第二章 切削加工技术,§2-2 超高速加工技术,背景：20世纪50年代，MIT，NC 数控技术的出现使辅助工时大大节省，进一步提高效率只能从切削工时下手 20世纪80年代，计算机控制自动化生产技术的发展，辅助工时缩短，图4-1,§2-2 超高速加工技术,单件工序时间,（1）基本时间Tb：机床切削零件所需的时间，如钻削、铣削、镗削和磨削等切削过程所消耗的时间 （2）辅助时间Ta：包括工件上下料时间、刀具进退时间、改变切削形式的换刀时间、开动和停止机床的时间、改变加工规范的时间以及测量时间等3）技术服务时间Tc：包括更换用钝刀具的时间，生产过程中校正、调整设备/工具/夹具/模具的时间，润滑设备时间，加工中断续清理设备和夹具上的切屑及废料时间等，一般是将整个工作时段（如每班）的这些时间累积起来再分摊到每个被加工零件上 （4）组织服务时间Tg：包括班前班后领、换及收拾工（刀）具的时间，检查及试运行设备时间，增添更换切削液及下班前打扫工件场地、清理设备的时间等这项时间也是在一个工作班次中累计后再分摊 （5）生理需要与休息时间Tn，该时间也需在一个班次累计后再分摊单件工序时间是上述各时间之和，即：T0=Tb+Ta+Tc+Tg+Tn。
在计算实际单件工序时间时，为了简化计算，往往把需要分摊到每个零件的Tc、Tg和Tn用占基本时间和辅助时间之和的百分比（β）来计算，即：T0=（Tb+Ta）（1+β）,提高加工工序生产效率，就应设法缩短单件工序时间,提高加工工序生产效率途径,缩短基本时间,1、缩短纯切削时间； 2、采用多刀对不同表面同时进行加工；,1、采用高速高效切削，缩短切削时间,缩短切削时间，就要提高单位时间内材料的切除量Q，它与切削三要素都有关系，且最活跃、影响最大的要素是切削速度，这就是为什么把采用高速切削作为提高切削效率重要途径的原因2、采用多刀加工缩短基本时间,采用多刀同时对不同表面进行加工组合机床及自动线至今仍是生产效率最高的一种加工方式，其原因之一就是采用了多面多刀对零件的多个表面同时进行加工的缘故缩短辅助时间,1. 机床采用回转式、往复式工作台，一个工位进行切削加工的同时，另一个工位同时进行零件装卸 2. 提高机床的快速移动速度和回转速度现代数控加工中心越来越多地采用直线电机，X、Y、Z轴的移动速度都在60m/min以上，不少设备已超过100m/min，而加速度一般在1g左右，高档加工中心已达1.5～2.0g，甚至更高。
3. 采用各种快换刀柄及换刀机械手实现快速换刀HSK快换刀柄的广泛应用不但提高了高速加工中刀具的安装精度，而且它与快速换刀机械手配合，可使加工中心的换刀时间缩短到1～2s 4. 采用机外调刀、机上自动对刀等装置，缩短用钝刀具更换的调刀时间同时具有钻孔、镗削和倒角的复合刀具,5. 采用复合刀具，如复合钻扩刀、复合钻铰刀、组合镗刀和复合扩铰刀等，使零件在一次装夹、一次换刀中完成多个加工表面的或同一加工表面的不同加工内容6、各种多主轴、多刀架不同工艺和工序组合,一个工件在一台机床一次装夹中就能完成车、铣、钻、铰、攻丝、磨削以及镗等多种工艺，甚至可以完成一个工件的全部加工内容，减少了工件上下料和多次装夹的时间工作中的五轴联动加工中心,7. 采用液压、气动快速夹紧的夹具，采用各种加工过程中自动检测的量仪，缩短装夹及测量等辅助性时间 8. 采用各种形式的自动、半自动上下料装置及机械手9、合理安排刀具换刀时间：休息时；刀具寿命与所确定的换刀时间相同或为它的倍数；,10、采用标准的刀柄；,11、配备排屑装置和防护装置，实现冷却液集中供排，切屑集中收集100,80,40,传统制造,CNC制造,CIM制造,HSM,制造费用,准备工时,辅助工时,切削工时,,,,75,50,42,30,60,45,,,,30,25,18,,,,20,15,8,不同年代切削加工的制造时间及费用变化,§2.2.1 概述,内涵和范围： 内涵：超高速加工技术是指采用超硬刀具和磨具，利用能可靠的实现高速运动的高精度，高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。
范围：工件材料、加工方式不同，范围不同，原则：在保证精度和质量的前提下，将通常切削速度的加工时间减少90%，同时加工费用减少50%,不同加工工艺的切削速度范围,不同材料的切削速度范围,§2.2.1 超高速加工的机制,萨洛蒙曲线：20世纪30年代，萨洛蒙创造性的预言了超越Taylor方程式的非切削区域的存在图4-2，图4-3 高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl．J．Salomon提出的，他指出：在常规切削速度范围内（见图中A区），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，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值vε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围，在该速度范围内（见图中B区），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，称该区为“死谷”v1,v2,T,Tmax,,塑性波临界冲击速度： 1950年，T.Vonkarman和P.Ouwez：在切削速度增大到接近或超过被切削材料的塑性变形应力波速度时，材料破坏机制可能出现根本性变化，不再产生塑性变形，直接脆性破坏§2.2.1 超高速加工的机制,美国，R.L.Vaughn,1952年，研究了切屑形成、切削力、刀具磨损、及切除率。
切屑：带状、片状、碎屑；切削力：上升-急剧下降；刀具磨损：减小95%； 美海军空军及Lockheed公司：缩短加工过程，大幅提高生产率，铣削力减小70%； 1979，美“先进加工研究计划”：刀具磨损主要取决于刀具导热性，铝合金的最佳切削速度在1500-4500m/min；,§2.2.1 超高速加工的机制,日本：20世纪60年代， 田中义信，利用来福枪实现200-700m/s的高速切削切屑形成是剪切作用的结果，剪切角急剧增大，变质层厚度降低50%； Y.Tanaka,切削热绝大部分被切屑带走； 贵志浩三，切削速度塑性波速度时，表层残余应力及塑性区深度减少90%~95%和85%~90% 德国：研究了机床，刀具，控制系统等相关工艺技术；对高速切削的成屑机制也进行了研究§2.2.1 超高速加工的机制,总结： 切屑研究：连续：高导热性低硬度合金或金属；断续：低导热性，密排六方多晶结构，高硬度材料 切削力降低原因：软化；切削能量达到平衡点；变形速度临界值； 切削温度降低原因：切削热来不及传递到工件和刀具被切屑带走；,§2.2.1 超高速加工的机制,高速磨削： 20世纪30年代，A.Bomemann 对各种磨削速度的磨削结果做了实验研究； 20世纪60年代，日本京都大学冈村键二郎提出高速磨削理论，90m/s； 德国阿亨大学H.Opitz：进行深入研究：高速磨削磨削力小，砂轮磨损小，表面粗糙度好效率高； 1979年，德国P.G.Wemer，预言了高效深磨区的存在，并研究表明：只要磨削条件适当，即使在高速和大切除率的深磨情况下，工件表面温度也可控制在200-400℃，由此提出高效深磨的概念。
§2.2.2 超高速加工技术的现状与发展,超高速切削技术现状与发展 机床：美国（Vought）沃特公司，超高速铣床，内装式电机主轴，最高转速达到20000r/min；功率15KW 德国：（Darmstadt）达姆施塔特工业大学生产工程与机床研究所，由单一的超高速铣床发展成超高速车铣床，钻铣床，加工中心； 瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速加工机床； 由于超高速加工技术的发展，带动了相关技术及关键部件的发展，如主轴部件，进给系统，驱动装置，辅助附件及切削磨削工具等；,§2.2.2 超高速加工技术的现状与发展,单元技术： 主轴转速：8000-10000r/min， 滚珠丝杠进给系统：快进40-60m/min，工进：30m/min，加速度：1g，定位精度20-25微米； 直线电机进给系统：快进160m/min，加速度：2.5g，定位精度0.05-0.5微米； 刀具换刀时间1s，切削换刀时间2.4s，托盘交换时间10s,§2.2.2 超高速加工技术的现状与发展,我国：大功率高速主轴，高加速度直线电机，陶瓷轴承等方面做了一些研究，主轴转速尚未突破20000r/min，快速进给速度30m/min，与国外差距较大； 超高速加工发展趋势：21世纪可加工材料品种多，形状类型多，由毛坯一次成形，实现精密超精密加工，复合加工中心或柔性制造技术的发展趋势，即高效高速化、适用廉价化，多功能复合化,§2.2.3 超高速加工技术的优越性,超高速切削技术的优越性： 效率高：比常规加工切削速度：5-10倍，进给速度：5-10倍，材料切除率：3-6倍，工时：1/3； 切削力小：降低30%，刀具寿命提高70%，薄壁工件变形小； 热变形小：95%以上切削热被切屑带走，适合加工容易发生热变形的材料；,§2.2.3 超高速加工技术的优越性,精度高，质量好：切削力、切削热小，变形小，尺寸形状精度好，表面残余应力小，表面质量好； 加工过程稳定：激振频率远高于固有频率； 减少工序：可作为最后一道精加工工序，实现高精度，低粗糙度加工； 良好的技术经济效益：缩短工时、提高效率、精度高、质量好、刀具耐用度及机床利用率高；,§2.2.3 超高速加工技术的优越性,超高速磨削技术的优越性： 提高效率：200m/s：80m/s,提高150%；340m/s：180m/s,提高200%，表4-3 磨削力小，精度高：200m/s ：80m/s,时磨削力减小50%； 低表面粗糙度：33m/s,Ra2.0；100m/s,Ra1.4；200m/s,Ra1.1；,§2.2.3 超高速加工技术的优越性,大幅延长砂轮寿命，自动化易于实现：磨削力不变：200m/s ：80m/s,砂轮寿命提高1倍，在磨削效率不变时，砂轮寿命提高7.8倍；磨削速度由30m/s ：160m/s,砂轮磨削比900：5100 改善表面完整性：越过磨削烧伤区，大磨削用量磨削反而不产生烧伤；,§2.2.4 超高速加工技术的应用,切削： 航空航天工业：大型整体结构件，薄壁类零件，微孔槽类零件，叶轮叶片等；飞机大梁，肋板，舵机壳体，雷达组件，热敏感组件，钛和钛合金，铝或镁合金； 美波音公司：气动减速板：以前500多零部件装配，三个月交货；现在在铝合金毛坯上高速铣削，交货期缩短为几天；,§2.2.4 超高速加工技术的应用,英国EHV公司：铝合金整体叶轮：单个叶片精度5μm，整体精度：20μm 美惠普公司与以色列叶片技术公司：钛合金涡轮叶片：7min粗加工，7min精加工 瑞士米克朗公司：薄壁件，微孔件，叶轮：普通加工中心：35min,HSM400U,10min,§2.2.4 超高速加工技术的应用,汽车工业：铸铁，钢类零件，伺服阀，泵和电机壳体，电机转子，汽缸体，模具等； 福特公司与（ Ingersoll）英格索尔公司：HVM800卧式加工中心：福特汽车生产线； 汽车零件铸模、内饰件注塑模,§2.2.4 超高速加工技术的应用,工模具工业：淬硬后加工，提高效率，节省工序，提高寿命； PCBN刀具高速精加工，工时减少一半多，模具曲面面型精度高，表面粗糙度小； 瑞士米克朗，XSM400高速加工中心：主轴转速：60000r/min，快进速度40m/min和80m/min，加速度1.7g，2.5g,加工铝合金、铜合金、塑料和硬度HRC62的淬硬钢；,§2.2.4 超高速加工技术的应用,德国Droop公司，FOG2500铣床：主轴转速：10000-40000r/min，用于汽车车身冲压模具和塑料模具加工，精度达50μm； 欧洲及日本：汽车行业开始使用高速加工中心实现精加工,§2.2.4 超高速加工技术的应用,难加工材料：以车代磨； 加工硬金属材料：HRC55-62，精度：IT5-IT6级，表面粗糙度Ra0.2-1μm，,§2.2.4 超高速加工技术的应用,超精密微。