[科普中國(guó)]-高速切削

高速切削是指數(shù)控機(jī)床中使用的一種金屬加工方式。

定義高速切削是指數(shù)控機(jī)床中使用的一種金屬加工方式。其刀具速度及進(jìn)給率比傳統(tǒng)的切削快很多，但是讓切削厚度變小，因此切屑會(huì)比傳統(tǒng)切削要薄。依照薩洛蒙曲線，若切削速度高到一定程度（例如傳統(tǒng)切削速度的十倍），其切削溫度反而會(huì)比傳統(tǒng)切削要低。1

歷史1931年時(shí)Carl J. Salomon曾經(jīng)針對(duì)高速下的切削發(fā)表過專利，2其中提到切削的溫度會(huì)隨著切削速度拋物線上升，當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)后，切削速度再上升時(shí)，切削溫度下反而會(huì)下降。因此假若技術(shù)可行的話，可以用一般的高速鋼在切削速度42000 m/min下銑削鋼制材料，不會(huì)破壞切削邊。不過Salomon沒有示范過這個(gè)實(shí)驗(yàn)。在1950年代時(shí)，蘇聯(lián)及美國(guó)的洛克希德公司曾經(jīng)驗(yàn)證過，例如曾在洛克希德公司用高速鋼的刀具在40,000至50,000 m/min的速度，成功的對(duì)鋼材加工。

有關(guān)速度到60,000 m/min的超高速切削，其重要結(jié)論有四點(diǎn)：高速鋼的刀具可以承受高負(fù)載，不會(huì)損壞，其刀具磨損很少，加工后的表面精度很高，而且材料去除率是原方法的240倍。

測(cè)試使用的速度仍然遠(yuǎn)超過現(xiàn)今工業(yè)環(huán)境所可以進(jìn)行高速加工的速度，不過其結(jié)果就成為高速機(jī)械加工的基礎(chǔ)。例如鋁的加工可以到5000 m/min，而鋼可以到2000 m/min。

高速切削最早是用在航太產(chǎn)業(yè)。制造輕量化的航太零組件，例如飛機(jī)的翼肋需要許多的加工才能制成。有些零件的切削成本超過材料成本的90%。這類零件若要在成本下有顯著的降低，只有在制造方式上改善。而其他的加工方式（例如成形加工或是一次成形）只適用于小零件，無法對(duì)大型零件加工。

應(yīng)用領(lǐng)域高速切削可以用在需要高切削性能以及高表面精度的應(yīng)用中，像是工具加工及模具加工。像是塑膠瓶吹氣成型用的模具，就是典型有三維復(fù)雜外形的模具。因?yàn)樾枰幸欢ǖ难b填容量，以及吹氣系統(tǒng)的需求，這類模具需要有最高的尺寸精度及表面精度。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)高速切削可以節(jié)省30%的時(shí)間，進(jìn)給速率為傳統(tǒng)切削的5倍到10倍，而且切削需要的施力較小。因此可以針對(duì)薄壁工件進(jìn)行加工。而且其表面精度提高，因此省去了后續(xù)精磨的工序。因?yàn)榍邢魉俣缺葻醾鲗?dǎo)速度要快，大部分的熱都留在切屑上，無法傳到工件，也可以避免工件因受熱產(chǎn)生的翹曲。

硬質(zhì)材料也可以用高速切削，甚至是硬度到69HRC的材料也可以，因此在切削之后不需額外硬化的工序，也省去硬化工序中的風(fēng)險(xiǎn)。

高速切削還可以省下傳統(tǒng)切削中粗加工（roughing，因?yàn)楦咚偾邢鞯母卟牧弦瞥剩┘熬庸ぃ╢inishing，因?yàn)楦弑砻婢龋?/p>

缺點(diǎn)高速切削的超高轉(zhuǎn)速使得工作場(chǎng)所需要提高其安全防護(hù)的設(shè)備，高轉(zhuǎn)速下即使是最小的切屑也會(huì)有相當(dāng)高的飛行速度，甚至可能比槍支子彈的拋體運(yùn)動(dòng)還快。而且刀具也比較容易磨損，會(huì)減少刀具壽命（不過材料加工需要的時(shí)間也變短了）。高速切削也對(duì)刀具平衡有高度的要求，因?yàn)椴黄胶饪赡軙?huì)產(chǎn)生極大的力，一方面會(huì)讓刀具損壞，另一方面也強(qiáng)烈的影響了主軸的位置。因?yàn)楦咚偾邢鞯臉O高轉(zhuǎn)速及負(fù)載，元件的消耗率高，需定期進(jìn)行昂貴的保養(yǎng)以及主軸、刀具的更換。

工具配合高速切削的銑床刀具一般是用精細(xì)顆粒及極精細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金制成，多半會(huì)配合硬的鍍膜，也會(huì)有特殊的刀具造形設(shè)計(jì)。常會(huì)用多晶氮化硼（CBN）及多晶鉆石（PKD）作為刀具材料。

在模具加工時(shí)，其輪廓會(huì)由圓形端銑刀的加工軌跡，每次往外拓展一小塊區(qū)域而形成。

為了可以在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行準(zhǔn)確的加工，刀具一般會(huì)直接由主軸上的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。

對(duì)機(jī)床的要求對(duì)ISO/BT 40號(hào)機(jī)床的典型要求如下：

主軸速度范圍22 kW

可編程進(jìn)給率 40-60 m/分

快速橫向進(jìn)給1g

塊處理速度 1-20 毫秒

數(shù)據(jù)傳遞速度 250 Kbit/s (1 毫秒)

增量(線性) 5-20 微米

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)