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1、先进制造技术 第五章 高速切削,一. 高速切削的概念和基本原理 高速切削技术，是以比常规高数倍的切削速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。 1931年德国物理学家C. J. Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。 他指出，在常规切削速度
2、范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,1. 高速加工定义 尚无统一定义，一般认为高速加工是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。 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。 以
3、主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/min,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,高速切削是个相对的概念，是相对常规切削而言。高速切削包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等。超高速加工的切削速度范围因不同的刀具材料、工件材料和切削方式而异，目前，高速切削的高速范围国内外专家尚无共识。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。,一. 高速切削的概念和基本原
4、理,先进制造技术,高速加工各种材料的切削速度范围为： 钢和铸铁及其合金500-1500m/min 铸铁最高达2000m/min 钻削100200m/min，攻丝100m/min 淬硬钢(3565HRC) 100-400m/min 铝及其合金达到2000-4000m/min，最高达7500m/min 耐热合金达90-500m/min；钛合金达150-1000m/min,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,2. 高速加工的切削速度范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,车削： 700-7000 m/min 铣削： 300-6000 m
5、/min 钻削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,3. 高速切削的特点 随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，切削效率提高35倍。加工成本可降低20-40。 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上，减少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。 高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，切削热大部分被切屑带走，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，传给工件的热量大幅度减少，工件整体温升较低，工件的热变形相对较小。因此，有利于减少
6、加工零件的内应力和热变形，提高加工精度，适合于热敏感材料的加工。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高12等级。 高速切削可加工硬度HRC4565的淬硬钢铁件，如高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,4. 高速加工的应用 航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-
7、180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 汽车工业：采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产。 模具制造：高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 仪器仪表：精密光学零件加工。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,由于高速切削加工具有高生产效率，减少切削力，提高加工精度和表面质量，降低生产成本并且可加工高硬材料等许多优点，已在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。 使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势，取得了重大的
8、经济效益。对提高切削加工技术的水平，推动机械制造技术的进步也具有深远的意义。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,5. 高速切削可加工的工件材料 高速切削加工的工件材料包括钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的加工，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。 几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工，甚至传统切削很难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,6. 高速切削的加工工艺方法 目前高速切削工艺主要在车削和铣削，各类高速切削机床的发展将使高速切削工艺范围进一步扩大，
9、从粗加工到精加工，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、磨削等。 随着市场竞争的进一步加剧，世界各国的制造业都将更加积极地应用高速切削技术完成高效高精度生产。,一. 高速切削的概念和基本原理,先进制造技术,二. 高速切削加工研究体系,先进制造技术,高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。 与高速加工密切相关的技术主要有： 高速加工刀具与磨具制造技术； 高速主轴单元制造技术； 高速进给单元制造技术； 高速加工在线检测与控制技术； 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。 此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切
10、削的发展也具有重要意义。,二. 高速切削加工研究体系,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术 1. 高速主轴系统 高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转速高达100000-150000rpm的加工中心。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1) 要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停性能；(2) 足够的刚性和高的回转精度；(3) 良好的热稳定性；(4) 大功率
11、；(5) 先进的润滑和冷却系统；(6) 可靠的主轴监测系统。,三. 高速切削加工关键技术,先进制造技术,高速主轴为满足上述性能要求，结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构，减少传动部件，具有更高的可靠性。高速主轴要求在极短时间内实现升降速。为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。 轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。目前高速主轴主要采用：陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承等。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用
12、，高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。,三. 高速切削加工关键技术,先进制造技术,2. 快速进给系统 高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前切削进给速度一般为3060m/min，最高达120m/min，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。 高速加工机床必须实现快速的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求，主要采用了如下措施： (1) 采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右。而且，使用直线滚动导轨后，“
13、爬行”现象可大大降低；,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术,(2) 高速进给机构采用的是小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度. (3) 高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，使伺服系统与CNC系统在A/D一D/A转换中不会有丢失或延迟现象。高速切削机床正开始采用全数字交流伺服电机和控制技术，保证了快进给速度的加工要求。,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术,(4) 为了尽量减轻工作台重量但又不损失工作台的刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料。 (5) 为提高进给速度，更先进、更高速的直线电机已
14、经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减速特性，加速度可达2g ，进给速度为传统的45倍，采用直线电机驱动，具有单位面积推力大、可产生高速运动以及机械结构不需维护等明显优点。,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术,传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给速度和加速度一般比较小。目前，快速进给速度很难超过60m/min，工作进给速度通常低于40m/min，最高加速度很难突破1g。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。,先进制造技术,三. 高速
15、切削加工关键技术,直线电机直接驱动的优点是： 控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度； 高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100180m/min； 高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达210g 无限运动长度； 定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.10.01m； 起动推力大(可达12 000N)； 由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳；有较大的静、动态刚度。,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术,直线电机直接驱动的缺点是：由于电磁铁热效应对机床结构有较大的热影响，需附设冷却
16、系统；存在电磁场干扰，需设置挡切屑防护；有较大功率损失；缺少力转换环节，需增加工作台制动锁紧机构；由于磁性吸力作用，造成装配困难；系统价格较高。,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术,3. 高速CNC控制系统 高速加工中心要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在高速切削（特别是45轴坐标联动加工复杂曲面时）仍具有良好的加工性能。 高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间，为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用32位CPU和64位CPU，并采用多处理器；二是插补精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段处理功能，此外，还可采用NURBS(非线性B样条)插补、回冲加速、平滑插补、钟型加减速等轮廓控制技术。高速切削加工CNC系统的功能特征包括：(1)加减预插补；(2)前馈控制；(3)精确矢量补偿；(4)最佳拐角减速度。,先进制造技术,三. 高速切削加工关键技术,4. 高速切削加工中
