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1、1,工程技术讲座,高速加工技术 High Speed Machining Technology,2,内容提要,高速加工概述高速加工应用高速加工刀具技术高速加工机床技术高速加工路径规划高速磨削技术,3,1. 高速加工概述,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。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/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：700-7000 m/min 铣削：300-60
2、00 m/min钻削：200-1100 m/min 磨削：100-300 m/s,4,1. 高速加工概述,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1）,5,1. 高速加工概述,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
3、：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染,6,1. 高速加工概述,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,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,7,1. 高速加工概述,8,1. 高速加工概述,9,2. 高速加工应用,铝、铜合金的高速切削加工,铝、铜合金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。
4、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。,10,2. 高速加工应用,表2 PCD刀具切削铝、铜合金实例,11,2. 高速加工应用,铸铁与钢高速切削加工,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。不宜采用金刚石刀具，可以选用涂层硬质合金、陶瓷和PCBN等刀具，在超高速切削时应首选PCBN。,12,2. 高速加工应用,难加工材料的高速切削加工,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,软材料的高速切削加工,如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对
5、于普通切削加工是很难做到的,13,2. 高速加工应用,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,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,14,2. 高速加工应用,图6 高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）,15,2. 高速加工应用,汽车工业,采用高速NC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,16,2. 高速加工应用,模具制造,采用高速铣削代替传统电火花成形加工，效率提高3-5倍,17,2
6、. 高速加工应用,对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。,仪器仪表,精密光学零件高速加工,18,2. 高速加工应用,干切系指不使用冷却液的切削技术准干切则指使用最少量冷却液的切削技术目前准干切多指“最小量润滑技术” （Minimal Quantity LubricationMQL），此法将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，进行有效润滑，可大大减小刀具工件及刀具切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、避免粘接、提高加工表面质量的作用准干切因使用润滑液量很小（一般为0.030.2L/h，仅为湿
7、切冷却液用量的几万分之一），不会产生污染,基本概念,19,2. 高速加工应用,机床：用于干切的机床需具有良好的防尘和排屑装置 刀具：断屑和传热，必要时能实现局部冷却 工件材料及其与刀具材料的匹配 加工工艺：,关键技术,“红月牙”技术用PCBN刀具高速切削铸铁，将切削热推向工件，形成赤热，进行干切高速切削铝合金，切屑与刀具前刀面接触处产生局部熔化，形成一层液态薄膜，使切屑容易剥离，并避免了积屑瘤激光辅助切削Si3C4，使工件材料局部软化，实现干切,20,3. 高速加工刀具技术,21,3. 高速加工刀具技术,22,3. 高速加工刀具技术,23,3. 高速加工刀具技术,金刚石与CBN晶体结构相似，每
8、一个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,24,3. 高速加工刀具技术,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。天
9、然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,25,3. 高速加工刀具技术,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000 。聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的
10、亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,26,3. 高速加工刀具技术,聚晶金刚石应用实例,27,3. 高速加工刀具技术,聚晶立方氮化硼（PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride）,较高硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。,PCBN切削性能,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图13）,28,3. 高速加工刀具技术,良好的化学稳定性：1200-1
11、300与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料良好的导热性：CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数：CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,29,3. 高速加工刀具技术,加工HRC45以上的硬质材料：如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢
12、、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。,PCBN刀具应用,金属软化效应切削淬硬钢，当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图15），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,30,3. 高速加工刀具技术,PCBN刀具应用实例,31,3. 高速加工刀具技术,典型高速回转刀具可分为整体式和机夹式两类，小直径铣刀一般采用整体制造，大直径刀具常用机夹式。高转速的切削对刀具直径公差和刀具动平衡要求很高，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时直接装夹即可；而机夹
13、式更换刀片或者刀片换位后需要进行动平衡才能继续使用，所以高速切削更常用整体式刀具。高速回转刀具结构设计应力求简单，确保安全，刀齿尽量采用短切削刃、经过优化设计的几何角度，并有良好的断屑能力。,32,3. 高速加工刀具技术,整体式铣刀,机夹式铣刀,33,3. 高速加工刀具技术,传统镗铣加工通常使用7:24锥柄接口。这种接口主轴端面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和连接刚度下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速换刀和机床的小型化。目前高速加工多采用HSK（德国阿亨大学机床研究所开发）接口标准。HSK是专门为高转速机床开发的新型刀机接口，
14、并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等 6 种形式。HSK是一种小锥度（1:10）的空心短锥柄，使用时端面和锥面同时接触（过定位），从而形成高的接触刚性。,34,3. 高速加工刀具技术,35,3. 高速加工刀具技术,36,3. 高速加工刀具技术,图17 HSK刀柄与BT刀柄加工效果的比较,37,4. 高速加工机床技术,38,Modern 2412立式加工中心（美国）,4. 高速加工机床技术,39,DMU60T5轴高速加工中心（德国）,4. 高速加工机床技术,40,东芝高速立式加工中心（日本）,4. 高速加工机床技术,41,陶瓷轴承高速主轴,4. 高速机床技术,采用
15、C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4,采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；轴承转速特征值（= 轴径（mm）转速（r/min）较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.51106。,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失陶瓷耐磨性好，轴承寿命长,42,4. 高速加工机床技术,液体（气体）静压轴承,回转精度高液体静压轴承回转误差在0.2m以下，空气静压轴承回转误差在0.05m以下； 功率损失小；转速特征值：液体静压轴承转速特征
16、值可达1106，空气静压轴承转速特征值可达3106 。空气静压轴承承载能力较小。,43,4. 高速加工机床技术,电磁铁绕组通过电流，对转子产生吸力，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图19）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，并将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功率放大器变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。,磁浮轴承高速主轴,位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。,44,4. 高速加工机床技术,磁浮轴承主轴结构,45,4. 高速加工机床技术,磁浮轴承主轴特点,主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。转速特征值可达4106。回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。,
