限制， 帶主軸頭的動平臺所能傾斜的角度較小 （一般只有土40°）從而影響了機床的可加工范圍；運動編程較復雜，而且在任一軸向上的簡單直線運動，也要有6根桿的協(xié)調(diào)伸縮運動才能完成等。由于有這些問題的存在，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的應用，目前尚不十分廣泛，還有待于進一步研究和發(fā)展?；炻?lián)結(jié)構(gòu)是在一臺機床上同時采用有串聯(lián)和并聯(lián)型式的進給運動的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，通常的做法是： 3個移動坐標仍采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)來完成，主軸加工時所需的另外2個轉(zhuǎn)動坐標則由串聯(lián)到固定工作臺上的回轉(zhuǎn)和可傾斜的工作臺或由串聯(lián)到并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動平臺上的旋轉(zhuǎn)和擺動主軸頭來實現(xiàn)。但是此時的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的 6根伸縮桿改成了3副定長桿，除桿的一端仍通過球鉸與動平臺相聯(lián)外，桿的另一端則通過球金交成^地與滑座聯(lián)結(jié)，滑座由伺服電機控制的滾珠絲杠 （或直線電機）驅(qū)動在機床導軌上移動， 從而改變動平臺（主軸頭）在三雉空間中的位置，即X、YZ軸的運動行程。這樣既克服了純并聯(lián)結(jié)構(gòu)存在的加工空間不規(guī)則和動平臺可傾角度過小的缺點， 而且也減少了三套伺服驅(qū)動電機和滾珠絲杠，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。這應是并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)改進的一個方向。2.4高速機床控制系統(tǒng)的設(shè)計2.4.1高速加工對數(shù)控系統(tǒng)的要求高速加工技術(shù)是傳統(tǒng)數(shù)控加工技術(shù)的新發(fā)展， 從基本原理上說，它與傳統(tǒng)數(shù)控加工沒有本質(zhì)的區(qū)別。對于高速數(shù)控加工，數(shù)控機床的目標是要求高速度地加工出高精度的工件。 為了在保證精度的基礎(chǔ)上進行高速加工，高速加工對 CN(數(shù)控系統(tǒng)有一定的要求：能夠高速處理程序段；能夠迅速、準確地處理和控制信息流，將加工誤差控制為最小；能夠盡量減少機械的沖擊，使機床平滑移動；要有足夠的容量，可以讓大容量加工程序高速運行， 或者具有通過網(wǎng)絡傳遞大量數(shù)據(jù)的能力；由于在高速下工作，因此必須有很高的可靠性和安全性。242高速加工數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計高速加工時加工誤差主要是由控制系統(tǒng)加、減速的滯后和伺服系統(tǒng)的滯后引起的，因此，控制系統(tǒng)要設(shè)法減少這兩方面的誤差。1)減少伺服滯后產(chǎn)生的誤差(1)前饋控制采用前饋控制是一種有效減少穩(wěn)態(tài)跟隨誤差的方法。前饋控制的框圖如圖 2-6所示，它采用數(shù)字伺服的前饋控制算法， 減少了位置控制的滯后。在高速加工中，為了在減少跟隨誤差的同時，減少輪廓誤差，提高加工的形狀精度，在位置環(huán)增加前饋控制的同時也可以在速度環(huán)增加前饋控制如圖2-7所示。圖2-6位置環(huán)前饋控制框圖圖2-7位置環(huán)、速度環(huán)前饋控制框圖為了進一步提高伺服系統(tǒng)對高速及高精加工的適應能力， 還可以進行“預先前饋”控制如圖2-8所示。(2)采用數(shù)字伺服技術(shù)伺服技術(shù)是CN保統(tǒng)的重要組成部分，廣義上說，采用計算機控制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱為“數(shù)字伺服”，也稱為“軟件伺服”。數(shù)字伺服具有以下優(yōu)點：無溫度漂移，穩(wěn)定性好；基于數(shù)值計算，精度

高；通過對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定，可減少調(diào)整；容易做成ASIC電路；由于采用軟件控制，柔性好，容易增加功能。高；通過對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定，可減少調(diào)整；容易做成ASIC由于采用了數(shù)字伺服技術(shù)，伺服系統(tǒng)的速度增益和位置增益都可以提高， 因而也減少了伺服滯后產(chǎn)生的誤差。2)減少加減速滯后產(chǎn)生的誤差采用不同形狀的加、減速曲線加、減速曲線主要有指數(shù)、直線和鐘形三種如圖2-9所示。不同的曲線在加、減速時所產(chǎn)生的誤差也不同。當取相同的時間常數(shù)時，鐘形的誤差最小，直線形其次，指數(shù)形最大。指數(shù)形曲線的加、減速的最大加速度為 F/T,直線形曲線的加、減速的最大加速度為F/T,鐘形曲線的加、減速的最大加速度為 2F/T。從平均加速度來看，直線形和鐘形一樣大，指數(shù)形最小，因此指數(shù)形曲線的加、減速曲線引起的機床振動最小?！阍诩庸r采用指數(shù)加減速，快速時采用直線加減速，在要求較高的系統(tǒng)中可以采用鐘形加減速曲線。a)指數(shù)形圖a)指數(shù)形圖2-9(2)插補前加減速控制b)直線形c)三種不同的加、減速曲線在現(xiàn)代數(shù)控裝置中，加、減速都采用軟件實現(xiàn)。加、減速可以在插補前，也可以在插補后進行。在插補前進行的加、減速控制稱為補前加、減速控制，在插補后進行的加、減速控制稱為補后加、減速控制。補前加、減速控制的優(yōu)點是僅對編程的合成切線速度即編程指令速度進行加、 減速控制，所以它不會影響插補輸出的位置精度。補前加、減速控制的缺點是需要預測減速點，而這個減速點要根據(jù)實際刀具位置與程序終點之間的距離確定，這種預測工作的計算量比較大。補后加、減速控制補與前加、減速控制不同， 它是對各種運動軸分別進行的加、減速控制，所以在加、減速時，不需專門預測減速點，而是在插補輸出為零時開始減速，并通過一定的時間延遲逐漸靠近程序段終點。 補后加、減速控制的缺點是，由于它對各運動坐標軸分別進行加減速，所以在加減速控制后，實際的各坐標軸的合成位置就可能不準確。 不過這種影響只在加速或減速過程中才出現(xiàn)，在系統(tǒng)進入勻速狀態(tài)時就不存在。在一般數(shù)控加工時，機床在快速時采用直線加減速， 切削時采用指數(shù)加減速。但在高速加工時，為了減少誤差，切削時采用補前直線加減速或鐘形加減速。 如果采用補后指數(shù)加減速，那么就要盡量減少插補后的加減速時間常數(shù)。第三章高速切削刀具3.1高速加工對刀具的要求刀具技術(shù)的不斷發(fā)展是高速切削加工得以實施的工藝基礎(chǔ)，在高速切削技術(shù)的發(fā)展過程中，刀具技術(shù)起到了非常關(guān)鍵的作用。高速切削的刀具技術(shù)包括刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和刀具的裝夾技術(shù)等。在高速切削技術(shù)的發(fā)展的幾十年歷程中，高速切削機床、高速切削刀具系統(tǒng)和高速切削工藝是高速切削加工的三項主要技術(shù)。

隨著切削速度的大幅度提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數(shù)、刀體結(jié)構(gòu)以及切削工藝參數(shù)等都提出了不同于傳統(tǒng)速度切削時的要求：3.1.1高速切削對刀具材料的要求刀具材料影響著高速切削加工技術(shù)的廣泛應用，刀具材料的耐高溫和耐磨損問題是高速切削技術(shù)發(fā)展的一個嚴重障礙。在高速切削時，產(chǎn)生的切削熱和對刀具的磨損比普通速度下切削時要高得多，因此，高速切削對刀具材料有更高的要求，主要為：由于高速切削加工的切削速度是常規(guī)切削的 5?10倍，對刀具材料以及刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)等都提出了新的要求。刀具材料的選擇對加工效率、加工質(zhì)量以及成本和刀具的壽命等有著重要的影響。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還對刀具材料有更高的要求，主要包括：①高的硬度和耐磨性：高速切削加工刀具材料的硬度必須高于普通加工刀具材料的硬度，一般在60HR（以上。刀具材料的硬度愈高，其耐磨性愈好。高的強度和韌性：刀具材料要有很高的強度和韌性，以便承受切削力、 振動和沖擊，防止刀具脆性斷裂。良好的熱穩(wěn)定性和熱硬性：刀具材料要有很好的耐熱性，要能承受高溫，具備良好的抗氧化能力。良好的高溫力學性能：刀具材料要有高溫強度、高溫硬度和高溫韌性。較小的化學親和力：刀具材料與工件材料的化學親和力要較小。盡管已出現(xiàn)不少新的刀具材料，但同時滿足上述要求的刀具材料是很難找到的。高速切削對刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的要求除了刀具材料的選擇外，正確選擇刀具結(jié)構(gòu)、切削刃的幾何參數(shù)以及刀具的斷屑方式等對高速切削的效率、表面質(zhì)量、刀具壽命以及切削熱量的產(chǎn)生等都有很大的影響。合適的刀具后角和合理的進給速度，能產(chǎn)生足夠大的切屑厚度，以便帶走熱量，避免切削硬化。刀刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數(shù)，應合理選擇。切削載荷與刀具每切刃的進給量有關(guān)。對于多片鑲嵌刀具，切削載荷作用在每一個刀片上；對于實體刀具，切削載荷作用在每一個刀齒上。因此進給量應該在一個合理的數(shù)值之間來進行選擇。從提高切削效率的角度看，切削效率最高的刀片是方形刀片；從刀具磨損的角度看，耐磨性能最好的刀片是三角形刀片。高速切削對刀體的要求（1）高連接強度的鑲嵌式刀具高速切削中，大量應用鍍層和壓層刀具技術(shù)，鑲嵌式刀具使用量很大。對于鑲嵌式刀具，嵌入刀體的刀片如果沒有足夠的連接強度，就會在很大的離心力作用下和刀體分離。轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的刀具都有這種危險。因此，在高轉(zhuǎn)速下只靠一個夾緊螺釘來壓緊刀片是不安全的。刀片要安全地嵌入刀體中，即緊嵌入刀體的卡槽里，然后再在與離心力垂直的方向上用螺釘把刀片緊固在刀體上。（2）刀具和刀柄的連接方法對于高速切削使用的刀柄和刀具夾頭要求是：夾緊精度高；傳遞轉(zhuǎn)矩大；結(jié)構(gòu)對稱性好，有利于刀具的動平衡；外形尺寸小，但應適當加大刀具的懸伸量，以擴大加工范圍。優(yōu)化切削參數(shù)的要求根據(jù)工件材料和加工工序，正確選擇刀具材料和優(yōu)化切削參數(shù)， 是保證高速切削能夠達到預期效果的重要環(huán)節(jié)。高速切削對刀具系統(tǒng)的其他要求在高速切削刀具的實際應用中， 除了正確選擇刀具材料和切削參數(shù)外， 還要考慮和刀具有關(guān)的其他問題，主要有：提高切削剛度。在高速加工中，支撐工件的夾具應該穩(wěn)固地安裝在工作臺上， 夾具和工作臺應該有足夠的質(zhì)量和阻尼，以免引起刀具的振動，提高刀具的壽命?？紤]刀具承受的離心力。特別是當選擇嵌入式刀具時尤其要注意，使用的刀具在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力不能超過允許的極限轉(zhuǎn)速，以免發(fā)生危險事故。需要增加特殊的安全設(shè)施。為了防止刀具爆裂，發(fā)生高速飛射，必須使用非常安全可靠的保護措施。3.2高速切削刀具刀具材料為了實現(xiàn)高速切削，必須有適合于高速切削的刀具材料和刀具制造技術(shù)來支持。 現(xiàn)在使用的金屬切削刀具材料可分為九種， 包括從切削速度最低、耐磨性能最差的高速鋼到高速性能最好的聚晶金剛石刀具，見表3-1。表3-1九種切削材料的性能和應用范圍刀具材料優(yōu)點缺點典型應用高速鋼（HSS抗沖擊能力強，通用性好切速低，耐磨性差低速、小功率和斷續(xù)切削硬質(zhì)合金通用性最好，抗沖擊能力強切削速度有限大多數(shù)材料的粗精加工包括鋼、鑄鐵、特殊材料和塑料涂層硬質(zhì)合金通用性很好，抗沖擊能力強，中速切削性能好切削速度限制在中速范圍除了速度比硬質(zhì)合金高夕卜，其他和硬質(zhì)合金一樣金屬陶瓷通用性很好，中速切削性能好抗沖擊能力差，切削速度限制在中速范圍鋼、鑄鐵、不銹鋼和鋁合金陶瓷陶瓷（熱/冷壓成型）耐磨性好，可高速切削，通用性好抗沖擊性差，抗熱沖擊性也差鋼和鑄鐵的精加工，鋼的滾壓加工陶瓷（氮化硅）抗沖擊性好，耐磨性好非常有限的應用鑄鐵的粗、精加工陶瓷（晶須強化）抗沖擊性好，高抗熱沖擊性能有限的通用性可高速粗、精加工淬硬鋼、淬火鑄鐵和高鎳合金立方氮化硼（CBN高熱硬性，高強度，高抗熱沖擊性能不能切削硬度低于45HRC的材料，有限制地應用，成本高切削硬度在45?70HRC之間的材料聚晶金剛石（PCD高耐磨性，高速性能好抗沖擊能力差，切削鐵質(zhì)金屬化學穩(wěn)定性差，有限的應用高速粗切和精切有色金屬和非金屬材料由表3-1可以看出，上述刀具材料可承受的切削速度，從上往下逐漸提高。高速切削還需要同時具有韌性好、抗沖擊能力強和耐磨性好的刀具材料。1、硬質(zhì)合金涂層刀具硬質(zhì)合金刀具材料本身具有韌性好、抗沖擊、通用性好等優(yōu)點。但由于刀具的耐熱和耐磨性差，適應不了高速切削。采用刀具涂層技術(shù)在硬質(zhì)合金刀片上加上一層或多層高性能材料，就可以使硬質(zhì)合金不僅能夠發(fā)揮本身的優(yōu)勢，而且可以進行高速切削。涂層刀具是通過在韌性較好的刀具基體上涂覆硬質(zhì)耐磨的金屬化合物薄膜，以獲得遠高于刀具基體的硬度和優(yōu)良的切削性能。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和金屬陶瓷等。涂層刀具具有很強的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。由于涂層的摩擦系數(shù)低，切削時的切削溫度降低，切削力也減小，大大提高了刀具壽命。涂層可以是單涂層，也可以是雙涂層或多涂層，甚至可以是幾種涂層材料復合而成的復合涂層。涂層刀具可以分成硬涂層刀具和軟涂層刀具。硬涂層刀具的涂層材料主要有氮化鈦（TiN）、碳化鈦（TiC）、碳氮化鈦（TiCN）、氮化鋁鈦（TiAlN）、碳氮化鋁鈦（TiAICN）和氧化鋁（Al2Q）等。硬涂層刀具的主要優(yōu)點是硬度高、 耐磨性能好。軟涂層刀具的涂層材料主要有MoS和WS。軟涂層刀具可以減少摩擦，降低切削力和切削溫度。 TiN涂層的硬度高、耐磨性好，具有很高的化學穩(wěn)定性，可大大減少刀具與工件之問的摩擦系數(shù)； TiC涂層與被切削金屬的親和力小，潤濕性好，抗氧化性強，具有良好的抗摩擦磨損性能； TiAlN涂層刀具，不僅具有TiN的硬度和耐磨性，而且在高速切削時，氧化生成Al2Q起到抗氧化和抗擴散磨損的作用，具有良好的切削性能，其最高工作溫度可達 800oC；AI2Q涂層在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性， 適用于高速切削時產(chǎn)生大量熱的刀具； 金剛石膜涂層刀具主要適用于加工有色金屬； MoS和WS作為軟涂層材料的高速鋼刀具主要用于加工高強度鋁合金、鈦合金或貴重金屬材料。最新開發(fā)的納米涂層材料刀具在高速切削中的應用前景也很廣闊。 如日本住友公司已開發(fā)出納米TiAIN復合涂層銃刀片，共2000層涂層，每層厚度為2.5nm。應用較廣泛的涂層工藝有化學氣相沉積法（CVD法）和物理氣相沉積法（PVD法）oPVDt主要用于高速鋼刀具涂層， PVD法和CVDfe均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。2、陶瓷刀具可用于高速加工的陶瓷刀具包括金屬陶瓷、氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、Sialon陶瓷、晶須強化陶瓷以及涂層陶瓷刀具等。陶瓷刀具的材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，是通過在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外還有多相陶瓷。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優(yōu)良、化學穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通?？杀扔操|(zhì)合金刀具高3?10倍，適用于高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具可在200?1000m/min的切削速度范圍內(nèi)高速切削軟鋼 （如Q235鋼）、淬硬鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具主要應用于耐磨材料、淬硬材料和難加工材料等的車、銑粗精加工。具體來說，氧化鋁基陶瓷主要用于加工淬硬鋼和耐磨鑄鐵，氮化硅基陶瓷主要用于加工鑄鐵、高溫合金和鎳基合金等材料。金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力強和化學穩(wěn)定性好。金屬陶瓷材料主要包括高耐磨性 TiC基硬質(zhì)合金（TiC+Ni或Mo）、高韌性TiC基硬質(zhì)合金（TiC+TaC+WC）強韌TiN基硬質(zhì)合金（以TiN為主體）、高強韌性TiCN基硬質(zhì)合金（TiCN+NbC）等0金屬陶瓷刀具可在300?500n/min的切削速度范圍內(nèi)高速加工鋼和合金鋼， 精加工鑄鐵。此外金屬陶瓷還可制成鉆頭、銑刀和滾刀。陶瓷刀具具有硬度高、價格低的優(yōu)點，在改進燒結(jié)制造工藝和采取增韌技術(shù)后，具的強度陶瓷刀和斷裂韌度大幅度提高，是對高硬度淬硬鋼進行干切削的好刀具。隨著陶瓷強化技術(shù)的進一步發(fā)展，在高速精加工、半精加工、干切削和硬切削中，陶瓷刀具將會起到更重要的作用。3、超硬材料刀具超硬材料刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復合片（PCD）刀具及立方氮化硼復合片（PCBN刀具占主導地位。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，超硬刀具的生產(chǎn)及應用也逐年快速增長。立方氮化硼（CBN）刀具具有極高的硬度（僅次于PCD）和熱硬性，CBNO具是高速精加工或半精加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金等的理想刀具材料。由于 CBN刀具加工高硬度零件時可獲得良好的加工表面粗糙度，因此采用 CBN刀具切削淬硬鋼可以實現(xiàn)“以車代磨”?？紤]到CBN刀坯的價格較高以及重磨因素，一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一角上鑲焊一塊 CBN刀坯，且通常只做一個刀尖。研究證明，采用純 CBf材料制成的刀具在許多情況下并不能獲得最佳加工效果。聚晶金剛石（PCD）刀具材料具有高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數(shù)等特點。PCD刀具可以實現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料（如石墨和合成材料）的高速、高精度、高穩(wěn)定性加工。據(jù)報道，鑲PCD勺鉆頭加工硅鋁合金的切削速度達300?400m）/min,PCD與硬質(zhì)合金基體共同燒結(jié)而成的復合片鉆頭，用于加工鋁合金、鎂合金、復合材料、石墨、粉末冶金坯料。與硬質(zhì)合金刀具相比，刀具壽命提高了65?145倍；采用高強度鋁合金刀體的PCD八銃刀的切削速度可達

3000?4000m/min,有的達到7000m/min,適合于汽車零部件成形面的高速加工⑹性能優(yōu)異的高速鋼和硬質(zhì)合金復雜刀具高性能鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼和整體硬質(zhì)合金材料已成為制造滾刀、剃齒刀、插齒刀等齒輪刀具的主流刀具材料,可用于齒輪的高速切削。用硬質(zhì)合金粉末和高速鋼粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齒輪滾刀, 滾切速度可達到150?180m/min。再對其進行TiAIN涂層處理后，可用于高速干切齒輪。超硬材料刀具大部分用于汽車零部件的切削加工，近年來，隨著 CN（加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機床的普遍使用,可實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的超硬刀具的應用也日漸普及,超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要切削刀具。高速切削刀具材料的應用與發(fā)展通過以上內(nèi)容,我們知道適用于高速切削加工的刀具材料主要有三類：各種涂層硬質(zhì)合金刀具；陶瓷刀具,包括普通陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、涂層金屬陶瓷刀具、強化陶瓷刀具等；超硬材料刀具，包括 CBN0具和金剛石刀具。涂層硬質(zhì)合金刀具是應用最多、使用范圍最廣的一類刀具,性能價格比也比較好,不僅可用于高速切削,也是加工領(lǐng)域中使用最多的一種刀具。陶瓷刀具的性能介于涂層硬質(zhì)合金刀具和超硬材料刀具之間，由于陶瓷刀具的硬度比硬質(zhì)合金高而價格比 CBF和金剛石刀具低，在一些場合下可以代替超硬材料刀具進行高速硬切削和干切削。 CBF刀具和金剛石刀具硬度如精密切削高高,刀具壽命長,適用于大批大量生產(chǎn)的場合以及用于特殊要求場合的加工,硬度材料等,但是價格比較高,是影響其大量推廣應用的主要因素。如精密切削高現(xiàn)在,采用新材料、新技術(shù)制造高速刀具的種類越來越多,包括通用刀具鉆頭、絲錐、立銑刀等,還有鑲嵌刀片、可轉(zhuǎn)位刀片,專用刀具如滾齒刀、拉刀等。這些刀具使機械加工的切削速度普遍提高,高速切削技術(shù)已從車、銑推廣到鉆、攻螺紋、成形切削、齒輪加工等領(lǐng)域,進一步擴大了高速切削的應用范圍。3.2.33.2.4高速切削加工對刀具系統(tǒng)的要求3.2.33.2.4高速切削刀具裝夾技術(shù)第四章高速加工工藝各種材料的高速切削技術(shù)高速切削不同工件材料時其所用的切削刀具、工藝方法以及切削參數(shù)均有很大不同，而且和在普通切削加工時的情況也有很大不同，而且和在普通切削速度加工時的情況也有很大不同，掌握正確的高速切削工藝方法，是高速切削應用技術(shù)中的一個重要環(huán)節(jié)。高速切削的工藝技術(shù)研究和高速切削機理研究一樣，目前還處于研究和發(fā)展階段，需要不斷地進行實驗和不斷完善。國際上公認，德國達姆斯塔特工業(yè)大學的生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW在這方面進行了比較全面的研究和實驗。這里，以 PTV的研究成果為基礎(chǔ)，介紹各種材料的高速切削技術(shù)。4.1.1高速銑削工藝原則傳統(tǒng)意義上的高速切削是以切削速度的高低來進行分類的， 而銑削機床則是以轉(zhuǎn)速的高低進行分類。如果從切削變形的機理來看高速切削，則前一種分類比較合適；但是若從切削工藝的角度出發(fā)，則后一種更恰當。這是因為隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，機床的結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)、刀具裝夾和機床特性都有本質(zhì)上的改變。高轉(zhuǎn)速意味著高離心力，傳統(tǒng)的7：24錐柄，彈簧夾頭、液壓夾頭在離心力的作用下，難以提供足夠的夾持力；同時為避免切削振動要求刀具系統(tǒng)具有更高的動平衡精度。高速切削的最大優(yōu)勢并不在于速度、進給速度提高所導致的效率提高；而是由于采用了更高的切削速度和進給速度，允許采用較小的切削用量進行切削加工。由于切削用量的降低，切削力和切削熱隨之下降，工藝系統(tǒng)變形減小，可以避免銑削顫振。利用這一特性可以通過高速銑削工藝加工薄壁結(jié)構(gòu)零件。高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時，加工用量會有很大差異，目前尚無完整的加工數(shù)據(jù)，可根據(jù)實際選用的刀具和加工對象參考刀具廠商提供的加工用量選擇。 一般的選擇原則是中等的每齒進給量fz，較小的軸向切深ap,適當大的徑向切深ae,高的切削速度。高速切削輕金屬技術(shù)鋁材料零件的高速加工，在20世紀80年代就已經(jīng)在工業(yè)中廣泛應用。 經(jīng)過適當處理的鋁合金材料，強度可高達540MPa它的相對密度很輕，是飛機和各種航天器零部件的主要材料，也是機器和儀表另部件的常用金屬。近年來鋁合金在汽車和其他動力機械中的應用也逐漸增多。鋁鎂合金大多使用鑄件。這些輕合金的最大優(yōu)點在于其固有的易切特性。1、加工輕合金的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：切削力和切削功率小，大約比切削鋼件小 70%；切屑短、不卷曲，因而在高速加工中易于實現(xiàn)大量切屑的排屑自動化；刀具磨損小，用途層硬質(zhì)合金、多晶金剛石等刀具再很高的切速下切削輕合金材料，可以達到很高的刀具壽命；加工表面質(zhì)量高，僅采用少量的切削液、再近乎干切削的情況下，不用在經(jīng)過任何加或手工研磨，零件即可得到很高的表面質(zhì)量；可采用很高的切削速度和進給速度進行加工，切削速度高達1000—7500m/min，高速加工使95%以上的切削熱被切屑迅速帶走，工件可保持室溫狀態(tài)，熱變形小，加工精度高。有人認為這樣來定義高速銑削比較合理：在給定的切削條件下，對應于高速銑削的進給速度要高到能夠阻止在切削區(qū)產(chǎn)生的熱量擴散到工件上。這樣，切削過程也可以定義成為一個被加工材料的函數(shù)，在切削區(qū)進給速率應高于熱傳導給工件的速率。由于在高速銃削過程存在較大的沖擊載荷，聚晶金剛石( PCD和立方氮化硼(CBN刀具的壽命特性并不好。高速鋼也不適合于加工輕金屬。切削硅鋁合金時，盡管刀具的圓周速度很高，甚至在切削液極少的情況下，刀具的耐用度仍然很好。當切削速度達到1000m/min時，可使用K型硬質(zhì)合金刀具；當切削速度達到2000m/min時，特別是切削低熔點的硅鋁合金材料（硅含量大于12%）時，要使用金剛石鍍層硬質(zhì)合金刀具，甚至PCDO具；在銃削鋁鎂合金時，可使用 K10硬質(zhì)合金刀具。在上述情況下，刀刃圓角半徑對切削溫度和微粒火花的影響都很大，所以， PC［刀具或硬質(zhì)合金刀具的刀刃半徑必須精密刃磨到納米級的水平。如使用錐柄銑刀，應盡量注意刀具的對稱和平衡，的敏以得到高切削剛度和減小對切削振動感性。兩刃、三刃或四刃銑刀會有不同的振動頻率，度的選擇 應該有比較寬的調(diào)速范圍，切削速要避開機床的共振區(qū)。高速銑削鋼和鑄鐵近些年來，高速加工開始用于鋼和鑄鐵的精加工，削可特別是加工形狀復雜的零件，高速切以大大提高生產(chǎn)率。高速銑削鋼、鑄鐵材料和切削輕金屬材料不同，主要的問題是刀具磨損。優(yōu)化切削參數(shù)的目的不僅僅為了提高金屬切除率，件的表而且更注重于降低切削力，提高工面質(zhì)量、尺寸精度和形狀精度以及減少刀具磨損。（1）鋼材的高速銑削高速銑削鋼材時，刀具用更鋒利切削刃和較大的后角，提高這樣可以減少切削時刀具的磨損，刀具使用壽命。刀具參數(shù)也應該隨進給速度而變化。 當進給速度增加時，刀具后角要減少；進給速度對刀具前角的影響相對比較小。按照通常的切削規(guī)律，刀具的正前角能夠減小切削力，并減小月牙洼磨損。但在高速下，正前角并不比0。前角更多的降低切削力。負前角雖然能使刀片具有更高的切削穩(wěn)定性，但是增大了切削力和月牙洼磨損。一般來講，隨著切削速度的提高，刀具壽命降低。當切削速度進一步升高，使切屑與刀具前刀面接觸區(qū)的滑移速度高到超過刀具材料的耐熱能力時，就會造成月牙洼磨損。隨著進給速度的提高，開始刀具的壽命隨著提高，然后在通過一個最大點之后開始降低。這種現(xiàn)象可以解釋為：在開始階段參與切削的刀片少，隨著進給速度的增加，切削力增大，刀片通過工件的路徑變長，而且刀具前面接觸區(qū)溫度升高，因此會引起前刀面月牙洼位置的移動。由此可見，進給速度的優(yōu)化選擇和切削速度的關(guān)系很大。在高速銑削時，軸向進給量對刀具磨損的影響比較小，而徑向進給量的影響則較大。刀具壽命隨切削面的增加而降低。軸向進給切削和徑向進給切削二者之間是相互關(guān)聯(lián)的。在以徑向進給切削時，常常會因為高速產(chǎn)生的高溫超過刀具材料的紅硬性而造成刀具失效。短時間得發(fā)熱可以由比較建議進給量之值等于工件材料的抗拉強度增在徑向進給比較慢時，刀具的非接觸區(qū)時間比接觸區(qū)時間長，長時間的冷卻來彌補。因此，從整體上看，徑向進給速度應稍慢一點，刀具直徑的短時間得發(fā)熱可以由比較建議進給量之值等于工件材料的抗拉強度增高速切削時刀具的磨損也受到加工材料強度等力學性能的影響。大，則刀具壽命降低，所以要減小每齒的進給量。在高速切削刀具材料方面，難加工材料必須使用耐高溫和高硬度的刀具材料。金屬陶瓷刀具的壽命比硬質(zhì)合金長，但也只適用于小切深和小進給量的切削。兩種刀具材料都適用于精加工。在中速切削時，使用非氧化陶瓷（NoN-OxideCeramics）刀具比金屬陶瓷刀具的效果好。進給速度太快會引起刀具崩刃，所以和硬質(zhì)合金刀具相比，陶瓷刀具的進給速度要減半。使用CBNO具加工淬硬材料時效果好。使用CBNO具加工非淬硬材料不經(jīng)濟，對提高刀具壽命的優(yōu)勢不大，金屬陶瓷刀具也是如此。鍍層硬質(zhì)合金刀具的磨損特性和所使用的刀具基體材料有很大關(guān)系。 TiN基體的PV［鍍層刀具具有最好的耐磨性能，其刀具壽命比沒有鍍層的刀具可提高 50%-250%。雖然不能保證切削液能夠完全進入刀具與工件的切削接觸區(qū)， 一般來講使用切削液可善刀具前刀面的磨擦狀況。但是，冷卻會引起刀片溫度的急劇變化，對于脆性材料的刀具，容易產(chǎn)生刀具的過早試失效。（2）鑄鐵的高速銑削在高速銑削鑄鐵時，刀具后角的情況和鋼件差不多。對于箱氮化硅刀具這樣的脆性刀具材料，影響刀具磨損的主要原因是刀片的形狀和幾何參數(shù)。在高速銑削鑄鐵時，必須使用圓刃刀具，否則很快就會因為刀具的高脆性而破壞。切削速度的選擇取決于刀具材料。對于硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具，高速切削中的最主要問題是刀具磨損。金屬陶瓷刀具由于具有刀片強度高、密度低和化學穩(wěn)定性好等特點，它的耐用度要比硬質(zhì)好。但是當切削速度超過 1000m/min時，不使用這些刀具。超過1000m/min的切削速度時，氮化硅刀具材料也會過早地失效， CBNO具在這個速度范圍內(nèi)的使用效果也不是很好。切削進給速度對刀具耐用度的影響卻相反。對于硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具，刀具耐用度隨著進給速度的增加而提高。氮化硅刀具和 CBN刀具只適合于在比較低的進給速度下進行切削。徑向切深是影響刀具耐用度的關(guān)鍵因素之一，隨著切削區(qū)面積的增大，刀具壽命降低。而軸向切深的影響不大，當切深在 1.5?15mn范圍內(nèi)變動時，刀具的磨損量幾乎是一樣的。被加工零件材料也影響刀具的耐用度。 GG2鑄鐵材料和GG7鑄鐵材料的抗拉強度相差170%被切材料的鐵含量，對于CBNO具的耐用度影響很大，當切削GG4鑄鐵時，CBNO具的耐用度達到了最低值。在切削速度低于1000m/min時，硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具的切削效果最好。 使用涂層時，刀具壽命可提高10?20倍。超過這個速度，非涂層硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具會過早磨損。使用CBN：具時，切削速度可達到4000m/min。實際上，只有CBF和氮化硅刀具才能在這么高的速度下進行切削，特別時CBNO具，可得到很長的刀具壽命，但必須使用較小的進給量。提高切削速度和減小每齒進給量，可提高零件加工的表面質(zhì)量。