Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．５，２００８
高速切削技术浅析
陈娜
（湖南省张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界４２７０００）
摘要：介绍了高速切削技术的特点、应用领域及刀具材料，阐述了应对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和切削条件，使其 获得最佳的高速切削效果。 关键词：高速切削；刀具材料；切削效果
中图分类号：ＴＧ５０６．１ 文献标识码：Ｂ
２Ｏ世纪３Ｏ年代，萨尔蒙经过研究预测出，当高速加工金
属时，切削速度与切削温度有如下关系：当切削速度大于一定
值后，切削速度增加越快，其切削温度愈降低，可以实现改善材
料的切削性、降低切削阻力和提高加工精度的目的，而且刀具
不容易产生磨耗。萨尔蒙这一预测成为高速切削技术思想。目 前，高速切削技术还没有统一的定义，一般指采用超硬材料的
刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除
率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以主轴转速界
定：高速加工的主轴转速≥１００００ｒ／ｒａｉｎ。
高速切削技术涉及到多种切削方法：车、铣、磨等。一般切
削速度范围因不同的加工方法和不同的工件材料而异，通常高
速车削切削速度的范围为７００～７０００ｍ／ｒａｌｎ，高速铣削的范围
～为３００～６０００ｍ／ｍｉｎ，高速磨肖０ ５０～３００ｍ／ｓ。
１高速切削技术的特点
传统加工方式强调大切削量、低进给速度和低主轴转速。
从而要求机床具有很大功率的主轴和很强的机床刚性结构。由 于刀具和工件在加工过程中都承受着很大的切削力，使表面产
生很高的热量，造成工件热变形，影响加工精度和表面质量，并
且使刀具发热、磨损加快、寿命大幅降低。 高速加工则采用了高转速、快移动、小切削量和小的进给深
度。这就极大减小了切削抗力，主轴、刀具和工件受力变小，热
量几乎都被铁屑带走，速度越高，刀具和工件承受的热量会越
小。因此，工件可以得到非常好的表面质量（ ｍ级精度），并且
刀具的使用寿命将大幅度提高。高速铣削工艺相对常规加工具
有以下非常明显的特点： （１）加工效率高。进给率较常规提高５～１Ｏ倍，材料去除
率提高３～６倍。 （２）切削力小。较常规切削降低至少３０％，径向力降低更 明显。这有利于减小工件受力变形，适合加工薄壁件和细长件。
（３）切削热少。加工过程迅速，９５％以上的切削热被切屑
带走，工件集聚热量少，温升低，适于加工易氧化和易产生热变
形的零件。 文章编号：１ ６７２—５４．５Ｘ（２００８）０５－０１ ３６－０２
（４）加工精度高。刀具激振频率远离工艺系统固有频率，
不易产生振动；又因切削力小，热变形小，残余应力小，易于保
证加工精度和表面质量。
（５）工序集约化。可获得高的加工精度和低的表面粗糙 度，在一定的条件下，可对硬表面加工，从而使工序集约化。这
对模具加工有特别意义。
２高速切削技术的应用
高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给
传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。目前，高速切 削已不是实验室里的技术了，它更多的是应用于以下领域：
（１）在航空工业轻合金的加工。飞机制造业是最早采用高
速铣削的行业。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，即在整
体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大，
这正是高速切削的用武之地。 （２）模具制造业也是高速切削应用的重要领域。模具型腔
加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工 切削力小，加工表面粗糙度值又很小，使生产效率大大提高，周
期缩短。 （３）汽车工业是高速切削的叉—应用领域。汽车发动机的
箱体、气缸盖多用组合机床加工。
３高速切削刀具材料
高速切削时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具
材料和允许的切削条件，才能获得最佳的切削效果。据此，针对 目前生产中广泛应用的铝合金、铸铁、钢及合金和耐热合金等
的高速切削，已发展的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶
瓷刀具、涂层刀具等。 （１）金刚石刀具 金刚石是碳的同素异构体，具有极高的硬度，现有的金刚
石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石由于价
格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外（如手表精
收稿日期：２００８—０２－０１ 作者简介：陈娜（１９８Ｏ一），女，助教，工程硕士在读，从事数控专业的教学和数控工程研究。
１３６ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《装备制造技术））２００８年第５期
密零件、光饰件和首饰雕刻等加工），很少作为切削工具应用在
工业中。 ２０世纪５０年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以
后。７０年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石（ＰＣＤ）。
它有很高的硬度（８０００～１２０００ ＨＶ）和导热性，低的热胀系数，
高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加工各
种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合
金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料
等。当前，人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的
发展，其新应用领域是木材加工业。人工合成单晶金刚石刃口
质量，抗磨损性和抗腐蚀性很好，对表面有氧化铝涂层的高耐
磨层状木地板需求量越来越大。但是机械磨削性较差，加工时，
木板耐磨层会引起刃口钝化，导致氧化铝耐磨层碎裂，必须经
常磨刀或更换刀片。
金刚石刀具是目前高速切削２５００～５０００ ｍ／ｗｉｎ铝合金较
理想的刀具材料，ＰＣＤ刀具将继续发展提高性能，广泛使用于
加工铝合金和高硬度非金属材料，但人工合成单晶金刚石将发
展更快，视其成本，将逐步取代ＰＣＤ。高速超精密镜面切削领
域，天然金刚石刀具仍有重要作用，但部分将被人造单晶金刚
石代替。
（２）立方氮化硼
立方氮化硼（简称ＣＢＮ）是一种由六方氮化硼为原料在高
温高压下合成材料，它是２０世纪５０年代末用制造金刚石相似
的方法合成的第二种超硬材料，有很高的硬度（仅次于金刚石）
和耐热性１３００～１５００￣Ｃ，优良的化学稳定性（远优于金刚石）
和导热性，低的摩擦系数。所以它是高速切削高硬度淬火钢、冷
硬铸铁和高温合金等黑色金属较理想的刀具材料。但是强度和
韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的１／５～１／２。它不宜加工塑 性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常
采用负前角的高速切削。
国内高速切削用的立方氮化硼（ＰＣＢＮ）于１９７３年研制成
功，发展较快，已开发出可分别用于车、镗、铣削等加工领域的
多种不同ＣＢＮ含量的ＰＣＢＮ刀具。目前主要是国内的多家合
资公司研究和生产的超硬刀具主导着市场，但此类刀具应用还
不普遍。
（３）陶瓷刀具
陶瓷刀具材料的主要由硬度和熔点都很高的Ａ１２０３、 Ｓｉ３Ｎ４等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧
化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。
陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一，国际上现已发展
的陶瓷刀具主要是氧化铝基（Ａ１２０３）和氮化硅基（Ｓｉ３Ｎ４）］￣大系
列，添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同
品种的氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。
陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其硬度达９３～９５
ＨＲＡ，耐磨性好，适于加工５０～６５ ＨＲＣ的高硬度材料，如冷硬
铸铁和淬硬钢。陶瓷刀具高温性能好，在１２００￣Ｃ的高温下仍能
进行切削；有良好的抗粘结性能，与金属的亲和力小，不容易与
金属产生粘结；化学稳定性好，抗氧化能力特别好，即使刀刃处 于炽热状态，也能长时间连续使用，适于高速切削；陶瓷刀具的
摩擦系数也低于硬质合金。但是陶瓷刀具强度和韧性差，热导
率低，陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。
国内高速切削刀具最具有优势的是陶瓷刀具，国内的陶瓷
刀具产品的力学性能和切削性能与国外相当，有的还好一些。
国内陶瓷刀具可在３００～１０００ｍ／ｗｉｎ的高速下车削或铣削钢、
合金钢、铸铁和合金铸铁等。国内研制的氮化硅基陶瓷刀片性
能优异，在加工铸铁方面显出了优越性。
（４）涂层刀具 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具
基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。涂层
刀具发展很快，目前８０％以上都是涂层刀具，广泛应用的是在
硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物
等，常用的涂层材料有氧化铝（Ａ１．，Ｏ３）、碳氮化钛（ＴｉｃＮ）、氮化
铝钛（Ｔｉ Ｎ）、碳氮化铝钛（ＴｉＡｌｃＮ）等。涂层可以采用单涂层和
复合涂层，如ＴｉＣ—ＴｉＮ、ＴｉＣ—Ａｌ１０３、、ＴｉＣ—ＴｉＮ—Ａｌ’ｏ 等，涂
层厚度一般在５～８ ｍ，它具有比基体高得多的硬度，表层硬 度可达２５００～４２００ ＨＶ。涂层硬质合金刀具具有高的硬度和耐
磨性（２１００～４２００ＨＶ）、高的耐热性（１０００～１２００℃）、高的抗
粘结性能、高的化学稳定性和摩擦系数低，在高温下有良好的
热稳定性，适合于高速切削。 国内在２０世纪７０年代初开始研制涂层刀具，近年来开
发成功ＴｉＣ—ＴｉＮ、ＡｌｚＯ３－ＴｉＮ多涂层硬质合金刀片和物理气相
沉积（ＰＶＤ）ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡ１Ｎ、ＴｉＡ１ＣＮ复合多涂层高速钢复杂
刀具。但目前市场上涂层刀具的主要产品是化学气相沉积
（ＣＶＤ）Ａ１＇ｏ 和ＴｉＮ复合涂层硬质合金刀片以及ＰＶＤ ＴｉＮ涂
层高速钢刀具。
涂层刀具材料在高速切削领域有巨大潜力，主要可以重磨
而不影响其性能，对复杂刀具特别有意义。对于很难加工而应
用又多的工件材料（如钛合金），因其切削时，即使在中速下温
度也很高，降低切削温度以实现高效切削，是一个可行而具有
应用前景的方向。
４结束语
高速切削加工具有传统加工无可比拟的优势，已经广泛的
应用在机械加工工业当中，成为加工业的主要发展方向，它极
大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。随着先进制造技
术及材料技术的发展，新的多元、复合、纳米级的硬质涂层及
ＣＶＤ金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层
刀具等将得到广泛应用，高速切削刀具系统将日趋完善，成为
推动高速切削加工的重要组成部分。
参考文献： 【ｌ】艾兴．高速切削加工技术【Ｍ】．北京：国防工业出版社，２００３． 【２】张伯霖．高速切削技术及应用【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００２．
【３】王洁．数控加工工艺与装备［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００６．
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