二、高速切削加工理论基础

(a) 供货状态，切削速度127.2m/min 连续带状切屑(D.LEE)	(b) 硬度325HB，切削速度125.5m/min 锯齿状切屑
(c)硬度325HB，切削速度250m/min 锯齿状切屑	(d)硬度325HB，切削速度2600m/min 即将分离的锯齿状切屑
图2 高速切削不同状态AISI4340钢(40CrNiMoA)时的切屑形态(纵截面微观照片) (b)、(c)、(d)从komarduri

1. 切屑形成特征
   不同材料在不同状态下的切屑形态见图2及图3。
   
   

   图3 切削渗碳淬硬20CrMnTi钢(HRC60～62)在100～110m/min时的切屑形貌

   工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性的影响。 一般低硬度和高热物理性能KρC(导热性K、密度ρ和比热容C的乘积)的工件材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等，在很大切削速度范围内容易形成连续带状切屑。
   硬度较高和低热物理特性KρC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。
2. 切削力学
   
   

   图4 直角切削时剪切角和前刀面受力简图

   图5 高速切削4340钢(40CrNiMoA)时剪切角φ的计算值与测量值的比较(Recht)

   图中Fs为剪切力，Fm为高速切削时切屑动量改变所需的作用力；Ff为作用在后刀面上的摩擦力。
   剪切角φ和摩擦系数μ(=tgβ)的关系可用Merchant公式估算

   φ=	p	-	b	+	g0
   	4		2		2

   实验证明在高速切削时计算的φ角与测量的结果有良好的一致性。
   在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。
   

   图6 Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力

   图7 切削时热的产生与传出

3. 切削热和切削温度
   切削时的热量主要来自剪切变形功、刀-屑和刀-工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1%。
   

   		图9 Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10A(HRC58～65)时的切削温度
   图8 立铣铝合金时，流入各部分的切削热量

   图10 涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响

   切削速度对切削温度的影响试验结果。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。
4. 表面粗糙度
   随V增加，加工表面粗糙度有所减少。实验用的ACE－V500加工中心最高转数为10000r/min，其一段和二阶固有频率分别为50Hz(3000r/min)和113Hz(6780r/min)。

三、高速切削刀具材料

1. 高速切削刀具材料
   • 金刚石
   • 天然金刚石
   • 聚晶金刚石(PCD)
   • 人工合成单晶金刚石
   • 金刚石涂层
   • 立方氮化硼(PCBN)
   • 陶瓷刀具：有氧化铝(Al₂O₃)基和氮化硅(Si₃N₄)基两大类
   • TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)
   • 涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。
     • 硬涂层：CVD的TiCN+Al₂O₃+TiN；TiCN+Al₂O₃； TiCN+Al₂O₃+HfN，TiN+Al₂O₃和TiCN、TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等
     • 软涂层：硫族化合物(MoS2，WS2)涂层的高速钢刀具
   • 超细晶粒硬质合金：细晶粒(0.2-0.5µm)的WC基硬质合金，添加TaC、NbC等
   • 粉末冶金高速钢(PM HSS)和高性能高速钢HSS-E
   
   

   图11 刀具材料应用示意

2. 高速切削刀具材料的合理应用
   高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。
   刀具材料性能

   • 硬度大小：金刚石PCD>立方氮化硼 PCBN>Al₂O₃基>Si₃N₄基>TiC(N)基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。
   • 抗弯强度大小：HSS>WC基>TiC(N)基>Si₃N₄基>Al₂O₃基>PCD>PCBN。
   • 断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si₃N₄基>Al₂O₃基。
   • 耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。
   高速切削刀具材料合理应用

   • 加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。
     加工钢和铸铁及其合金：Al₂O₃基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si₃N₄和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。
   • 加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si₃N₄基陶瓷刀具(如SiC晶须增韧)和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。
   • 加工钛合金：一般可用 WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。

四、高速切削加工的刀柄系统

• JT或
  BT系统：刀柄锥度7:24，单面接触。
• HSK系统：刀柄锥度1:10，双面接触。

五、高速切削加工的安全技术

1. 高速旋转刀具的平衡
   高速切削旋转刀具系统必须平衡，但应根据其使用速度范围予以平衡，以达到最佳经济条件。一般在6000rpm以上必须平衡，以保证安全。要求G≤2.5, G为平衡品质(mm/s)，即反映刀具平衡量与转速关系的参数。

   G=w×e=	pN	U	=	p·U·N
   	30	M		30·M

   e－偏心(g×mm/Kg)
   M－刀体质量(Kg)
   w－角速度(r/s)
   m－不平衡量(g)
   N－转速(r/min
   r－不平衡半径(mm)
   U－残余不平衡量(g×mm) 残余不平衡量 U=m×r

   动平衡线图 36000r/min时弯曲与折断的直径12 mm的带柄立铣刀	SHENCK动平衡仪
   	在5000 r/min时刀片甩出的面铣刀
   	在36700r/min时爆碎的面铣刀

   高速切削刀具的安全性：防止离心力造成刀体与夹紧零件破坏和刀片的夹紧不可靠。
   高速切削刀具破坏实例见上图。
2. 可转位刀具安全性

   (a)立装可转位铣刀	(b)平装可转位铣刀	螺钉分析：刀片外移和螺钉弯曲
   可转位面铣刀
   旋转速度对刀具变形的影响	金属去除率对螺钉最大等效应力的影响	不同装夹方式下的螺钉极限转速

   分析结果表明：从安全性看，对可转位面铣刀刀具，旋转离心力造成刀片夹紧，螺钉的破坏和刀体的变形有最主要的影响，立装铣刀优于平装铣刀。
3. 整体硬质合金立铣刀的安全性

   φ10mm三齿立铣刀仅受离心力作用的应力图(n=10,000r/min)

   φ10mm三齿立铣刀刀具受离心力、切削力作用的应力图

   金属去除率对φ10mm刀具应力的影响

   对于小直径整体式硬质合金铣刀而言，旋转离心力对刀具的变形、应力分布影响很小，完全可以忽略不计。其应力水平的高低是由切削力决定的。

六、高速切削加工技术的应用实例

七、高速切削加工技术展望

• 切削速度目标：
  铣加工铝及其合金10000m/min；铣加工铸铁5000m/min；铣加工普通钢2500m/min。
  钻削铝及其合金30000r/min，钻削铸铁20000r/min，钻削普通钢10000r/min。
• 进给速度目标20～50m/min，进给量1.0～1.5mm/齿。

八、结束语