1、超高速加工技术超高速加工技术 技术概述 研究内容 技术应用 发展趋势 加工刀具超高速加工技术的概述超高速加工技术的概述 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。代加工技术。超高速加工技术主要包括：超高速加工技术主要包括：超高速切削超高速切削与与磨削机理磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技
2、术，超高速加工在线自刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等动检测与控制技术等。超高速切削概述超高速切削概述 超高速切削（超高速切削（Super High-speed CuttingSuper High-speed Cutting）:1.超高速切削的速度范围切削各种材料的切速范围为：切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过铝合金已超过1600m/min1600m/min 铸铁为铸铁为1500m/min1500m/min 超耐热镍合金达超耐热镍合金达300m/min300m/min 钛合金达钛合金达1501000m/min1501000m/min 纤维增强塑料为纤维增强塑料为2000
3、9000m/min20009000m/min各种切削工艺的切速范围为：各种切削工艺的切速范围为：车削车削7007000m/min7007000m/min，铣削铣削3006000m/min3006000m/min，钻削钻削 2001100m/min 2001100m/min 磨削磨削250m/s250m/s1.超高速切削原理 在机械加工中,切 削温度是一个重要的制约参数。根据德国著名切削物学家萨洛蒙的超高速切削理论,钢材的切削速度与切削温度可用萨洛蒙曲线来表示(参见图),曲线表明切削速度和切削温度不是呈线性的。超高速加工技术研究内容 图图1萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线图2切削速度与摩擦系数关系3.3.高
4、速加工的特点高速加工的特点切削力低切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；，可高质量地加工出薄壁零件；材料切除率高材料切除率高 单位时间内切除率可提高单位时间内切除率可提高3-5倍；倍；图图 3 3 加工零件加工零件 高精度高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率，切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小；加工平稳、振动小；减少工序减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过一次过”技术技术（One pass machining）。）。A为
5、高速切削加工时的热传导过程为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程为传统加工的热传导过程 图图4 热传导对比图热传导对比图 热变形小热变形小 温升不超过温升不超过3C，90%切削热被切屑带走；切削热被切屑带走；超高速加工技术的发展趋势超高速加工技术的发展趋势 图 HSM600U型数控五轴高速加工中心型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：主轴功率：13 KW 进给速度：最高进给速度：最高40 m/min 定位精度：定位精度：0.008 mm 重复定位精度：重复定位精度：0.005mm HSM400加
6、工极高表面光洁度的硬钢加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件、铝、铜、塑料工件 HSM800HSM600 瑞士瑞士 GF GF阿奇夏米尔阿奇夏米尔MIKRON HSM 400U LP MIKRON HSM 400U LP 超精密高速铣削加工中心超精密高速铣削加工中心超高速加工技术的应用1.1.航空工业航空工业 飞机制造通常需要切削加工长铝合金零件、薄层腹飞机制造通常需要切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不在采用铆接工板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不在采用铆接工艺，从而降低飞机重量。艺，从而降低飞机重量。飞机中多数零件是从从原材料中切除飞机中多数
7、零件是从从原材料中切除80%-90%80%-90%的多的多余材料而成，即所谓的余材料而成，即所谓的“整体制造法整体制造法”、在整体上掏空加、在整体上掏空加工形成多筋薄壁构件，其金属切削量是相当的大，这正是工形成多筋薄壁构件，其金属切削量是相当的大，这正是高速切削的永无之地。采用高速加工。可使加工效率提高高速切削的永无之地。采用高速加工。可使加工效率提高7-107-10倍，其尺寸精度和表面质量都达到无需再光整加工过倍，其尺寸精度和表面质量都达到无需再光整加工过的水平。的水平。图5 铝合金整体零件：u 整体零件“掏空”，切除量大u 零件有薄壁，要求小 切削力u 小直径刀具u 较长的刀具悬伸图6 高
8、速铣削典型工件2.2.模具制造模具制造 当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可省去后续的电加工和手工研磨等程序。可省去后续的电加工和手工研磨等程序。3.3.汽车制造汽车制造 汽车的发动机的箱体、气缸盖大多采用组合机床汽车的发动机的箱体、气缸盖大多采用组合机床加工。国外的汽车工业以及上海大众、上海通用公司，加工。国外的汽车工业以及上海大众、上海通用公司，对技术要求变化较快的汽车零件，如汽缸盖的气门数对技术要求变化较快的汽车零件，如汽缸盖的气门数目及参数经常变
9、化，现一律采用高速加工中心来加工。目及参数经常变化，现一律采用高速加工中心来加工。高速加工中心将柔性生产线的效率提高到组合机床生高速加工中心将柔性生产线的效率提高到组合机床生产线的水平。产线的水平。图7 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值与最终尺寸差值/mm加工时间加工时间 100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削高速切削少量手工精修少量手工精修b）高速模具加工的过程）高速模具加工的过程图8 两种模具加工过程比较1硬化毛坯硬化毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4精铣精铣 5手工磨修手工磨修 a）传统模具加工的过程）传统模具加工的过程
10、1毛坯毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4热处理热处理 5电火花加工电火花加工6精铣精铣 7手工磨修手工磨修 电极制造4.4.难加工材料的加工难加工材料的加工 镍基高温合金和钛合金常用来制造发动机零镍基高温合金和钛合金常用来制造发动机零件，因为他们很难加工，一般采用很低的切削速件，因为他们很难加工，一般采用很低的切削速度。如采用高速与超高速加工，则可大幅的提高度。如采用高速与超高速加工，则可大幅的提高生产率，减小刀具磨损，提高零件的表面质量。生产率，减小刀具磨损，提高零件的表面质量。纤维增强复合材料切削时对刀具有十分严重的刻纤维增强复合材料切削时对刀具有十分严重的刻画作用，刀具磨损非常快。用聚
11、晶金刚石刀具进画作用，刀具磨损非常快。用聚晶金刚石刀具进行高速加工，收到满意的效果，不仅防止出现行高速加工，收到满意的效果，不仅防止出现“层间剥离层间剥离”，而且效果好、质量好。，而且效果好、质量好。超高速加工刀夹及刀具的选用1 1 高速主轴的刀夹高速主轴的刀夹 超高速加工要求确保高速下主轴与刀具连结状超高速加工要求确保高速下主轴与刀具连结状 态不态不能发生变化能发生变化,并且对动态平衡要求非常高并且对动态平衡要求非常高,不仅要求不仅要求主主 轴要有精轴要有精 密的动平衡密的动平衡,而且刀而且刀 具装夹具装夹 机构机构 也需也需精精 密动密动 平衡。在平衡。在 超高超高 速加工时速加工时,由于
12、离心力的作由于离心力的作用用,主轴与刀具结合部主轴与刀具结合部 位的锥孔位的锥孔 会产生扩展效应会产生扩展效应,不仅会影响刀具和主轴的不仅会影响刀具和主轴的 连接刚度连接刚度,严重时还会飞出严重时还会飞出伤人。国外在这方面做了大量的研究开发工作伤人。国外在这方面做了大量的研究开发工作,推出推出了了几种方案几种方案。KelchKelch公司提供的收缩夹紧系统，收缩夹紧公司提供的收缩夹紧系统，收缩夹紧包括加热刀包括加热刀 夹夹 Sohun kSohun k公司生产的公司生产的TribosTribos动力收缩系统动力收缩系统 德国开发的德国开发的HSKHSK刀夹刀夹 美国肯纳公司开发的美国肯纳公司开
13、发的KMKM系统系统 日本开发的日本开发的BigPlusBigPlus刀具夹紧系统刀具夹紧系统2.2.高速加工常用的刀具材料高速加工常用的刀具材料 高速切削加工要求材料与被加工材料的化学高速切削加工要求材料与被加工材料的化学 亲合力要小亲合力要小,并且具有优异的机械性能、热稳定性、并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨抗冲击性和耐磨 性。目前高速切削中刀具材料有性。目前高速切削中刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氧化硼单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氧化硼(CBN)(CBN)、聚晶金刚石等、聚晶金刚石等 。(1)(1)涂层硬质合金刀具涂层硬质合金刀具 (2)(2)金属陶瓷
14、和涂层金属陶瓷金属陶瓷和涂层金属陶瓷(4)(4)超硬材料立方氮化硼超硬材料立方氮化硼 (5)(5)超硬材料金刚石超硬材料金刚石 超高速加工技术是先进的加工技术，不仅涉及到超高速加工技术是先进的加工技术，不仅涉及到高速加工工艺，而且还包括高速加工机高速加工工艺，而且还包括高速加工机 床、数控床、数控系统、高速切削刀具及系统、高速切削刀具及CADCADCAMCAM技术等。超高速技术等。超高速加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍加工技术目前已在发达国家的模具制造业中普遍应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提应用，而在我国的应用范围及应用水平仍有待提高，大力发展和推广应用模具高速加工技术，对高，大力发展和推广应用模具高速加工技术，对促进我国模具制造业整体技术水平的提高具有重促进我国模具制造业整体技术水平的提高具有重要意义。要意义。结束语
