机械制造过程高速切削工艺

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1、第七讲 高速切削机床与工艺机硕1007班陈琛一.高速切削加工的定义高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念。 对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高 速切削加工时应用的切削速度并不相同。如何定 义高速切削加工，至今还没有统一的认识。目前 沿用的高速切削加工定义主要有以下五种： 1）1978年，CIRP切削委员会提出以线速度（ 500700）m/min的切削速度加工为高速切削 加工。2）对铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡 要求时的速度来定义高速切削加工。根据 ISO1940标准，主轴转速高于8000r/min为高 速切削加工。 3）德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所 提

2、出以高于（510）倍的普通切削速度的切削加 工定义为高速切削加工。4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴 轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高 速切削加工。DN值达（52000）x mmr/min时 为高速切削加工。 5）从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切 削加工。这种定义取决于刀具振动的主模式 频率，它在ANSI/ASME标准中用来进行切削 性能测试时选择转速范围。 因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切 削速度值来定义。根据不同的切削条件，具有不 同的高切削速度范围。目前，加工铝合金已达到 20007500m/min；铸铁为9005000m/min； 钢为600300

3、0m/min；耐热镍基合金达 500m/min；钛合金达1501000m/min；纤维 增强塑料为20009000m/min。 二.高速切削的历史美国于1960年前后开始进行高速切削实验。 1977年美国在一台带有高频电主轴的加工中心 上进行了高速切削实验，其主轴转速可以在 180018000r/min范围内无级变速，工作台的 最大进给速度为7.6m/min。在德国，1984年国家研究技术部组织了以 Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所 为首，包括41家公司参加的两项联合研究计划 ，全面而系统地研究了高速切削机床、刀具、 控制系统以及相关技术。他们取得了国际公认 的高水平研究成果，

4、并在德国工厂广泛应用， 获得了好的经济效益。日本与20世纪60年代就着手高速切削机理的研 究，日本厂商现已成为世界上高速机床的主要 提供者。我国早在20世纪50年代就开始研究高 速切削，但由于各种条件限制，进展缓慢。 三.高速切削加工基础高速切削加工切屑形成 根据工件材料和切削条件的不同，切削时通常形成 四种类型的切屑：连续切屑、节状切屑、单元切屑 、崩碎切屑。高速切削时，特别是自动化加工中， 切屑的类型非常重要，长的连绵不断的连续切屑， 缠绕工件或刀具，损坏工件和刀具表面，伤害操作 者，无法正常切削，甚至损坏机床。周期性的节状 或单元切屑，会造成高速切削力的高频变化，从而 影响加工精度与表面

5、粗糙度和刀具寿命。 四.高速切削的优点1、随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高 510倍。高速切削的材料去除率通常是常规的36倍 ，甚至更高。同时机床快速空程速度的大幅度提高，也 大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机 床的生产率。2、刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和 工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变 形区窄，变形系数减小，切削力降低大概30%90%。 同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。 3、刀具和工件受热影响小。切削产生的热量 大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具 热变形小，有效地提高了加工精度。 4、工件表面质量好。工件粗糙度好，

6、其次切 削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固 有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得 好的表面质量。5、高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部 分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削 ，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿 色加工。 6、可完成高硬度材料和硬度高达hrc40-62 淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层的硬质 合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条 件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不 仅效率高出电加工的36倍，而且获得十分 高的表面质量，基本上不用钳工抛光。 7、降低成本。 五.高速切削机床的技术高速电主轴单元 机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是 电机

7、与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温 度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为 “恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术， 使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电 一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主 轴转速就可以轻而易举地达到042000r/min，甚至更高 。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提 高，甚至机床的成本也下降了。 噪声、振动源消除，主 轴自身的热源也消除了。 电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来 实现主轴的宽调速的.它的优点不仅是简化了主 传动结构,减少主传动系统的转动惯量,而且降 低了功耗,提高了实现更高主轴

8、速度和加减速度 的能力,从而也可实现定角度的快速准停功能, 这对高速加工机床是十分重要的。 六.高速切削加工工艺技术v高速切削工艺是成功进行高速切削加工的 关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损 加剧，完全达不到高速加工的目的。高速 切削工艺技术包括切削参数、切削路径、 刀具材料及刀具几何参数的选择等。 1.切削参数的选择 在高速切削加工中，必须对切削参数进行 选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角 度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣） 等 2.切削路径的优化选择 走刀方向的优化在走刀方向的选择上，以曲面平坦性为评价 准则，确定不同的走刀方向选取方案；对于曲率变化大的曲面 以最大曲率半径方

9、向为最优进给方向，对曲率变化小的曲面， 以单条刀轨平均长度最长为原则选择走刀方向。 刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化，尽量走直线，路径 尽量光滑的要求选择加工策略，选择合适的插补方法，保证加 工面残留高度的要求，采用过渡圆弧的方法处理加工干涉区， 这样在加工时就不需要减速，提高加工效率。 柔性加减速和断刀的几率。选取合适的加减速方式，减少启 动冲击，保持机床的精度，减少刀具颤振 。 3.刀具材料的选择 切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配，主要指刀 具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能相匹配。 切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配，土要是指 刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨

10、胀 系数、抗热冲击能力等物理参数要相匹配。 切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配主要是指刀 具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解 等化学性能相匹配。 4.干式（准干式）切削技术高速加工中不采用切削液或采用微量的切 削液可以带来大量的好处,降低切削过程对环境 的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成 本、降低切削过程对环境的危害、提高切屑的 回收利用率等。 5.加工误差综合动态补偿技术 高速切削加工中误差产生的主要原因有伺服系统 的滞后、加减速引起的滞后、插补周期引起的形状误 差、数控系统的轮廓误差等 。 目前采用的补偿技术有：温度补偿、象限补偿、 丝杠误差补偿、使用非均匀有理 B

11、样条插补、纳米插 补、加减速预测及控制伺服电机最佳加减速转矩、进 行前瞻性控制、刀具长度补偿、刀具中心点及半径补 偿、冲击控制等。 七.高速机床1.高速车床 高速车床需要有相当的大功率覆盖粗加工范围。所以，必 须采用新观念设计机床，以满足高速加工时机床的刚性要求 ，特别重要的是直接驱动和较松的支撑顶尖，以消除巨大的 轴向力。高速车床的卡盘/工作区应该完全被罩起来，保护罩 应该使用弹性的和能够吸收能量的夹层结构。在设计或选择车床主轴时采用结构紧凑的主轴结构，在主 轴转速允许的条件下尽量选大直径。高速车削加工中的一个 技术难点是工件的夹紧方法，要开发用于高速车床的专用卡 盘。2.高速钻床高速钻床属

12、于粗加工。具有立式和卧式主轴的 工作台式和龙门式钻床都可以用做高速钻床。高 速钻削要求主轴有足够高的转速，切削速度大于 100m/min；稳定性好，特别是动刚度高。快速 攻螺纹还要求快速反转、定位和速度控制。在高 速钻削加工中，内冷钻头需要高压、大流量切削 液以及很细的过滤器。 3.高速铣床 4.高速车铣床车铣床是集车、铣功能于一体的机床，或者 说是在车床上加上高速铣头而形成的具有车、 铣功能的机床，使机床具有更大的加工范围。 这种机床可以车削为主，也可以以铣削为主。5.高速虚拟轴机床虚拟轴机床与传统机床相比，还有很多 优异的性能。虚拟轴机床实际上是一个空间 并联杆机构，用了基于Stewart平台原理的 并联闭锁多自由度驱动机构，其六根杆即六 个并联连杆。它的运动误差不会像串联机床 那样相互叠加，因此在理论上讲，虚拟轴机 床的精度应高于传统机床。6.加工中心加工中心是数控机床进一步发展的产物， 是现代机械车间柔性化生产最重要的加工设 备之一。加工中心上在数控机床出现后，为 了进一步提高加工效率，减少辅助时间，将 更换刀具的动作与功能和数控机床集成而形 成的一类自动化程度和生产率更高的新型数 控机床。OVERThank You!