1、先进制造技术第五章 高速切削一.高速切削的概念和基本原理 高速切削技术，是以比常规高数倍的切削速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。1931年德国物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术 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。他指出，在常规切削速度范围内，切削温度随着
2、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，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”。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术 Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切削温度/切削适应区非铁金属一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术1.高
3、速加工定义 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一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术 高速切削是个相对的概念，是相对常规切削而言。高速切削包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等。超高速加工的切削速度范围因不同的刀具材料、工件材料和切削方式而异，目前，高速切削的高速范围国内外专家尚无共识。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术 虽然由于实验
4、条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术高速加工各种材料的切削速度范围为：钢和铸铁及其合金500-1500m/min 铸铁最高达2000m/min钻削100200m/min，攻丝100m/min淬硬钢(3565HRC)100-400m/min铝及其合金达到2000-4000m/min，最高达7500m/min耐热合金达90-500m/min；钛合金达150-1000m/min一.高速切削的概念和基本原理先
5、进制造技术高速与超高速切削速度范围 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金2.高速加工的切削速度范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 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：300-6000 m/min 钻削：200-1100 m/min 磨削：50-300 m/s一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术3.高速切削的特点 随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，切削效率提高35倍。加工成本可降低20-40。在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上，
6、减少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，切削热大部分被切屑带走，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，传给工件的热量大幅度减少，工件整体温升较低，工件的热变形相对较小。因此，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度，适合于热敏感材料的加工。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术 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，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高12等级。高速切削可加工硬度HRC456
7、5的淬硬钢铁件，如高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术4.高速加工的应用 航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 汽车工业：采用高速数控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。模具制造：高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 仪器仪表：精密光学零件加工。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术 由于高速切削加工具有高生产效
8、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，已在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势，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也具有深远的意义。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术5.高速切削可加工的工件材料 高速切削加工的工件材料包括钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的加工，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工，甚至传统切削很
9、难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术6.高速切削的加工工艺方法 目前高速切削工艺主要在车削和铣削，各类高速切削机床的发展将使高速切削工艺范围进一步扩大，从粗加工到精加工，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、磨削等。随着市场竞争的进一步加剧，世界各国的制造业都将更加积极地应用高速切削技术完成高效高精度生产。一.高速切削的概念和基本原理先进制造技术工件材料基本结构高速主轴进给机构CNC控制冷却系统安全防护换刀装置温控系统刀刃形状刀体结构刀具材料装卸定位夹紧机床刀具工艺加工参数NC编程CAD/CAM加工表面完整
10、性刀具寿命切屑形成机理切削热切削力刀柄结构工件切削理论高速切削加工技术动平衡加工特征工艺优化稳定性数据库监控与测试技术二.高速切削加工研究体系先进制造技术 高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：高速加工刀具与磨具制造技术；高速主轴单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速加工在线检测与控制技术；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。二.高速切削加工研究体系先进制造技术三.高速切削加工关键技术1.高速主轴系统 高速主轴系
11、统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转速高达100000-150000rpm的加工中心。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1)要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(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。三.高速切削加工关键技术先进制造技术 高速主轴为满足上述性能要求，结构上几乎全
12、部是交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构，减少传动部件，具有更高的可靠性。高速主轴要求在极短时间内实现升降速。为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。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。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用，高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。三.高速切削加工关键技术先进制造技术2.快速进给系统 高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主
13、轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前切削进给速度一般为3060m/min，最高达120m/min，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。高速加工机床必须实现快速的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求，主要采用了如下措施：(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”现象可大大降低；先进制造技术三.高速切削加工关键技术(2)高速进给机构采用的是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
14、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，使伺服系统与CNC系统在A/D一D/A转换中不会有丢失或延迟现象。高速切削机床正开始采用全数字交流伺服电机和控制技术，保证了快进给速度的加工要求。先进制造技术三.高速切削加工关键技术(4)为了尽量减轻工作台重量但又不损失工作台的刚度，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、更高速的直线电机已经发展起来。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，进给速度为传统的45倍，采用直线电机驱动，具有单
15、位面积推力大、可产生高速运动以及机械结构不需维护等明显优点。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给速度和加速度一般比较小。目前，快速进给速度很难超过60m/min，工作进给速度通常低于40m/min，最高加速度很难突破1g。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 直线电机直接驱动的优点是：控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100180m/min；高加速度，由于结构简单、质量轻，
16、可实现的最大加速度高达210g 无限运动长度；定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.10.01m；起动推力大(可达12 000N)；由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳；有较大的静、动态刚度。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 直线电机直接驱动的缺点是：由于电磁铁热效应对机床结构有较大的热影响，需附设冷却系统；存在电磁场干扰，需设置挡切屑防护；有较大功率损失；缺少力转换环节，需增加工作台制动锁紧机构；由于磁性吸力作用，造成装配困难；系统价格较高。先进制造技术三.高速切削加工关键技术3.高速CNC控制系统 高速加工中心要求C
17、NC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（特别是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：一是单个程序段处理时间，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和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处理功能，此外，还可采用NURBS(非线性B样条)插补、回冲加速、平滑插补、钟型加减速等轮廓控制技术。高速切削加工CNC系统的功能特征包括：(1)加减预插补；(2)前馈控制；(3)精确矢量补偿；(4)最佳拐角减速度。先进制造技术三.高速切
18、削加工关键技术4.高速切削加工中的测试技术 高速切削加工是在密封的机床工作区间里进行的，在加工过程中，操作人员很难直接进行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控、实时地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术近年来在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。现在已经在机床上使用的有主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发射传感器、工件加工可视监视器等。先进制造技术三.高速切削加工关键技术5.
19、高速切削对刀具材料的要求 高可靠性：高速切削时速度和自动化程度高，要求刀具应具有很高的可靠性。并要求刀具的寿命高，质量一致性好，切削刃的重复精度高。如果刀具可靠性差，将会增加换刀时间，降低生产率。刀具可靠性差还将产生废品，损坏机床与设备，甚至造成人员伤亡。解决刀具可靠性问题，成为高速切削加工成功应用的关键技术之一。在选择高速切削刀具时，除需要考虑刀具材料的可靠性外，还应考虑刀具的结构和夹固的可靠性。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 刀具应具有很好的高的耐热性、抗热冲击性能和良好的高温力学性能。切削速度的增大，往往会导致切削温度的急剧升高。因此，要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如：高温强
20、度、高温硬度、高温韧性等。同时，还要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 刀具应具有很好的断屑、卷屑和排屑性能。切削塑性材料时切屑的折断与卷曲，常常是决定数控加工能否正常进行的重要因素。因此，刀具必须具有很好的断屑、卷屑和排屑性能。要求切屑不能缠绕在刀具或工件上、切屑不影响工件的已加工表面、不妨碍冷却浇注效果。一般都采取了一定的断屑措施(如：可靠的断屑槽型、断屑台和断屑器等)，以便可靠的断屑或卷屑。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 刀具材料应能适应难加工材料和新型材料加工的需要：随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各
21、种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多的被采用。它们中多数属于难加工材料，目前难加工材料已占工件的40以上。因此，高速切削加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。同时，由于可持续发展的要求，还要求高速切削时不污染环境。先进制造技术三.高速切削加工关键技术6.高速切削刀具材料 刀具材料对高速切削加工技术的发展具有决定性意义。目前已发展的刀具材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、TiCN基硬质合金刀具（金属陶瓷）、涂层刀具和和超细硬质合金刀具等。金刚石刀具主要用于高速加工铝、铜及其合金等有色金属和非金属材料以及钛和钛合金。立方氮化硼和陶瓷刀具主要适于高速加工铸铁及其合金和淬
22、硬钢以及镍基合金等高温合金。陶瓷刀具、TiCN基硬质合金刀具和涂层刀具等适于高速加工钢及其合金。超细晶粒硬质合金适于小尺寸整体刀具，高速加工孔、攻丝和齿轮，也可以较高速度加工钛及其合金和高温合金等超级合金。先进制造技术三.高速切削加工关键技术7.高速切削刀具结构 高速切削刀具结构主要有整体和镶齿两类。镶齿刀具主要采用机夹结构。高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体重量尽量轻以减少离心力，如铝合金刀体的金刚石面铣刀。高速回转刀具必须进行动平衡，以满足平衡品质的要求。先进制造技术三.高
23、速切削加工关键技术先进制造技术三.高速切削加工关键技术(1)高速切削加工刀具结构特点 高速切削对刀具系统的要求 高速回转刀具的结构特点 7:24锥度的工具系统 高速切削旋转刀具的刀柄结构HSK系统 先进制造技术三.高速切削加工关键技术(2)高速切削对刀具系统的要求 刀柄是高速切削加工的一个关键部件，它传递机床的动力和精度。刀柄一端是机床主轴，另一端是刀具。高速切削加工时既要保证加工精度，又要保证高的生产率，还要保证安全可靠。所以，高速切削刀具系统必须满足下列要求：很高的几何精度和装夹重复精度，很高的装夹刚度，高速运转时安全可靠。先进制造技术三.高速切削加工关键技术(3)高速回转刀具的结构特点
24、刀体材料：为了减轻所承受的离心力的作用，刀体材料的设计应减轻质量，选用比重小、强度高的刀体材料。如高强度铝合金刀体，碳素纤维增强塑料刀杆。刀体结构：刀体结构应尽量避免贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中，尽量减少机夹零件的数量。刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过刀具轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 刀具(片)的夹紧方式：要求刀体结构和刀片夹紧结构可靠。刀体与刀片之间的连接配合要封闭，刀片夹紧机构要有足够的夹紧力。可转位刀片应有中心螺钉孔，保证刀具精确定位和高速旋轴时的可靠。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致。刀
25、具的动平衡：用于高速切削的回转刀具必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940/1规定的平衡质量等级。先进制造技术三.高速切削加工关键技术(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7:24锥度的单面夹紧刀柄系统，ISO、CAT、DIN、BT等都属此类。存在以下问题：刚性不足：不能实现与主轴端面和内锥面同时定位。当拉力增大4-8倍时，联结的刚度可提高20-50，但是，过大的拉力在频繁换刀过程中会加速主轴内孔的磨损。高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大。因此，要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴
26、端的膨胀。ATC(自动换刀)的重复精度不稳定：每次自动换刀后刀具的径向尺寸可能发生变化。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 轴向尺寸不稳定：主轴高速转动时因受离心力的作用内孔会增大，使刀具轴向尺寸发生变化，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变。刀柄锥度较大，锥柄较长，不利于快速换刀及机床小型化。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。标准的7:24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70以上接触，因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 7:24锥度的工具系统(如：BT、
27、ISO等)先进制造技术三.高速切削加工关键技术 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7:24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1:10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。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 高速切削旋转刀具的刀柄结构HSK系统 HSK刀柄，它是由德国阿亨大学机床研究室专为高速机床主轴开发的，采用1:10的短锥结构，锥柄部分采
28、用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，具有一定的收缩，容易与主轴结合面紧贴接触，具有很高的连接精度和刚度。当主轴高速旋转时，能与主轴锥孔保持良好的接触，采用由内向外的锁紧方式，具有良好的精度！先进制造技术三.高速切削加工关键技术 HSK刀柄采用1:10的锥度，它以其端面及1:10锥度的空心锥套作双重定位，与7:24锥柄相比有如下优点：a.重量减少约50；b.重复使用时装夹和定位精度高；c.刚度高，并可传递大的力矩；d.装夹力随转速升高而增大。先进制造技术三.高速切削加工关键技术先进制造技术三.高速切削加工关键技术8.高速切削加工的安全防护与实时监控系统 高速切削加工的速度相当高，当主轴转速达400
29、00rpm时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就象出膛的子弹。因此，对高速切削加工引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲，高速切削加工的安全保障包括以下诸方面：机床操作者及机床周围现场人员的安全保障；避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤；识别和避免可能引起重大事故的工况。先进制造技术三.高速切削加工关键技术 在机床结构方面，机床设有安全保护墙和门窗。刀片，特别是抗弯强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由离心力作用下产生飞离倾向的保证外，还要作极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测以控制刀具磨损，机床功率监
30、测亦可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监测以判别切削参数与进给系统间关系；刀具破损监测；主轴轴承状况监测；电器控制系统过程稳定性监测等。先进制造技术三.高速切削加工关键技术9.高速切削刀具材料的合理选择 高速切削刀具有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC(N)基硬质合金、超细晶粒硬质合金等。高速加工用刀具材料必须根据所加工的工件和加工性质来选择，除需要满足技术要求外，还应满足经济性的要求。每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和一定的切削速度范围，所谓万能刀具是不存在的。每一品种的刀具材料都有其最佳加工对象，也即：存在切削刀具材料与加工对象的合理匹配问题。先进制造技术三.高速切削加工关键技术刀刀 具具 高硬高硬钢钢 耐热耐热合金合金钛合金钛合金 高温高温合金合金铸铁铸铁 纯钢纯钢 高硅高硅铝合金铝合金FRP复材料复材料PCD聚晶金刚石PCBN聚晶立方氮化硼 陶瓷刀具陶瓷刀具涂层硬涂层硬质合金质合金TiC(N)基合金基合金先进制造技术三.高速切削加工关键技术
