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1、第三章 高速加工技术 High Speed Machining Technology,概述,什么是高速加工技术? “到现在为止，高速加工暂时仍未有一个统一的定义”,現在常用的、普遍的高速加工是指.?,一些组织对高速加工常用的定义,高速加工的一些定义,1. 高速铣削的切削速度比较传统铣削快5至10倍(PTW) PTW: Institute of Production Engineering and Machine Tool at the Darmstadt University of Technology(德国),2. 低切削力，进给速度高，主轴转速30,000转/分以上。 3. 高效能加工，切
2、削量大，切削力稳定，刀具寿命长，高精度，硬切削，不一定高转速。 4. 利用高主轴转速和高的轴向进给速度，以获得高的材料切除率，而不降低零件的精度和表面质量。,高速加工的一些定义,汽车制造业高速切削参数,高速加工的真正意义?改善加工生产流程!,高速加工的意义,两种模具加工过程比较,高速切削的创始人：德国博士Dr. Carl J. Salomon 德国专利号： 523594 27/4/1931高速铣削 1931，Dr. Salomon利用已加装锯齿的大直径旋转飞轮在一定范围内作模拟高速切削实验 温度和切削速度成正比，速度进一步提高，温度会升到顶峰然后回落 根据温度死谷理论， 在死谷区域是不可能进行
3、切削 资料在第二次世界大战中散失,高速加工的发展史,Salomon博士的理论：切削速度对切削温度的影响,高速加工的四个发展阶段, 第一時期: 1930 至1950，实验研究和探索 R. L. Vaughn 把Salomon的有限资料由德文翻译为英文 俄罗斯V.D. Kuznetsov；日本Yoshinobu Tanaka & Okushima；澳大亚Arndt；Coldwell，美国Quackenbush，and Recht；英国Fenton 也进行了各自不同的实验硏究 第二時期: 1958 to 1959，理论硏究和探索 美国Vaughn，Lockheed 公司进行弹道实验硏究 法国Fore
4、st-Line公司证实铸铁高速切削的可行性, 第三時期，1970年代早期，基础应用硏究和探索 R.I. King，Lockheed Missiles and Space公司，决意把高速切削应用于生产上 Cincinati machine公司发表报告，证实铝高速切削(610-3660米/分钟) 和铸铁高速切削(205-915米/ 分钟) 的可行性 第四時期，1979 至1980，应用硏究 General Electric公司提出高速切削的科学基础及对生产的影响分析 德国Ministry of Research & Technology硏究高速切削的特性,高速加工的四个发展阶段,随着汽车、航空航天
5、等工业轻合金和复合材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。 高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用日益广泛。 机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。 高速加工不仅是设备，而是机床、刀具、夹具和数控系统以及软件技术的集成。,高速加工的发展趋势,高速化主轴转速40000r/min，最大进给速度120m/ min，最大加速3G。 高精度化定位精度正在向亚微米进军，纳米级五轴联动加工中心已经商品化。 工序集约化车铣复合、完整加工，在一台机床能够加工完毕一个复杂零件。 机床的智能化机床配置各种微型传感
6、器，具有监控和误差自动补偿功能。 自主管理和通信如加工程序仿真、作业排序、数据采集、刀具寿命管理和网络通信等。,高速加工的发展趋势,高速切削的原理高速切削中切屑的产生,高速切削不断增加的摩擦阻力导致切屑和刀具的接触区域的温度升高。 接触区域的温度可能高达工件材料的熔点。 切屑在接近熔点的液体状态下起到了润滑效果，因此，减低了摩擦系数。 区域摩擦力的降低，减小了对切屑流动的阻碍，从而导致对切屑的压力减小和切削力降低。 流动切屑的一个重要特征就是切屑横截面积减小和剪切角增大，切屑明显的扭曲。,高速切削的原理高速切削中切屑的产生,切屑扭曲变形的增大导致切屑与前刀面的接触区域减少。 切屑与前刀面接触面
7、积的减少使得传递至切削刀具的热量减少。 产生的绝大部分热量都被传递给切屑，只有少部分热量被传递给切削刀具和工件，导致工件温度低。 工件温度低和切削力低导致零件精度和表面质量提高。,切削速度与表面质量的关系(德国汉诺威大学实验),铸铁,铝,切削速度与切削力的关系(德国汉诺威大学实验),高速切削设备的相关技术支持（主轴系统、床身系统、导轨系统、伺服系统、控制系统、通讯系统、冷却润滑系统）； 高速切削的编程软件和硬件技术； 高速切削刀柄技术； 高速切削刀具材料和结构； 高精度快速测量技术； 高速切削工艺合理编排； 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
8、切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。,支持高速加工技术的基础技术,高速加工机床,新型高速加工中心一览,高速加工机床聚合物混凝土底座,聚合物混凝土由矿物填充物、石英砾、石粉、百分比含量比较低的环氧树脂粘接剂及多种添加剂组成。,高速加工机床聚合物混凝土底座,聚合物混凝土底座的特点 重量非但不会减少，而且还增加20-30% 不存在脆弱的薄壁结构 卓越的减震效果， 是灰铸铁的6-10倍 出色的机械性能 几何结构不会老化 出色的热稳定性，是灰铸铁的20倍 出色的抗化学腐蚀性,主轴功率与最高转速的现况和高速切削的期望,高速加工机床高速电主轴,ADOC平均切削深度mm；d刀具直径mm,不
9、同轴承结构主轴加工淬火钢的表面粗糙度,陶瓷轴承高速主轴结构,高速加工机床高速电主轴,20,000 rpm 功率: 12kW S1(100%ED) 16kW S6(40%ED) 扭矩: 81.5Nm(40%ED) 刀柄: HSK A63(40%ED) 轴承系统: 直径70mm的陶瓷轴承 最大刀具直径: 90mm,42,000 rpm 功率: 10kW S1(100%ED) 13kW S6(40%ED) 扭矩: 4.2Nm (40%ED) 刀柄: HSK E40 (40%ED) 轴承系统: 直径45mm的陶瓷轴承 最大刀具直径: 16mm,陶瓷轴承高速主轴参数,陶瓷轴承高速主轴特点,20,000
10、rpm 优点 扭力高 可使用较大的刀具进加工 可钻孔攻丝 粗及精加工均可 缺点 转速较低 小直径刀具表现不及42000rpm 加工光洁不及42000rpm 精加工效率不及42000rpm,42,000 rpm 优点 转速高 小直径刀具表现想 加工光洁高 精加工效率高 缺点 扭较小 刀具只能使用16mm以下 粗加工有限制 适合钻孔攻丝 技术要求严格,高速加工机床激光自动对刀系统,自动测量刀具直径及长度,系统的重复精度小于1m，在数控机床上使用时的对刀和测量精度一般为几微米。,英国Renishaw NC4 对刀系统 NC4 对刀系统具有超小型激光发射器和接收器，规格仅为 30 mm（直径）x 35
11、mm（高度），可进行快速非接触对刀和刀具破损检测。 NC4 系统能够在间隔长达5米的情况下实现高重复精度的对刀操作。根据间隔不同，在激光光束所及的任何选定点，可测量直径 0.2 mm 的刀具，并可对0.1 mm 的刀具进行破损检测。,高速切削刀具,1、使用小直径球头铣刀精加工。刀具直径10mm； 2、使用细晶粒涂层硬质合金刀具，硬度、韧性都好； 3、TiAlN涂层(顶层) 和 TiCN （下层）多层涂覆，耐高速高热磨损效果更好； 4、刀具直径随着工件硬度上升而减小，切削速度随着工件硬度上升而降低。,保护刀具,1、提高刀具刚度，尽可能缩短刀具长度； 2、做好刀具系统的动平衡； 3、适当润滑和冷却
12、可以提高加工表面质量，但是容易损坏刀具。可以采用干切削，吹风去除切屑。切屑不仅带走大部分切削热，而且硬度增加，必须及时清走； 4、减少切削载荷变化，避免冲击； 5、选择合适的切削速度和进给速度等参数。,高速切削刀具的特点：高质量、高价格,影响高速切削的关键因素,高速切削刀具要解决的问题,1、刀具成本 2、刀具耐用度 3、适合于刀具的切削工艺参数,解决方法,1、发展高速切削国产涂层刀具、刀柄； 2、针对刀具本身性能的差异、模具材料的差异、机床的差异等进行实际 工艺试验取得数据；参考刀具生产厂的参数，还必须自己验证；,高速加工刀具刀具材料,硬质合金Carbide - 高硬度、抗磨损，一般晶体尺寸为
13、0.6 - 0.9 m，超细为0.4 - 0.6 m 。 金属陶瓷Cermet 金属与陶瓷混合，比硬质合金较硬但同时较脆，宜用于钢及铸铁切削。 陶瓷Ceramic - 高硬度，抗高温、较脆， 宜车削，不宜铣削。 立方氮化硼CBN 硬度仅次于金刚石，抗磨损，较脆，但比陶瓷较轫，宜用于硬钢切削。 金刚石PCD 硬度最高，因对铁性活跃，不宜用于钢切削；温度宜低，否则其化学特性会产生碳氧化，宜用于非铁属，如铝、镁、铜等。,高速加工刀具刀具材料的特性,硬度： 金刚石PCD立方氮化硼PCBNAl2O3基Si3N4基TiC(N)基硬质合金WC基超细晶粒硬质合金高速钢HSS； 抗弯强度： HSSWC基TiC(
14、N)基Si3N4基Al2O3基PCDPCBN； 断裂韧性： HSSWC基TiC(N)基PCBNPCDSi3N4基Al2O3基； 耐热性： PCD700800；PCBN14001500；陶瓷11001200；TiC(N)基9001100；超细晶粒硬质合金WC基800900；HSS600700。,高速加工刀具硬质合金刀具,硬质合金刀具应用的最为广泛，发展很快。 硬质合金刀具有良好的综合切削性能，用于高速切削刀具的硬质合金材料主要是质量优良的细颗粒、超细颗粒的材料结构，其强度可达到3000N/mm24000N/mm，红硬性可达到800-900。 由于采用先进的成形工艺、烧结技术、纳米技术、超细技术，
15、硬质合金刀具近几年不断涌现出新的牌号，使硬质合金刀具更具有切削的针对性。,高速加工刀具硬质合金刀具涂层,涂层材料: TiN、TiCN、TiAlCN、 TiAlN,高速加工刀具陶瓷刀具,陶瓷刀具有氧化铝基Al2O3和氮化硅基Si3N4两大类，红硬性可达到1100-1200， 切削速度可达到800m/min。 主要应用于铸铁零件的加工，如汽车制造业中发动机气缸体缸孔、制动毂、轮毂的粗加工、半精加工和精加工。,金属陶瓷刀具是以TiC为基体,添加TiN或TiCN为主要成份，使其抗弯强度提高，具有耐磨损性、耐热裂纹性好等优点，其红硬性可达到900-1100。 金属陶瓷与钢的亲和力小，可满足高速、高精度加
16、工的要求。 主要用于钢和铸铁工件的半精加工和精加工。,高速加工刀具金属陶瓷刀具,立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼(PCBN)，其硬度可达35004500HV，红硬性可达到1400 1500，在1000多度的高温下仍能保持其硬度和良好的切削性能，切削速度达到8002000m/min，主轴转速达到800012000r/min。 主要用于发动机缸体等铸铁类零件和气门阀座等粉末冶金零件的半精和精加工序中。 CBN刀具还可用于加工淬硬工件，实现以车代磨。,高速加工刀具立方氮化硼刀具,较高的硬度和耐磨性 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。 高的热稳定性 热稳定性明显优于金刚石刀具, PCBN切削性能,高速加工刀具聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具,良好的化学稳定性 1200-1300与铁系材料
