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1、现代加工技术,第二章 切削加工及刀具,2.1 切削机理 2.2 先进切削,第二章 切削加工及刀具,2.1 切削机理 2.2 先进切削 2.2.1 高速切削加工 2.2.2 精密与超精密切削 2.2.3 振动切削加工,2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技术的概念与特征 二、高速切削技术的特点及应用 三、高速切削的关键技术 四、高速切削机理 五、高速切削技术的现状以及发展趋势,高速加工的概念与特征,高速加工技术： 高速加工包括高速切削和高速磨削。 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。 高速切削（Hi
2、gh-speed Cutting）：采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。,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。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速800010000 r/min。,高速加工的概念与特征,高速加工的产生和发展 20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并获得专利，简称HSM。,高速加工的概念与特征,Salomon博士的理论：切削速度对切削温度的影响,高速切削的创始人：德国博士Dr
3、. Carl J. Salomon,1931,切削速度与切削温度的关系图（萨洛蒙曲线）,在切削速度达到一个临界值之后的一个范围内，切削速度增加，则切削温度下降。,高速加工的概念与特征,高速加工的产生和发展 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 1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达15004500m/min） 德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益 日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已成为世界上超高速机床的主要提
4、供者,高速加工的概念与特征,高速加工切削速度的范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 铜(Cu)：900-5000 m/min 钢(Steel)：500-2000 m/min 灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min 钛(Ti)：100-1000m/min 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 车削(Turing)：700-7000 m/min 铣削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：
5、50-300 m/s 镗削（Boring）：35-75m/min,高速加工的概念与特征,高速加工切削速度的范围 由于刀具、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。 ISO1940规定主轴转速大于8000r/min的加工形式为高速切削。现阶段一般把主轴转速在10000r/min以上的加工形式视为高速切削。,七种典型工件材料的高速切削速度范围,2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技术的概念与特征 二、高速切削技术的特点及应用 三、高速切削的关键技术 四、高速切削机理 五、高速切削技术的现状以及发展趋势,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的特点 加工效率高：进给
6、率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。工件受力变形小，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件，可提高加工精度 动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工 环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的特点,高效率,高质量,低消耗,高
7、精度,14,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的特点 加工效率高 高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于 机床主轴转速高 当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万转，更高的可达到6、7万转以上。 进给速度快 通常快速空行程4060米/分,更快的可达80100米/分 主轴转速高，进给速度快，单位时间内的材料去除量反而增加了。因此，加工效率也相应提高了。,瑞士机床为例,以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的特点 精度高 对于同样的切
8、削层参数，由于高速带来突变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工。 质量高 一方面，高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率远远高于切削工艺系统的高阶固有频率。 另一方面，由于传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小。加工表面质量显著提高。,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的特点 低消耗 高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而机
9、床的主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。 高速加工机床振动小、噪声低、少用或不用切削液，也符合环保要求。,高速切削技术的优势： 材料去除率大大增加，加工时间成倍降低，提高生产率； 切削力可降低30%，降低切削变形； 9598%的切削热被切屑带走，降低工件温升和热变形； 高速铣削频率远高于工艺系统的固有频率（一般在500Hz以下），切削平稳、光洁； 可高效加工难加工材料； 缩短工艺路线和切削时间，可降低加工成本。,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的应用,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的应用 不同材料的高速加工铝、铜合金 铝、铜合金
10、的强度和硬度相对较低，导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获得好的加工表面质量。 切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合金、金刚石镀层硬质合金以及PCD等。,表2 PCD刀具切削铝、铜合金实例,PCD刀具切削铝、铜合金实例,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的应用 不同材料的高速加工铸铁与钢 不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。,24,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的应用 不同材料的高速加工钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等 采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果 不同材料的高
11、速加工软材料 如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的,图,27,高速切削技术的特点及应用,高速切削技术的应用领域 汽车制造业 高速加工中心组成柔性生产线(FTL) 例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min； 汽车发动机及其配件的高速切削加工 汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工,29,航空航天,图4 高速加工薄壁样件（厚度0.1mm） （米克朗公司）,图5 增压器叶轮实物,航空航天,30,图6 高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）,高速切削
12、技术的特点及应用,高速切削技术的应用领域 航空航天 大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。 镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000 m/min 对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生 产效率和产品质量，降低制造成本 例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。 （超）高速切削应用于航空航天工业的大型柔性件加工，提高工效10倍,高速切削技术的特点及应用,模具加工业 淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工质量和效率，可
13、取代电火花加工 应用于精密模具的加工，可实现淬火钢模具加工“一次过”，直接达到级精度及接近镜面的表面质量。 快速样件制造，比快速原型制造技术效率高、质量好 EDM电极加工，提高电火花加工质量和效率，减少后续加工工序,照相机,按纽,勺子,反射镜,高速加工塑料模具,33,加工场景,模具材料从铸铁到铸钢、铸铝和合金铸钢，塑料的轮胎型芯,用传统方法(手工) 需十几道工序, 时间20 d 以上 采用超高速铣削, 转速18000 rpm , ap=2mm , vf =10m/min ,时间24h,高速加工橡胶轮胎模,34,高速切削技术的特点及应用,电极加工 仪器仪表 精密光学零件高速加工,石墨电极,薄壁铜
14、电极,2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技术的概念与特征 二、高速切削技术的特点及应用 三、高速切削的关键技术 四、高速切削机理 五、高速切削技术的现状以及发展趋势,高速切削加工系统,37,高速切削的关键技术,关键技术-拓扑图,高速切削的关键技术,1、装备,材料？ 结构？ 参数？ 磨损？,主轴？ 轴承？ 进给系统？ 驱动系统？ 实时监控系统？,41,Modern 2412立式加工中心（美国）,42,DMU60T5轴高速加工中心（德国）,DMG 数控加工中心（德国）,44,东芝高速立式加工中心（日本）,高速切削的关键技术,1、装备 高速切削对主轴系统的要求,噪音小 启停性能良好,足够的刚性
15、和回转精度,先进的润滑冷却系统 可靠的主轴检测系统,大功率,结构紧凑 总质量小,热稳定性良好,主轴系统,高速切削的关键技术,1、装备 高速切削对主轴系统的要求 为了提高机床的主轴静态和动态精度，必须减少各主轴部件的制造误差及装备误差，更重要的是，应尽可能减少主轴系统中的误差源，尽可能缩短主轴传动链的长度。借助电气传动技术，主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式“电主轴”应运而生。由于主要采用交流高频电动机，故又称“高频主轴”。,电动机定子通过冷却套固装在电主轴壳体中，其转子就是机床的主轴，电主轴箱体就是电动机座。,主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有出盘
16、和测速、测角传感器，主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定加工中心可换刀柄。,电主轴工作原理,47,高速切削的关键技术,1、装备 高速切削对主轴系统的要求,在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。 国际上著名的电主轴生产厂家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-UP公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FORMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司。 中国：洛阳轴承研究所、广州机床研究所。,高速切削的关键技术,1、装备 高速切削对主轴系统的要求 高速主轴常用轴承：陶瓷轴承、磁悬浮轴承,陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（440、440C）及不锈钢。,高速切削的关键技术,1、装备 高速切削对主轴系统的要求,采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； 轴
