[科普中国]-高速切削

高速切削是指数控机床中使用的一种金属加工方式。

定义高速切削是指数控机床中使用的一种金属加工方式。其刀具速度及进给率比传统的切削快很多，但是让切削厚度变小，因此切屑会比传统切削要薄。依照萨洛蒙曲线，若切削速度高到一定程度（例如传统切削速度的十倍），其切削温度反而会比传统切削要低。1

历史1931年时Carl J. Salomon曾经针对高速下的切削发表过专利，2其中提到切削的温度会随着切削速度抛物线上升，当温度到达最高点后，切削速度再上升时，切削温度下反而会下降。因此假若技术可行的话，可以用一般的高速钢在切削速度42000 m/min下铣削钢制材料，不会破坏切削边。不过Salomon没有示范过这个实验。在1950年代时，苏联及美国的洛克希德公司曾经验证过，例如曾在洛克希德公司用高速钢的刀具在40,000至50,000 m/min的速度，成功的对钢材加工。

有关速度到60,000 m/min的超高速切削，其重要结论有四点：高速钢的刀具可以承受高负载，不会损坏，其刀具磨损很少，加工后的表面精度很高，而且材料去除率是原方法的240倍。

测试使用的速度仍然远超过现今工业环境所可以进行高速加工的速度，不过其结果就成为高速机械加工的基础。例如铝的加工可以到5000 m/min，而钢可以到2000 m/min。

高速切削最早是用在航太产业。制造轻量化的航太零组件，例如飞机的翼肋需要许多的加工才能制成。有些零件的切削成本超过材料成本的90%。这类零件若要在成本下有显著的降低，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）只适用于小零件，无法对大型零件加工。

应用领域高速切削可以用在需要高切削性能以及高表面精度的应用中，像是工具加工及模具加工。像是塑胶瓶吹气成型用的模具，就是典型有三维复杂外形的模具。因为需要有一定的装填容量，以及吹气系统的需求，这类模具需要有最高的尺寸精度及表面精度。

优点和缺点优点高速切削可以节省30%的时间，进给速率为传统切削的5倍到10倍，而且切削需要的施力较小。因此可以针对薄壁工件进行加工。而且其表面精度提高，因此省去了后续精磨的工序。因为切削速度比热传导速度要快，大部分的热都留在切屑上，无法传到工件，也可以避免工件因受热产生的翘曲。

硬质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额外硬化的工序，也省去硬化工序中的风险。

高速切削还可以省下传统切削中粗加工（roughing，因为高速切削的高材料移除率）及精加工（finishing，因为高表面精度）。

缺点高速切削的超高转速使得工作场所需要提高其安全防护的设备，高转速下即使是最小的切屑也会有相当高的飞行速度，甚至可能比枪支子弹的抛体运动还快。而且刀具也比较容易磨损，会减少刀具寿命（不过材料加工需要的时间也变短了）。高速切削也对刀具平衡有高度的要求，因为不平衡可能会产生极大的力，一方面会让刀具损坏，另一方面也强烈的影响了主轴的位置。因为高速切削的极高转速及负载，元件的消耗率高，需定期进行昂贵的保养以及主轴、刀具的更换。

工具配合高速切削的铣床刀具一般是用精细颗粒及极精细颗粒的硬质合金制成，多半会配合硬的镀膜，也会有特殊的刀具造形设计。常会用多晶氮化硼（CBN）及多晶钻石（PKD）作为刀具材料。

在模具加工时，其轮廓会由圆形端铣刀的加工轨迹，每次往外拓展一小块区域而形成。

为了可以在高转速下进行准确的加工，刀具一般会直接由主轴上的马达驱动。

对机床的要求对ISO/BT 40号机床的典型要求如下：

主轴速度范围22 kW

可编程进给率 40-60 m/分

快速横向进给1g

块处理速度 1-20 毫秒

数据传递速度 250 Kbit/s (1 毫秒)

增量(线性) 5-20 微米

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学