《先进制造技术 第2章 高速切削技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《先进制造技术 第2章 高速切削技术（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章第二章 高速切削技术高速切削技术 第一节第一节 概述概述 机械加工的发展趋势是机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性高效率、高精度、高柔性 和绿色化。和绿色化。 以以高切削速度、高进给速度、高加工精度和优良高切削速度、高进给速度、高加工精度和优良 的加工表面质量的加工表面质量为主要特征的高速切削加工技术，为主要特征的高速切削加工技术， 正成为切削加工的主流，在航空航天、模具制造正成为切削加工的主流，在航空航天、模具制造 等行业广泛采用。等行业广泛采用。 如果说数控机床的产生是现代机床发展史上的一如果说数控机床的产生是现代机床发展史上的一 次革命，那么高速机床的应用则是现代机床工业次革
2、命，那么高速机床的应用则是现代机床工业 的第二次革命。的第二次革命。 一、高速切削加工的定义一、高速切削加工的定义 高速切削是指在比常规切削速度高出很多的情况高速切削是指在比常规切削速度高出很多的情况 下进行的切削加工，有时也称为超高速切削下进行的切削加工，有时也称为超高速切削 （UltraUltra- -High Speed MachiningHigh Speed Machining）。高速切削是）。高速切削是 个相对的概念，究竟如何定义，目前尚无共识。个相对的概念，究竟如何定义，目前尚无共识。 完成一个零件机械加工所需要的时间，包括切削完成一个零件机械加工所需要的时间，包括切削 时间和非切
3、削时间。时间和非切削时间。 随着技术的进步，切削时间占总工序时间的比例随着技术的进步，切削时间占总工序时间的比例 越来越大，提高生产率的主要措施转移到直接减越来越大，提高生产率的主要措施转移到直接减 少切削时间方面。减少切削时间最直接的手段是少切削时间方面。减少切削时间最直接的手段是 提高切削速度提高切削速度 1.1.根据切削速度划分：根据切削速度划分： 用切削加工的线速度（用切削加工的线速度（m/minm/min）来描述切削速度。）来描述切削速度。 通常把切削速度比常规高出通常把切削速度比常规高出5 51010倍以上的切削加倍以上的切削加 工称为高速切削。工称为高速切削。 不同加工方法不同加
4、工方法车削：车削：7007007000 m/min7000 m/min；铣削：；铣削： 3003006000 m/min6000 m/min；钻削：；钻削：2002001100 m/min1100 m/min；磨；磨 削：削：150150360 m/s360 m/s；比常规几乎提高了一个数量；比常规几乎提高了一个数量 级。级。 不同工件材料不同工件材料德国德国DarmstadtDarmstadt工业大学对钢、工业大学对钢、 铸铁、镍基合金、钛基合金、铝合金、铜合金和铸铁、镍基合金、钛基合金、铝合金、铜合金和 纤维增强塑料等材料的高速切削试验结果。纤维增强塑料等材料的高速切削试验结果。 7种材料
5、的铣削速度种材料的铣削速度 2. 2. 根据主轴转速划分根据主轴转速划分 一般按主轴的一般按主轴的DnDn值区分。值区分。DnDn值是指用主轴轴径值是指用主轴轴径 （或主轴轴承内径尺寸）（或主轴轴承内径尺寸）D D（mmmm）和主轴能达到的）和主轴能达到的 最高最高n(r/min)n(r/min)的乘积。高速主轴的的乘积。高速主轴的DnDn值一般为值一般为 500,0002,000,000500,0002,000,000。 对于加工中心来说，按主轴锥孔的大小划分是很对于加工中心来说，按主轴锥孔的大小划分是很 通用的方法，采用通用的方法，采用ISOISO刀具标准，划分如下：刀具标准，划分如下：
6、5050号锥号锥10,00020,000r/min10,00020,000r/min； 4040号锥号锥20,00040,000r/min20,00040,000r/min； 3030号锥号锥25,00040,000r/min25,00040,000r/min； HSKHSK锥锥20,00040,000r/min20,00040,000r/min； KMKM锥锥35,00035,000以上；以上； 3.3.根据主轴平衡标准划分根据主轴平衡标准划分 根据根据ISO1940ISO1940，主轴要达到所规定的平衡标准，主，主轴要达到所规定的平衡标准，主 轴速度约为轴速度约为8000r/min8000
7、r/min，就是说，高速主轴的转速，就是说，高速主轴的转速 至少要超过至少要超过8000r/min8000r/min。 4. 4. 从刀具和主轴的动力学角度定义高速切削加工。从刀具和主轴的动力学角度定义高速切削加工。 即通过刀具振动的主模式频率的测定来确定高速即通过刀具振动的主模式频率的测定来确定高速 切削速度范围。切削速度范围。 二、高速切削技术的发展历史二、高速切削技术的发展历史 1 1、传统的观点、传统的观点是，切削速度升高，则切削温度升高，是，切削速度升高，则切削温度升高， 切削力增加，刀具磨损加剧。另一方面，随着切切削力增加，刀具磨损加剧。另一方面，随着切 削速度的提高，机床的发热、
8、振动以及动平衡等削速度的提高，机床的发热、振动以及动平衡等 问题将会突出。问题将会突出。 2 2、萨洛蒙（、萨洛蒙（SalomonSalomon）假说（）假说（19311931）：在常规切削）：在常规切削 速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升速度范围内，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，刀具围，在该
9、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，称该区材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区 为为“死谷死谷”。 萨洛蒙在萨洛蒙在l924l924一一19311931年间，进行了一系列的高速切削实验：年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m14000mminmin， 在各种进给速度下，使用了多达在各种进给速度下，使用了多达2020齿的螺旋铣刀。齿的螺旋铣刀。l931l931年年 申请了申
10、请了“超极限速度超极限速度”专利，随后卖给了专利，随后卖给了“KruppKrupp钢与工钢与工 具制造厂具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围，萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。理论解释，而且他的许多实验细节也没有人
11、知道。 萨洛蒙（萨洛蒙（Salomon）曲线）曲线 11 Salomon切削温度与切削速度曲线切削温度与切削速度曲线 切削适应区切削适应区 软铝软铝 切削速度切削速度v/(m/min) 切削不切削不 适应区适应区 0 600 1200 1800 2400 3000 青铜青铜 铸铁铸铁 钢钢 硬质合金硬质合金980 高速钢高速钢650 碳素工具钢碳素工具钢450 Stelite合金合金850 1600 1200 800 400 切削温度切削温度/ 切削适应区切削适应区 非铁金属非铁金属 3 3、 高速切削理论的研究探索（高速切削理论的研究探索（19311931- -19711971） 高速切削假
12、说提出后高速切削假说提出后2020多年无人关注和研究。多年无人关注和研究。 美国美国LockheedLockheed飞机公司于飞机公司于19601960年前后进行了超高速削试验。年前后进行了超高速削试验。 试验采用加农炮发射方式：在高速切削条件下，切屑的形试验采用加农炮发射方式：在高速切削条件下，切屑的形 成和普通切削不同。单位切削力呈上升再下降的趋势。切成和普通切削不同。单位切削力呈上升再下降的趋势。切 削机理发生变化，切削过程比常规切削速度下容易和轻松。削机理发生变化，切削过程比常规切削速度下容易和轻松。 研究了用于轻合金材料的高速铣削。表明高速切削加工铝研究了用于轻合金材料的高速铣削。表
13、明高速切削加工铝 合金是可行的。合金是可行的。 19641964年，法国机床研究中心等单位的研究：铸铁加工可行，年，法国机床研究中心等单位的研究：铸铁加工可行， 钢件加工困难（原因：无合适刀具）钢件加工困难（原因：无合适刀具） 4 4、 高速切削理论的应用基础探索（高速切削理论的应用基础探索（19721972- -19781978） 美国美国LockheedLockheed飞机公司：改装铣削中心和六角车飞机公司：改装铣削中心和六角车 床，主轴转速可达床，主轴转速可达1800018000、3000030000和和100000rpm100000rpm，高，高 精密喷雾冷却轴承，结果：经济可行；精密
14、喷雾冷却轴承，结果：经济可行； 高速切削机理、切屑形成、力与温度等方面的研高速切削机理、切屑形成、力与温度等方面的研 究；究； 切削热：试验表明，大部分由切屑带走。切削热：试验表明，大部分由切屑带走。 高速刀具材料技术不足。高速刀具材料技术不足。 5.5.高速切削的应用研究（高速切削的应用研究（19791979- -19891989） 19791979年美国年美国DARPADARPA的的4 4年现代加工技术研究计划；年现代加工技术研究计划； 19791979- -19831983年德国年德国DarmstadtDarmstadt工业大学的研究：高工业大学的研究：高 速铣削加工特点，磁悬浮轴承电主
15、轴，速铣削加工特点，磁悬浮轴承电主轴， 6.6.高速切削的发展和应用阶段（高速切削的发展和应用阶段（19901990至今）至今） 19931993年，年，直线电动机直线电动机出现；出现； 高速刀具材料高速刀具材料：金刚石：金刚石PCDPCD、立方氮化硼、立方氮化硼CBNCBN、陶、陶 瓷刀具、刀具涂层材料。两面定位刀柄。高速瓷刀具、刀具涂层材料。两面定位刀柄。高速CNCCNC 系统。安全性和实时监控系统。系统。安全性和实时监控系统。 高速切削基础理论的深入；高速切削基础理论的深入； 高速干切削工艺高速干切削工艺 高速切削机床高速切削机床的出现和广泛应用：飞机骨架与机的出现和广泛应用：飞机骨架与机 翼、模具、汽车发动机缸体、模具翼、模具、汽车发动机缸体、模具 高速切削技术是一个复杂的系统工程：高速切削技术是一个复杂的系统工程：涉及机床涉及机床 结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系 统、快速进给系统、高性能统、快速进给系统、高性能CNCCNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀夹 系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高 效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切效高精度测量
