高速硬切削加工
[摘 要]高速硬切削加工是指对高硬度(>54HRC)材料直接进行的高速切削加工，由于高速硬切削加工成本低，生产效率高，易于保证加工精度和表面质量，因此在机加工行业中得到愈来愈广泛的应用。
[关键词]高速硬切削 以切代磨 刀具材料 切削用量
高速硬切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它是一种不同于传统加工的加工方式。高速切削加工主轴转速高、切削进给速度高、切削量小，但单位时间内的材料切除量却增加3～6倍。它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。
高速硬切削加工是指对高硬度(>54HRC)材料直接进行的高速切削加工。硬切削工件材料包括淬硬钢、冷硬铸铁、粉末冶金材料及其它特殊材料。
高速硬切削通常可直接作为最终精加工工序，而传统加工常以磨削作为最终工序。与磨削相比，硬切削具有如下优点：①加工灵活性强，精度易于保证；②硬切削的加工成本低于磨削(通常仅为磨削的1/4)；③硬切削不需要专用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；④硬切削的生产效率高于磨削；⑤磨削产生的磨屑与废液混合物易污染环境，难以处理和再利用；而硬切削易于实现干切削，产生的切屑可再利用。由于高速硬切削具有以上优势，因此“以切代磨”已成为切削加工的发展趋势之一。
高速硬切削时。90％以上的切削热被切屑带走，而且切削速度越高或工件硬度越高，切屑带走的热量越多。
高速硬切削对加工机床的主要要求为刚性好、基础稳定、工作轴运动精度高等。由于硬切削的切削力较大，切削温度较高，为保证加工精度、表面质量及刀具寿命，高速硬切削时必须精心选择刀具材料、刀具几何参数和切削用量。因此，刀具材料应满足的性能要求：
(1)较高的硬度和耐磨性。如金刚石显微硬度可达HV10000，立方氨化硼CBN由于晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，其显微硬度可达HV(8000-9000)，陶瓷刀具的硬度可达HRA(92～96)。
(2)很高的热稳定性。金刚石的耐热性为(700～800)℃，聚晶立方氮化硼PCBN的耐热性可达(1300～1500)℃，陶瓷刀具的耐热性一般为(1100～1200)℃。
(3)优良的化学稳定性。PCBN的化学惰性特别大，在(1200～1300)℃时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000℃时才发生反应，在中性、还原性的气体中，对酸碱都是稳定的；金刚石与钛合金的粘结作用比较小，而陶瓷刀具的化学稳定性则取决于其成分。
(4)良好的导热性。各类刀具材料中金刚石的导热性最好，PCBN仅次于金刚石，而且随温度升高，导热系数是增加的，而陶瓷刀具的导热性是较差的。
(5)摩擦系数小。金刚石、PCBN及陶瓷刀具与各种工件材料间的摩擦系数也远远低于硬质合金，而且随着切削速度的提高，摩擦系数是降低的。
由于金刚石价格很高，且只适于加工非铁族金属材料和非金属材料，因此调整硬切削铁族金属材料和非金属材料中应用最多的是PCBN刀具和陶瓷刀具。
刀具材料选定后，应尽量选用强度较高的刀片形状和较大的刀尖圆弧半径，PCBN刀具和陶瓷刀具一般应采用负前角(≤-5°)。一般来说，被加工材料硬度越高，高速硬切削的切削速度应越小：使用PCBN刀具的切削速度应高于其它刀具材料，PCBN刀具切削淬硬钢(≥50HRC)的切削用量。
高速硬切削加工不仅可以用来加工高硬度材料，也可以加工经热处理硬化后的工件。在传统加工模具的工艺中，精加工前对热处理硬化后的工件需进行电火花加工，用高速硬切削加工替代传统切削的加工方法可以省去模具制造工艺中的电火花加工。简化了加工工艺和投资成本。
在模具的设计和加工制造过程中，模具的尺寸、形状和表面粗糙度很重要，如果加工后的模具不能达到要求的质量精度。就需要大量的手工磨修工作，手工磨修能够得到较好的表面质量，但是它会影响模具的尺寸和形状精度。因此在模具加工还要尽量省去手工磨修，以提高模具质量，降低生产成本和制造周期。
下图为传统模具加工过程：毛坯→粗加工→半精加工→热处理硬化→电火花加工→精加工→手工磨修
传统模具加工的过程
下图为高速模具加工过程：硬化的毛坯→粗加工→半精加工→精加工
传统加工工艺中的电火花加工容易在熔化的加工表层形成硬化层，硬度可达1000Hv，给后面的切削加工和磨削加工带来困难。电火花加工还容易引起表层疲劳裂纹和刀具的破损。而在高速模具切削加工过程中不仅减少了两个工艺过程，约缩短加工时间30％-50％，提高了生产效率，而且还保证了加工精度和表面质量。
目前，高速硬切削主要用于车削、铣削等加工工艺。并已在许多工业制造部门得到应用，如模具、轴承、齿轮、汽车传动轴、发动机、制动盘、制动转子的半精加工和精加工，飞机副翼齿轮、起落架的切削加工，工程机械、机床工具、医用设备等行业也开始大量应用硬切削加工技术。