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1、河南机电高等专科学校河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文 高速加工技术最新进展综述系 部： 机 械 工 程 系 专 业： 机械制造与自动化 班 级： 机 制 121 学生姓名： 李 朝 龙 学 号： 120114119 指导教师： 安 林 超 2014年 10 月 25 日【摘要】：近年来,高速高效加工迅速发展,高效、高质量、低能耗的特点使其成为航空航天、模具和汽车等行业广泛应用研究的先进制造技术。高速高效加工理论与技术包括加工机理、加工机床、刀具磨具三个方面,本文主要介绍从高速高效加工中的高速切削角度出发,对加工机床及刀具进行详细的论述,并对高速切削的未来发展方向进行了相应探索。由于高速
2、切削加工具有较高的生产效率，减少切削力，提高加工精度和表面质量，降低生产成本并且可加工高硬材料等许多优点，已在航空、汽车、磨具等制造业中广泛应用，取得了重大的经济效益，对提高切削加工技术的水平，推动机械制造技术的进步具有深远的意义。一、高速加工的技术优势 高速切削加工的突出优越性主要表现在一下几点：（1）随着切削速度的提高，单位时间内材料切除率（切削速度、进给量和切削深度的乘积，ap）增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。（2）高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减小，根据切削速度提高的幅度，切削力平均可减少30以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。（3）高速
3、切削加工时，切削以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，大致在90以上，传给工件的。热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。（4）从动力学角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。（5）高速切削可加工硬度HRC（4565）的淬硬铁件，如高速切削加工淬硬后的模具，可减少甚至取代电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。（6）加工环境友好 在一些特
4、种加工（如模具制造）中，型面加工多采用电加工。由于电加工会产生一些有害气体和烟雾，生产效率也不高，这同目前低能耗、与环境相协调的绿色加工的发展方向不一致，所以用高速铣削加工来代替特种加工是模具制造业的一个发展方向。高速加工可以获得较好的表面质量（表面粗糙度值Ra可达到0.4m），这不仅可省去电火花加工后的磨削、抛光等工序，而且，在工件表面上可形成压应力，提高磨具的寿命。二、数控高速加工的发展现状高速切削加工技术经过半个多世纪的理论和应用研究与探索，人们清除地认识到它在制造业的市场竞争日益激烈中的巨大潜力。1993年伴随着高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高
5、速切削加工技术已经从理论研究方面进去工业应用阶段。高速切削加工技术的发展促进了机床高速化，大大推动了现代数控加工技术的发展。直到2001年北京时间国际机床展览会（CIMT2001）上机床最高主轴转速从上届（1999年）（800012000）r/min现在加工中心主轴转速普遍提高到（1500030000）r/min。最快转速为（3060）m/min换刀时间为（35）S。齿轮机床的主轴最高转速已经提高到（900012000）r/min。目前已经有主轴最高转速达150000r/min，快速进给达120m/min，换刀时间为（0.71.5）S的不同的加工中心。 高速切削刀具技术发展也很快，主要是金刚石
6、（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、碳（氮）化肽TiC（N）基硬质合金（金属陶瓷）、涂层刀具和超精细晶粒硬质合金刀具的品种增加、性能的很大提高，许多适应高速切削刀具的结构不断出现，促进高速加工技术的进步和应用。例如，意大利SU公司的TiCN涂硬质合金滚刀加工模数为1.5倍的钢齿轮，使用水基切削液，粗滚速度达280m/min，精滚为600m/min。目前生产中高速切削加工技术水平大体情况是：粗精加工铝合金的切削速度为（10004000）m/min，最高速度为（50007500）m/min，主要受限于机床主轴最高转速和功率。铸铁可高速精和半精加工，速度为（5001500）m/min，精铣铸
7、铁最高可达2000m/min，钢可用（300800）m/min的速度高速加工，淬硬钢（HRC（4565）高速精加工，切削速度为（100500）m/min；钢铁及其合金的最好切削速度主要受刀具寿命限制。铝合金钻孔速度为（200300）m/min；模数1.5的钢齿轮的滚齿加工速度可达（300600）m/min；可锻铸铁螺纹（M141.5）的攻丝速度为61m/min左右。三、数控高速加工机床的关键技术高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴，具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统，又是高速机床的关键所在。分述如下:1. 高速主轴高速主轴是高速切削最关键零件之一
8、。目前主轴转速在10 00020 000 r/ min的加工中心越来越普及，转速高达100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(3)良好的热稳定性;(4)大功率;(5)先进的润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。采用集成化主轴结构由于减少传动部件，具有更高的可靠性。轴承是决定主轴寿命和负荷大小的关
9、键部件，为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。目前高速主轴主要采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承等。另外，主轴的高速旋转产生大量的热，解决的办法之一就是在电动机定子的外面加一带螺旋槽的吕质冷却套。机床工作时，冷却油-水不断地在该螺旋槽内流动，从而把电动机放出来的热量及时带有。2. 快速进给系统高速进给系统是高速数控机床的关键部件之一。高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达50m/min120m/min，要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝
10、杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且，由于机床上直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措施:(1)采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的1/ 20左右，而且使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大减少;(2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，高速切削机床己开始采用全数字交流伺服电机和控制技术;(4)为了
11、尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;(5)为提高进给速度，更先进、更高速的直线电机己经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减速特性，加速度可达2g，为传统驱动装置的1020倍，进给速度为传统的45倍，采用直线电机驱动，具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需要维护等明显优点。3. 高速切削刀具技术(1)刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，抗冲击、耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷
12、、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等。 （2高速CNC控制系统。数控高速切削加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在高速切削时，特别是在（45）轴坐标联动加工复杂曲面时仍具有良好的加工性能。高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一个是单个程序段的处理时间，为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用32位CPU、64位CPU，并采用多处理器；二是插补精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段预处理功能，此外，还可采用NURBS（非均匀有理B样条）插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。高速切削加工CNC系统的功能特征包
13、括：加减预插补前馈控制精确矢量补偿最佳拐角减速度。(2)高速切削刀具结构。高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除损伤工件外，对操作者和机床会带来危险。因此，高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。动平衡一般对小直径刀具要求不严，对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具，必须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡，还要对刀具与夹头组合体进行平衡。最后，将刀具连同主轴一起进行平衡。但目前还没有统一的平衡标准，对ISO1940-1标准中的平衡质量G值为平衡标准也有不同的看法，有的企业以G1为标准(所谓G1，即刀具在10 00
14、0r/min回转时，回转轴与刀具中心轴线之间只允许相差1Lm)，有的以G215为标准。(3)高速切削刀具几何参数。高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。刀具几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响，一般高速切削刀具的前角平均比传统加工刀具小10b，后角约大5b8b。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃区切削刃的长度，提高刀具刚性和减少刀刃破损的概率。(4)高速切削刀柄系统。加工中心主轴与刀具的连接大多采用7B24锥度的单面夹紧刀柄系统，ISO、CAT、DIN、BT等都属此类。用在高速切削加工时，这类
15、系统出现了许多问题，主要表现为:刚性不足、ATC(自动换刀)的重复精度不稳定、受离心力作用的影响较大、刀柄锥度大，不利于快速换刀及机床的小型化。针对这些问题，为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应高速切削加工技术发展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄主要有两大类:一类是对现有7B24锥度刀柄进行的改进性设计，如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系统;另一类是采用新思路设计的1B10中空短锥刀柄系统，有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。4. 高速切削工艺高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高速加工和传统加工工艺有所不同，传统加工认为，高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程，而在高速加工中，高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。高速切削作为一种新的切削方式，目前尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的高速切削数据库，在高速加工的工艺参数优化方面，也还需要做大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足高速切削加工的要求，需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。目前，
