机械毕业设计（论文）-棒料切割机设计【全套图纸】.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘要连续铸造是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的铸件，连续不断地从结晶器的另一端拉出，它可获得任意长或特定的长度的铸件。铸棒切割机在连续的铸造中工作，实现对铸棒的准确定长切割。随着国内外机械行业的发展，对棒料切割机的要求越来越高，人们就将电器控制与棒料切割机有效的结合起来，研制了新型的棒料切割机。本论文设计了一种新型的自动控制切割机，它的工作是由PLC控制电磁阀，使电磁阀控制气缸，并由气缸驱动与其连接的部件，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。本设计拟定了棒料切割机的总体结构方案，进行了相关参数的计算；完成了切割部分、夹紧部分、纵横行走部分等结构的设计。这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、维修方便，生产率高等优点，具有广泛的应用前景。关键词：PLC；电磁阀；连续铸造；棒料切割；气动全套图纸，加153893706 ABSTRACT Continuous casting is an advanced method of casting, the principle is to melt the metal, constantly pouring into a mold known as a special type of metal, the solidification (crust) of the casting, continuous from the other side of mold out, it will be any particular length or the length of the casting. Casting rod cutting machine that works in the continuous casting can achieve the exact fixed-length cutting. With the development of the domestic machinery industry, the demand of the bar cutting machine is higher and higher, people will combine electrical control with bar cutting machine effectively. So a new type bar cutting machine is developed.A new automotive control cutting machine is designed in this paper, the principle is that the PLC controls solenoid valve, the solenoid valve controls cylinder and the cylinder drives its connecting parts to achieve accurate casting rods fixed-length cutting, it can return to initial position automatically after cutting. This design includes the overall structure design of bar cutting machine, the calculation of the relevant parameters, and the design of cutting, clamping, vertical and horizontal walking part. This cutting machine has a convenient control, stable performance, simple structure, regulation, maintenance convenience, high productivity, a wide range of applications.Keywords: PLC; Electromagnetic Valve; Continuous Casting; Bar Cutting; Pneumatic 38第1章 绪论 1.1 棒料切割机的设计目的和意义 随着国内外机械行业的发展，对棒料切割的要求越来越高 ，人们就将电器控制与棒料切割机有效的结合起来，研制了新型的棒料切割机。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量、提高生产效率改善劳动条件和产品快速更新换代起着十分重要的作用。机电一体化产品广泛应用各种加工业，切割技术也有了飞速的发展，手工切割已经适应不了现代工业发展的要求。同时，切割机的夹紧机构也有了迅速的发展，一些简单的机械手已经得到广泛的应用。简单的机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种也在不断的增加，应用领域也在不断的扩大。简单的机械手是一种仿人操作、自动控制、的机电一体化自动化生产设备。 目前，我国机械工业钢材使用量已达到3亿吨以上，钢材的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对板材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。因而棒料切割机的市场潜力还是很大、市场前景尤为乐观,棒料切割机的不断改进对社会的发展尤为重要。棒料切割机是一种既能有效的提高生产率，又在价格和使用方面能被广大用户所接受的一种新型的自动控制切割机。它解决了现有的棒料切割机的切割装置需要人类操作而且对物料定长切割时需要进行测量特效切割速度慢的技术问题，具有广泛的应用前景。棒线切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其预定功能。连续铸造是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的铸件，连续不断地从结晶器的另一端拉出，它可获得任意长或特定的长度的铸件。连续铸造在国内外已被广泛采用，例如连续铸锭（钢或有色金属锭），连续铸管等。连续铸造和普遍铸造法比较有下述优点：1 由于金属被迅速冷却，结晶致密，组织均匀，机械性能较好；2 连续铸造时，铸件上没有浇注系统的冒口，故连续铸锭在轧制时不用切头去尾，节约了金属，提高了收得率；3 简化了工序，免除造型及其它工序，因而减轻了劳动强度；所需生产面积也大为减少；4 连续铸造生产易于实现机械化和自动化，铸锭时还能实现连铸连轧，大大提高了生产效率。棒料切割机是一种既能有效的提高生产率，又在价格和使用方面能被广大用户所接受的一种新型的自动控制切割机。由PLC控制的气动铸棒切割机，其中融合了气压自动控制、机器人技术和PLC控制技术。PLC控制各个气动换向阀的电磁铁，由气缸驱动机械手完成顺序切割过程，实现了机械设计、电器控制和气动控制的有效结合。这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、维修方便，生产率高等优点，具有广泛的应用前景。1.2 棒料切割机的现状发展概况经过几十年的发展，各类型切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了长足的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种方式(砂轮、火焰、等离子、激光、高压水射流)切割方式；切割机的控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动；棒料切割机也已步入技术简单稳定高效率的智能化的时代。机电一体化产品广泛应用各种加工业，切割技术也有了飞速的发展，手工切割已经适应不了现代工业发展的要求。同时，切割机的夹紧机构也有了迅速的发展，一些简单的机械手已经得到广泛的应用。简单的机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种也在不断的增加，应用领域也在不断的扩大。简单的机械手是一种仿人操作、自动控制的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 目前，我国机械工业钢材使用量已达到3亿吨以上，钢材的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对板材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。因而棒料切割机的市场潜力还是很大、市场前景尤为乐观,棒料切割机的不断改进对社会的发展非常重要。棒料切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其预定功能。它解决了现有的棒料切割机的切割装置需要人力操作而且对物料定长切割时需要进行测量导致切割作业速度慢的技术问题。随着国内外机械行业的发展，对棒料切割机的要求越来越高，人们就将电器控制与棒料切割机有效的结合起来，研制了新型的棒料切割机。切割机应用各种加工业，切割技术也有了飞速的发展，手工切割已经适应不了现代工业发展的要求。同时，切割机的夹紧机构也有了迅速的发展，一些简单的机械手已经得到广泛的应用。简单的机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种也在不断的增加，应用领域也在不断的扩大。简单的机械手是一种仿人操作、自动控制的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用1.3 课题的设计内容棒料切割机主要由三个大的部分组成，即切割部分、夹紧部分和纵横行走部分。切割部分是由电极带动砂轮旋转，由气缸控制砂轮上下移动完成切割。夹紧部分主要采用了一个气动夹紧机械手，电磁阀控制气缸活塞的伸缩来实现夹紧和放松。纵横行走部分是由气缸控制纵向、横向行走板，使之沿直线导轨前进或返回。它的工作是由PLC控制电磁阀，使电磁阀控制气缸，并由气缸驱动与其连接的部件，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。本设计拟定了棒料切割机的总体结构方案，进行了相关参数的计算；完成了切割部分、夹紧部分、纵横行走部分等结构的设计。我设计的棒料切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其预定功能。它解决了现有的棒料切割机的切割装置需要人力操作而且对物料定长切割时需要进行测量导致切割作业速度慢的技术问题。本棒料切割机包括电机、通过传动机构与电机相连接的砂轮片，传动机构与推动机构相联接，推动机构由控制电路控制，夹紧机械手与砂轮片的距离固定，切割机切割下棒料的长度也就确定了。本棒料切割机的切割装置对棒料能够实现连续、定长切割，具有不需要人力操作，节省劳动力的特点。与一般的切割机相比，这种切割机有以下优点：一、实现了机械工程和自动控制的有效结合，机械部分采用机械优化设计，整个设计过程中都进行了综合技术比较与经济评价，实现了预定的功能。二、整个运动过程都采用了气压传动控制，与液压传动相比，气压传动有无介质费用、处理方便、无泄露污染、无介质变质等优点。 三、在设计过程中，纵横行走装置采用了直线导轨，既提高了运动系统的运动精度，又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。四、整个切割过程都由PCL控制，以其结构简单合理、设备性能良好、使用寿命长、安全系数高等因素，满足了自动化大批量的生产要求。本棒料切割机包括电机、通过传动机构与电机相连接的砂轮片，传动机构与推动机构相联接，推动机构由控制电路控制，夹紧机械手与砂轮片的距离固定，切割机切割下棒料的长度也就确定了。棒料切割机是针对铸铁在连续铸造过程中的切割而采用的一种专门的切割机。连续铸造过程主要由保温炉、牵棒机、切割机和压断机组成，在工作过程中拉棒机能从保温炉中同时拉出两条铸铁棒。题目要求切割机在连续铸造过程中工作，并根据定长信号分别切割两条连续的铸铁棒，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置，其切口深度为35mm。再由压断机进行压断。整个切割过程都由自动控制实现第2章 切割部分设计2.1 切割部分设计要求项目要求切割机能够根据定长信号分别切割两条连续的铸铁棒，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。其切口深度为35mm。再由压断机进行压断。2.2 切割部分方案设计切割部分主要有砂轮、电动机和传动机构组成。现在在切割部分有两种可行的方案：第一，电动机通过带传动带动砂轮片转动。第二，电动机通过圆锥齿轮传动带动砂轮片转动。考虑到切割过程中电动机带动砂轮高速旋转，所以优先选取第一种方案，因为圆锥齿轮传动不宜应用在转速太高的场合，而且运用齿轮传动时，还要考虑到这样消除震动和怎样润滑齿轮，这样就增加了设计成本。 图2.1 切割部分原理图 切割部分的原理如图2.1所示，电动机带动砂轮片高速旋转，电机与工作台之间采用铰支撑，气缸1可推动砂轮片上下移动，完成切割。气缸2可推动工作台横向移动，控制切割的长度。气缸3可使工作台纵向移动，使砂轮片能分别切割两根铸棒。其中电动机和气缸都通过电磁阀由PLC机控制，从而实现其动作。2.3 切割部分结构设计2.3.1 砂轮片的选取经过调研，切断能力为50 的砂轮片，其规格为mm，所需电机的最小功率为kW，转速为=2840 r/min, 砂轮片的最大线速度为70m/s。最终选取砂轮片的型号为TL-001型，其磨料为棕刚玉，粒度为20#。2.3.2 电机的选取 根据砂轮片的要求，现选用比较常用的Y系列三相异步电动机，这是由于Y系列三相异步电动机的功率等级和安装尺寸与国外同类型的先进产品相当，因而具有与国外同类型产品之间良好的互换性，供配套出口及引进设备替换。选取功率为3.0KW，满载时的转速为2870r/min。额定电流6.39A，功率因数0.87，效率82%，额定转矩2.3。2.3.3 带传动设计1 确定计算功率由参考文献14第153页表8.9查得工作情况系数=1.2（电机带动砂轮切割铁棒，载荷性质为载荷变动较大），则功率为 2 初选带的型号根据和，由参考文献14书中第154页图8.12初选A型普通V带。3 确定带轮的基准直径和1）由参考文献14第145页表8.4查得A型=75mm,考虑到带轮太小，其弯曲应力过大，所以要使，取=1502）验算带的速度 m/s 因为 5m/s 22.6m/s ，所以应该按计算 （球轴承应取）则所需轴承的额定动载荷为 （2.8） （6）确定轴承型号由参考文献7查得轴径时，应选轴承的代号为7207ACJ，其额定动载荷为=故选用代号为7207ACJ的轴承合适。2.4 本章小结本章我们主要设计的是切割部分，其中主要包括砂轮片的选择、电机的选择、砂轮片传动方式的选择和优化、电机和砂轮的安装、气缸力的计算及其参数选择计算，通过计算我们选定了电动机通过带传动带动砂轮片进行切割的计算。第3章 夹紧部分设计和纵横行走部分设计3.1 夹紧部分设计要求 夹紧机构不但在切割之前机械手抓能够根据事先收到的信号准确地运动到每个工位，而且在切割过程中要夹紧运动着的铸铁棒，使砂轮与铸棒同步。3.2 夹紧部分方案设计 夹紧部分是由气缸推动机械手实现夹紧和放松的。这部分的两种可行性方案是：一是用一个机械手分别负责夹紧两根铸棒，根据需要对被切割的那条进行夹紧。二是用两个机械手，每个机械手负责夹紧一根铸棒。第一种方案中，机械手可通过一个二位气缸和一个三位气缸实现对铸棒的夹紧。第二种方案中，每个机械手都需要两个二位气缸来实现对铸棒的夹紧。考虑到第一种方案设计工作量小，安装方便，而且控制简单，所以优先使用第一种方案。图3.1 夹紧部分原理图夹紧部分原理如图3.1所示，夹紧气缸能使夹紧机械手夹紧或放松工件，当活塞向右移动时，机械手夹紧工件；当活塞向左移动时，机械手放松工件。横向行走气缸推动工作台左右移动，能控制机械手使之夹紧左边或右边的工件，从而对夹紧的工件进行切割。纵向行走气缸的作用是当完成一次切割过程完成时，推动工作台使之恢复到初始位置。整个工作过程都由PLC控制实现。3.3 纵横行走部分设计要求纵横行走装置主要是为了配合切割装置和夹紧装置，使砂轮片和夹紧机械手能够在走刀过程中横向移动，迅速准确地达到工作位，在切割过程中能够随着铸棒纵向移动，切完后在返回初始位置。3.4 纵横行走部分方案设计 纵横行走装置主要是为了实现切割机砂轮片的纵向和横向移动，使之完成切割动作。为了设计和制造方便，在方案设计中纵、横行走装置的原理大致相同，即采用结构简单而又便于控制的气压传动方式，气缸带动纵向行走板或横向行走板在导轨上滑动。在设计过程中，考虑到能量的损耗程度，纵横行走装置采用了直线导轨，既提高了运动系统的运动精度，又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。3.5 纵横行走部分直线导轨的选择计算 3.5.1选定条件1 载荷 根据粗略计算，导轨上横向行走部分的总重量为 所以 2 行程 根据设计结构的要求，选定行程 3 往复次数 （次/分）4 寿命要求 假设机器寿命为5年，则导轨寿命为 小时（H）假设安装4个滑块，要计算一个滑块的负载，可用下式 同时由于两个滑块装在一个导轨上，因此接触系数。3.5.2选择方式1 根据静态安全系数选型号 （4.1）其中 静态安全系数 载荷系数 （在无外部冲击或振动、低速时取1.5） 基本额定静载荷 冲击载荷现设静态安全系数则有 （4.2） 在正常运行时一般选取安全系数为5，根据上述情况，选取SBG35FL（）的导轨比较理想。2 根据寿命要求选型号根据标准寿命计算公式 若使用17500小时，则总的移动距离为： （4.3）其中 温度系数 （由手册查得当导轨的工作温度小于100时，其温度系数取1.0） 硬度系数 （为了使直线运动系统达到最佳承载能力，需要保持导轨的硬度在HRC58-62，由手册查得为1.0） 基本动载荷所以 解得 因此，选取SGB45FL（）3 复查理论上选取SGB35FL或上一级似乎比较恰当，但考虑到标准寿命，选择SGB45FL更理想。3.6 本章小结夹紧装置部分通过大量资料的记叙，综合实际情况，通过机械手的夹紧方案选定了一个机械手同时负责夹紧两根棒料的设计方案，这种方案工作量小安装方便，控制简单。纵横行走装置是为了使砂轮片和夹紧机械手能够在走刀过程中横向移动，迅速准确地达到工作位，在切割过程中能够随着铸棒纵向移动，切完后在返回初始位置的目的，我们选用了直线导轨和便于控制的气压传动方式。第4章 电气控制线路的设计4.1 电气控制线路设计的一般要求 电气控制线路的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的，是传动形式与控制方案的具体化。 电气控制线路根据用途的不同可能会有其特殊的要求，设计所需要遵循的一般要求是：1） 应满足机电设备对电气控制线路的要求，按照工艺要求准确、可靠地工作。2）在满足生产要求的前提下，应力求使控制线路简单、经济，尽量选用经过实际考验过的线路。 3）保证控制的安全、可靠，具有必要的保护装置和连锁环节，误操作时不至于发生重大事故。4）尽量便于操作和维修。4.2 电气控制线路的设计方法电气控制线路的控制方法有两种：一种是经验设计法，另一种是逻辑设计法。1 经验设计法经验设计法先从满足生产工艺的要求出发，按照电动机的控制方法，利用各种基本的控制环节和控制方法，借鉴典型的控制线路，把它们综合地组合成一个整体满足生产需要。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉控制线路，掌握多种典型线路的设计资料，同时具有丰富的设计经验。另外，初步设计出来的控制线路可能有几种，这时要加以比较分析，反复地修改简化，甚至要通过实验加以验证，才能确定比较合理的设计方案。 2 逻辑设计法逻辑设计法是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数方法这一数学工具来分析、化简、设计线路的。逻辑设计法设计的线路结构比较合理，所用元件的数量较少，得到的设计方案是最佳的。但是当设计的控制系统比较复杂时，这种方法就显得比较烦琐，工作量很大，而且容易出错。4.3 气动原理图设计 根据切割机的机构原理，绘制的机构简图如图6.1所示，其中ST0-ST9为控制气缸的行程开关。(1)(2) 图6.1 切割机机构简图4.3.1 气动原理图 图6.2 气动原理图4.3.2控制流程图图6.3 控制流程图4.4本章小结通过切割机机构简图、气动原理图、控制流程图更清晰的理解棒料切割机的工作原理。结论本次设计的题目是“棒料切割机设计”。棒料切割机是针对铸铁在连续铸造过程中的切割而采用的一种专门的切割机。连续铸造过程主要由保温炉、牵棒机、切割机和压断机组成，在工作过程中拉棒机能从保温炉中同时拉出两条铸铁棒。题目要求切割机在连续铸造过程中工作，并根据定长信号分别切割两条连续的铸铁棒，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置，其切口深度为35mm。再由压断机进行压断。整个切割过程都由自动控制实现。此次设计主要包括砂轮片的选择、电机的选择、砂轮片传动方式的选择和优化、电机和砂轮的安装、各个气缸力的计算及其参数选择计算、滑动导轨的设计以及其他部分和整体结构的设计。最后完成总装图、部件图和零件图。整个机器由PLC控制各个气动换向阀的电磁铁，由气缸驱动完成顺序切割动作过程。而随动工作台的随动前进速度也可以通过夹紧机械手夹紧铸棒使之与铸棒速度同步。横向切割时的切割速度可以通过气缸来调节。铸棒切割机在连续的铸造中工作，它的工作是由PLC控制电磁阀，使电磁阀控制气缸，并由气缸驱动与其连接的部件，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。一个切割机分别切割两条铸棒，其切口深度为35mm，然后由压断机进行压断。参考文献1徐灏.机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，2009.2Shigley J E, Uicher J J.Theory of machines and mechanismsJ. NewYork:McGraw-Hill Book Company,2010.3蔡春源. 简明机械零件手册M. 北京：冶金工业出版社，2008.3.4王德玺，裴垠欣.机械设计M. 北京：煤炭工业出版社，2007.5唐克中，朱同钧.画法几何及工程制图M.北京：高等教育出版社，2012.8.6范永胜，王岷.电气控制与PLC应用M.北京：中国电力出版社，2011.7陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计M.上海：上海科学技术文献出版社， 2008.8Nikravesh PE. Computer-aided analysis of mechanical systemsJ. NewYork:Prentice-Hall Inc,2003.9殷玉枫，苗淑杰.机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社，2012.6.10周军，海心.气动控制及PLCM. 北京：机械工业出版社，2011.8.11朱善君等.可编程序控制系统M. 北京：清华大学出版社，2012.12孙桓，陈作模. 机械原理M. 第五版.北京：高等教育出版社，2011.13马秋生，杨建伟，王宁侠.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2010.12.14明仁雄，万会雄.液压与气压传动M. 北京：国防工业出版社，2009.15崔铁庆.节能环保型切割机的研究与设计D.河北：河北农业大学，2011.16吴元修.可编程控制系统设计与实训M. 北京：北京师范大学出版社， 2011.6.1.17白柳.液压与气压传动M.北京：机械工业出版社，2009.08.18崔铁庆,孙维连,王会强,孙铂,邢艳秋.农机金相切割机的设计与研究J.农机 化研究.2011（4）：58-68.19Emily W.Ellis. Adjustable cuttion machine.NewYork，2009.06.20Kai Yang.jiangsu(CN); Kenji Abe.Anjo-shi(JP). Cuttion. machine,2009.05.21任意，石小英，曾胜.全自动型材切割机设计与实现J.电机与控制应用，2008.22康文明,张洪润,王军莉.浅谈数控切割机在制造工业中的应用J. 中国科技 产业, 2009.致谢厉经几个月时间的努力，我顺利完成了毕业设计的全部内容。通过这次设计，我对并对本专业有了较深刻的认识和理解，同时学到了更多的关于机械方面的经验知识以及电气控制方面的 相关知识。此次毕业设计是对我大学四年学习的归纳和总结，对我今后的学习和工作有重要的指导意义和实践意义。当然我之所以顺利完成毕业设计主要因为指导老师的屡不厌烦的教导。我将特别感谢我的导师付彦虹老师，她治学严谨，知识渊博，经验丰富，不但给我悉心指导，还带领我参观调研，使我更加体会到了一个令人尊敬的老师对学生无微不至的关怀，也赋予了我进一步努力、不断进取的热情。请许我再次向付彦虹老师表示诚挚的谢意，感谢各位老师批评斧正。并祝各位老师身体健康，工作顺利！附录高速切削加工的发展及需求高速切削加工是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有高效率、高精度及高表面质量等特征。本文介绍此技术的定义、发展现状、适用领域以及中国的需求情况。高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。高速切削加工的优点主要在于：提高生产效率、提高加工精度及降低切削阻力。有关高速切削加工的含义，目前尚无统一的认识，通常有如下几种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5-10倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同；切削过程中，刀刃的通过频率(Tooth Passing Frequency)接近于“机床刀具工件”系统的主导自然频率(Dominant Natural Frequency)时，可认为是高速切削。可见高速切削加工是一个综合的概念。1992年，德国Darmstadt工业大学的H. Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工的概念及其涵盖的范围，如图1所示。认为对于不同的切削对象，图中所示的过渡区(Transition)即为通常所谓的高速切削範围，这也是当时金属切削工艺相关的技术人员所期待或者可望实现的切削速度。高速切削加工对机床、刀具和切削工艺等方面都有一些具体的要求。下面分别从这几个方面阐述高速切削加工技术的发展现状和趋势。现阶段，为了实现高速切削加工，一般釆用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床。这些设备的共同之处是：必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。高速切削与传统切削最大的区别是，“机床刀具工件”系统的动态特性对切削性能有更强的影响力。在该系统中，机床主轴的刚度、刀柄形式、刀长设定、主轴拉刀力、刀具扭力设定等，都是影响高速切削性能的重要因素。在高速切削中，材料去除率(Metal Removal Rate，MRR)，即单位时间内材料被切除的体积，通常受限于“机床-刀具-工件”工艺系统是否出现“颤振”。因此，为了满足高速切削加工的需求，首先要提高机床动静刚度尤其是主轴的刚度特性。现阶段高速切削之所以能够成功，一个很关键的因素在于对系统动态特性问题的掌握和处理能力。为了更好地描述机床主轴的刚度特性，工程上提出新的无量纲参数DN值，用以评价机床的主轴结构对高速切削加工的适应性。所谓DN值即“主轴直径与每分钟转速之积”。新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万。为了减轻轴承的重量，还釆用了比钢制品要轻得多的陶瓷球轴承；轴承润滑方式大都釆用油气混合润滑方式。在高速切削加工领域，目前已开发空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴承合并构成的磁气/空气混合主轴。 在机床进给机构方面，高速切削加工所用的进给驱动机构通常都为大导程、多头高速滚珠丝槓，滚珠釆用小直径氮化硅（Si3N4）陶瓷球，以减少其离心力和陀螺力矩；釆用空心强冷技术来减少高速滚珠丝槓运转时由于摩擦产生温升而造成的丝槓热变形。近几年来，用直线电机驱动的高速进给系统问世，这种进给方式取消了从电动机到工作台溜板之间的一切中间机械传动环节，实现了机床进给系统的零传动。由于直线电机没有任何旋转元件，不受离心力的作用，可以大大提高进给速度。直线电机的另一大优点是行程不受限制。直线电机的次极是一段一段连续铺在机床的床身上。次极铺到哪里，初极工作台就可运动到哪里，而且对整个进给系统的刚度没有任何影响。釆用高速丝槓或直线电机，能够大大提高机床进给系统的快速响应。直线电机最高加速度可达2-10G(G为重力加速度)，最大进给速度可达60-200m/min或更高。2002年举世瞩目的上海浦东磁悬浮列车工程中的磁浮轨道钢梁加工，釆用沈阳机床控股有限公司集团中捷友谊公司厂生产的超长进给系统高速大型加工中心实现。该机床的进给系统为直线导轨和齿轮齿条传动，工作台最大进给速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g，主轴最高转速20000r/min，主电机功率80kW。其X轴的行程长达30m，切削25m长的磁浮轨道钢梁误差小于0.15mm，为磁悬浮列车工程的顺利竣工提供了有力的技术保证。此外，机床的运动性能也将直接影响加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切削加工中，主要釆用小切深大进给的加工方法。要求机床在大进给速度条件下，应具有高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补。圆弧加工是釆用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或模具时，必不可少的加工方法。刀具材料的发展：高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼（CBN）。端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min，主要用于灰口铸铁的切削加工。聚晶金刚石（PCD）刀具被称之为21世纪的刀具，它特别适用于切削含有SiO2的铝合金材料，而这种金属材料重量轻、强度高，广泛地应用于汽车、摩托车发动机、电子装置的壳体、底座等方面。目前，用聚晶金刚石刀具端面铣削铝合金时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平，此外陶瓷刀具也适用于灰口铸铁的高速切削加工；涂层刀具：CBN和金刚石刀具尽管具有很好的高速切削性能，但成本相对较高。釆用涂层技术能够使切削刀具既价格低廉，又具有优异性能，可有效降低加工成本。现在高速加工用的立铣刀，大都釆用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理，如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时，DLC（Diamond Like Carbon）涂层刀具就受到极大的关注，预计其巿场前景十分可观；刀具夹持系统：刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术，目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。已作为商品正式投放巿场的两面夹紧式工具系统主要有：HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系统。在高速切削的情况下，刀具与夹具回转平衡性能的优劣，不仅影响加工精度和刀具寿命，而且也会影响机床的使用寿命。因此，在选择工具系统时，应尽量选用平衡性能良好的产品。高速加工的切削速度为常规切速的10倍左右。为了使刀具每齿进给量基本保持不变，以保证零件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度，则进给量也必须相应提高10倍左右，达到60m/min以上，有的甚至高达120m/min。因此，高速切削加工通常是釆用高转速、大进给和小切深的切削工艺参数。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很轻，把切削时产生的热量很快带走；若釆用全新耐热性更好的刀具材料和涂层，釆用干切削工艺也是高速切削加工的理想工艺方案。 用高速加工中心组成高效率的柔性生产线(FTL或FML)，具有小型化、柔性突出以及易于变更加工内容等显着特点。图2为上汽集团某发动机公司利用该生产线加工发动机机体、汽缸盖、滤清器座等工件的实例。为了尽快适应新车型的需要，汽车车身覆盖件模具和树脂防冲挡的成形模具等，均必须缩短制作周期和降低生产成本，因此，必须下大力推进模具生产高速化的进程。上汽集团所属各公司认为：与过去的精加工相比，进一步实现高精度化；同时必须满足表面粗糙度、弯曲度的精度要求，为此应施以适当的手工精修加工，由于切削速度的极大提高，与过去的精加工工序相比，加工周期应大幅度缩短。为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的高速切削加工技术和自动换刀功能的优势，提高加工效率，对复杂零件的加工应尽可能釆用集中工序的原则，即要求在一次装夹中实现多道工序的集中加工，淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，充分发挥设备和刀具的高速切削功能，是当前提高数控机床效率、