摘要：高速切削工藝以高效、精密和柔性為基本特征，被視為現(xiàn)代制造技術(shù)領(lǐng)域的一個里程碑。從國外研究現(xiàn)狀、國內(nèi)已有的實際研究成就，以及目前國內(nèi)存在的問題和提高切削速度帶來的經(jīng)濟效益等方面，探討高速切削工藝在我國的戰(zhàn)略地位、高速切削工藝研究內(nèi)容及有關(guān)研究基地建設(shè)問題，以便有利于高速切削工藝健康迅速發(fā)展，為振興我國的機械工業(yè)獻計獻策。

高速切削技術(shù)因大幅度節(jié)省切削工時并實現(xiàn)高效精密生產(chǎn)，被視為現(xiàn)代制造技術(shù)的里程碑。 

1高速切削技術(shù)國外研究現(xiàn)狀 

高速切削技術(shù)是在機床結(jié)構(gòu)及材料、高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計制造技術(shù)、高精度測量測試技術(shù)、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關(guān)的硬件與軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展的基礎(chǔ)上綜合而成的。德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)PTW所以舒爾茨教授為核心的科研小組和日本京都大學(xué)工學(xué)研究科以垣野教授為核心的課題組均已研制出商品化的高速切削機床，在德國和日本的企業(yè)界，都分別享有較高的聲譽。 

舒爾茨教授在德國政府強有力的資助下，聯(lián)合18家企業(yè)，共同攻關(guān)，從1984年到1989年，完成高速切削機床各相關(guān)硬件與軟件的開發(fā)，研究水平超過了當(dāng)時居領(lǐng)先地位的美國。1993年，直線電機的出現(xiàn)拉開了高速進給的序幕，從而也使高速切削技術(shù)走向成熟應(yīng)用階段。目前，PTW所研制的高速機床已在德國許多企業(yè)里應(yīng)用。高速立式銑削加工中心是該所特色產(chǎn)品，實用化的主軸轉(zhuǎn)速為60,000r/min，最快進給速度X、Y、Z軸均為60m/min，加速度為2.5g，重復(fù)定位精度±1μm。PTW所在研制高速切削機床的同時，還在高速切削工藝方面進行深入研究，在有色輕金屬、復(fù)合材料、鑄鐵及模具鋼等高速切削機理研究方面形成系統(tǒng)理論，以加工效率、加工精度和加工零件表面完整性為目標(biāo)，對高速切削工藝進行優(yōu)化，對指導(dǎo)高速切削生產(chǎn)起到很大作用。研究內(nèi)容有各種材料高速切削過程中切屑形成機理，刀具材料及切削參數(shù)優(yōu)化，面向高速切削過程的CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)，刀夾系統(tǒng)安全性設(shè)計，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計及動平衡，刀具空間位姿及走刀路徑控制，少量氣束噴霧冷卻技術(shù)等。該所高速切削研究成果已應(yīng)用于汽車發(fā)動機、飛機框架構(gòu)件及渦輪葉片的制造。 

垣野教授聯(lián)合9家企業(yè)，于1996年研制出日本第一臺商品化臥式高速切削加工中心，該加工中心主軸轉(zhuǎn)速30000r/min，最大進給速度80m/min，加速度為2g，重復(fù)定位精度±1μm。同時也致力于高速切削工藝研究，主要內(nèi)容包括高速切削工藝數(shù)據(jù)庫，高速切削刀具磨損破損機理，切屑控制，高速切削過程CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)及質(zhì)量控制等，從而加速高速切削技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程。目前，垣野研究室研究成果在日本企業(yè)界甚至在國際上均產(chǎn)生重大影響。 

2國內(nèi)高速切削研究成果及存在問題 

我國在90年初開始有關(guān)高速切削機床及工藝的研究。研究內(nèi)容包括水泥床身、超高速主軸系統(tǒng)、全陶瓷軸承及磁懸浮軸承、快速進給系統(tǒng)、有色金屬及鑄鐵超高速切削機理與適應(yīng)刀具等方面。通過我國科技工作者的艱苦工作，各項關(guān)鍵技術(shù)都取得了顯著進展。

　　部分單項技術(shù)指標(biāo)可達國際先進水平。然而高速切削機床是諸多高新技術(shù)的高度集成，并且在一定的市場需求驅(qū)動下才能真正發(fā)展起來。目前，真正應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的完全由我國自行開發(fā)的國產(chǎn)高速切削機床還沒有。從在北京舉辦的1998年第4屆中國機床工具商品展覽交易會的機床展品中，可以看出國產(chǎn)機床概況：車床的最高轉(zhuǎn)速小于3000r/min，加工中心40號主軸的轉(zhuǎn)速小于6000r/min，50號主軸的轉(zhuǎn)速小于4000r/min，進給速度小于20m/min，無內(nèi)藏式電機主軸及直線電機的機床樣品展出，展出的加工中心均無實物加工展示。 

　　高速切削是建立在制造技術(shù)全面發(fā)展的基礎(chǔ)上的，一方面是數(shù)控機床的主機結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)具備了更高的剛性、更快的運動速度和精度，另一方面是各種刀具材料性能顯著改善，以及新型刀具材料和涂層工藝的開發(fā)和推廣應(yīng)用，性能更耐磨、更可靠，價格相對低廉的刀具材料成為發(fā)展高速切削的可靠保證。 

國內(nèi)在高速切削工藝研究方面取得了許多成果，盡管不能形成系統(tǒng)理論，但畢竟為推動高速切削技術(shù)的應(yīng)用做出了貢獻。目前我國在陶瓷刀具材料、細顆粒和超細粒牌號的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金及陶瓷、金剛石薄膜涂層刀具和CVD沉積厚膜刀具、立方氮化硼刀具等方面，開發(fā)及應(yīng)用均形成一定規(guī)模，為實現(xiàn)高速切削提供適用的刀具。本課題組為某汽車公司發(fā)動機高速切削生產(chǎn)線刀具國產(chǎn)化做了有益的工作，直接經(jīng)濟效益非常可觀；為某飛機公司平尾上壁板鋁合金構(gòu)件的高速銑削工序設(shè)計研制專用的立銑刀，取得了穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量和顯著的經(jīng)濟效益。在鋁合金結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工中，常規(guī)的銑削用量是轉(zhuǎn)速4500～6000r/min，進給速度1000mm/min，徑向切深5～30mm，軸向切深5mm，刀具為普通立銑刀YG6；使用本課題組提供的專用立銑刀YG6時，銑削用量為轉(zhuǎn)速12000～15000r/min，進給速度2400mm/min，徑向切深5～30mm，軸向切深10mm。加工質(zhì)量完全符合圖紙要求，刀具具有良好切削性能，生產(chǎn)率提高1.6倍，實際工時節(jié)約62.5%，刀具壽命按加工量計算提高約30%，該工序每年節(jié)約150萬元。 

由于高速切削具備一系列顯著優(yōu)點，因而首先受到航空航天、汽車、模具等行業(yè)的青睞，這些部門進口的高速切削機床已頗具規(guī)模。然而，由于國內(nèi)缺乏高速切削基礎(chǔ)理論體系和工藝技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)研究，因而高速切削生產(chǎn)中缺乏可靠的技術(shù)指導(dǎo)，生產(chǎn)中工藝不盡合理，沒有充分發(fā)揮高速切削所固有的高效精密的優(yōu)勢。其原因歸納如下： 


高速切削技術(shù)在切削原理上是對常規(guī)切削的重大突破，在切削加工工藝安排、切削用量選擇及刀具應(yīng)用等方面有較大的特殊性，普通切削工藝及傳統(tǒng)刀具不能滿足高速切削技術(shù)要求，而這一點往往沒有被實際操作人員認識。 

生產(chǎn)實際中缺乏較全面的實用化的高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。 

高速切削刀具未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。 

3高速切削工藝的戰(zhàn)略地位 

在各個國家的生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)的作用往往占60％左右，各種高科技只有通過制造技術(shù)才能形成產(chǎn)品。由于歷史的原因，我國的制造技術(shù)發(fā)展曾受到一些冷遇，尤其是工藝知識沒有被重視，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，我國的許多產(chǎn)品在國際市場上缺乏競爭能力。近年來，


　　國際國內(nèi)形勢的發(fā)展給我國機械制造業(yè)帶來了機遇，尤其是給高速切削工藝的應(yīng)用提供了有利條件。主要體現(xiàn)在以下幾方面： 

　　各種高尖新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品能否占領(lǐng)市場主要取決于產(chǎn)品的性能價格比。高效率生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是贏得競爭的惟一途徑。高速切削工藝的優(yōu)勢，也體現(xiàn)在高效率、高精度等方面。 

隨著我國經(jīng)濟實力的不斷提高，激烈的市場競爭，迫使目前我國擁有的高速切削機床的規(guī)模還要擴大，這必將要求有較為成熟的高速切削工藝與之相匹配，使之充分發(fā)揮作用。 

航空部門大型整體薄壁飛機結(jié)構(gòu)件加工將普遍采用高速銑削工藝，減輕整機重量，提高飛機整機性能。 

模具制造業(yè)中普遍采用高速加工中心，形成高切削速度、高進給速度、小切深、小走刀步距、能連續(xù)長路程切削的模具加工新工藝，對淬硬鋼的高速銑削成為縮短模具開發(fā)周期、降低制造成本的主要途徑。 

汽車制造業(yè)將更加積極地采用高速切削加工中心，完成高效高精度生產(chǎn)。 

干式(準(zhǔn)干式)切削的綠色制造技術(shù)將給高速切削工藝的應(yīng)用提供極好的機會。 

高速切削工藝范圍，能滿足從粗加工到精加工的全部加工要求，并且能顯著減少拋光工時，提高高速切削工藝同其它加工工藝競爭的能力。 

4高速切削工藝研究內(nèi)容 

合理的高速切削工藝將使得昂貴的高速切削機床充分發(fā)揮作用。而切削工藝和刀具的優(yōu)化，必然依賴于對各種工件材料高速切削機理的基礎(chǔ)研究和各種刀具材料的磨損破損機理的研究�；�于可持續(xù)發(fā)展思想的綠色制造技術(shù)的重要內(nèi)容就是干式(準(zhǔn)干式)切削加工技術(shù)，高速切削工藝為該技術(shù)的實現(xiàn)提供了條件。基于誤差分離補償技術(shù)的精密加工理論，將使得高速切削工藝在加工效率、加工精度以及表面完整性方面進一步提高，工藝應(yīng)用范圍實現(xiàn)從粗加工至超精加工。另外在飛機、汽車及模具生產(chǎn)中，高速切削工藝的連續(xù)長路程切削加工特點，決定了切削刀具及機床設(shè)備應(yīng)具有更高的可靠性，切削加工過程監(jiān)控技術(shù)急需進一步完善�；�于上述認識，高速切削工藝研究內(nèi)容有如下幾方面： 


高速切削機理研究，尤其是模具鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料高速切削機理研究。 

高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。 

高速切削刀具系列化、標(biāo)準(zhǔn)化研究。 

干式(準(zhǔn)干式)切削技術(shù)研究。 

加工誤差綜合動態(tài)補償技術(shù)研究。 

高速切削刀具狀態(tài)監(jiān)控及工況監(jiān)測技術(shù)。 

5高速切削技術(shù)研究基地建設(shè) 

高速切削技術(shù)作為先進制造技術(shù)之一，是機械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在我國發(fā)展高速切削技術(shù)必須緊密結(jié)合我國國情，有針對性、有步驟地分階段進行，從全局出發(fā)，協(xié)同發(fā)展。選擇一些研究技術(shù)力量雄厚、科研梯隊合理的科研院所和大學(xué)為研究基地，這些科研機構(gòu)必須具備如下條件： 

已具備基本的試驗研究設(shè)備和方法。

　　已取得關(guān)于高速切削技術(shù)的研究成果，并有一定的技術(shù)積累。 

與生產(chǎn)單位有密切的聯(lián)系，確保研究成果既有先進性又有實用性。 

我國目前的國情是，在航空、汽車和模具等生產(chǎn)部門，已進口相當(dāng)規(guī)模的高速切削機床，而且進口高速切削機床數(shù)量還將進一步上升。要使這些昂貴的設(shè)備充分發(fā)揮作用，針對各種材料的高速切削機理，開發(fā)出合理的高速切削工藝規(guī)范是當(dāng)務(wù)之急。但從長遠規(guī)劃來看，依靠我國科技力量，研制我國國產(chǎn)的高速切削機床是必然趨勢和根本要求。機床研制要求諸多專業(yè)生產(chǎn)廠家協(xié)同合作，齊頭并進。德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)PTW所和日本京都大學(xué)垣野研究室所取得的成功經(jīng)驗對我們也是一個很好的啟迪。當(dāng)然在市場上，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，國產(chǎn)高速切削機床無法與進口高速切削機床抗?fàn)帲�但隨著技術(shù)的積累以及良好的分工合作，我國國產(chǎn)的高速切削機床在市場上的占有份額必將增大，從而從根本上增強我國的機械制造實力，為國民經(jīng)濟的迅速穩(wěn)定發(fā)展奠定雄厚的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。不論是工藝研究還是機床研制，應(yīng)用廠家、高校與研究單位的“產(chǎn)、學(xué)、研”協(xié)作應(yīng)為最佳的形式。 

為了使國家投入的有限科研經(jīng)費充分發(fā)揮作用，使科研成果直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，走“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的道路非常重要。在進行科學(xué)研究過程中沒有實際生產(chǎn)應(yīng)用部門的配合和支持是不行的。生產(chǎn)部門的生產(chǎn)經(jīng)驗和需求對于科研成果的先進性和實用性至關(guān)重要。高速切削生產(chǎn)實際急需較為成熟的高速切削工藝規(guī)范。因此，進行高速切削工藝研究的基本政策是，在全國范圍內(nèi)全面規(guī)劃，結(jié)合行業(yè)特點和地區(qū)特點，選擇已具備基本研究試驗條件的，且已有一定技術(shù)積累的科研單位為基地，進行高水平的科研活動。各個研究基地應(yīng)分工協(xié)作，優(yōu)勢互補。只有這樣才能在較短的時間內(nèi)改變我國高速切削工藝落后的面貌，充分發(fā)揮我國已頗具規(guī)模的進口高速切削機床的作用。這必將帶動高速切削相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，有利于我國國產(chǎn)高速切削機床研制成功，從根本上振興我國的機械制造業(yè)。