高速切削技术

1、高速切削技术高速切削技术 高速切削技高速切削技术术l 高速切削技术概论l 高切削的优势和应用领域l 高速切削关键技术l 高速切削的安全防护l 高速切削目前研究内容l 高速切削现状和不足l 高速切削战略意义和发展方向INDEX高速切削技术高速切削技术 高速切削是一个相对概念，是德国切削物理学家萨洛蒙于1931年提出，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的510倍。 高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。高速切削概论 定义高速切削技术高速切削技术切削速度切削温度TcrTav1vcrv2高速切削概论 定义高速切削技术高速切削技术 常规切削速度范围内，

2、切削温度切削速度提高而升高，一定工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不升下降。每一种工件材料，都存一个速度范围，该范围内，切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。切削速度能越过“死谷”，高速区工作，则有可能用现有刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率。高速切削概论 原理高速切削技术高速切削技术切削力小切削力小切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，使切削力比常规切削降低30%以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到径向切削力大幅度减少，特别适合于加

3、工薄壁类刚性差工件，如飞机上机翼壁板等。工件热变形小工件热变形小高速切削时，90%以上切削热来不及传给工件就被高速流出切屑带走，工件积累热量少，工件温升不会超过3，基本保持冷态，不会温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变工件。高速切削的优势高速切削技术高速切削技术材料切除率高材料切除率高随切削速度提高，进给速度也相应提高5倍10倍，单位时间内材料切除率可达常规切削3倍6倍，适用于材料切除率要求大场合，航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工整体构件最理想制造技术。工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工高速切削时，机床激振频率很高，使

4、加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获表面质量常可达磨削水平，常可省去铣削后精加工工序。高速切削尤其适合于光学等领域加工。高速切削的优势高速切削技术高速切削技术可加工难加工材料可加工难加工材料难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料和耐磨铸铁等切削加工切削效率低，刀具寿命短。高速切削时，切削力小，切屑变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材料。高速干切削可以实现加工过程绿色制造高速干切削可以实现加工过程绿色制造高速干切削就是切削加工过程中不使用任何切削液工艺方法，是对传统切削方式一种技术创新。它相湿切削而言，是一种从源头上控制污染绿色切削和清洁制造工艺，

5、它消切削液使用对外部系统造成负面影响。目前，能实现高速干切削工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。高速切削的优势高速切削技术高速切削技术高速切削的应用领域 航空航天工业航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。 模具制造业模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。 汽车工业汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机加工，柔性差） 难加工材料难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金） 纤维增强复合材料纤维增强复合材料加工 精密零件精密零

6、件加工 薄壁易变形零件薄壁易变形零件的加工高速切削技术高速切削技术高速切削的应用领域例1：高精度铝质模具型腔加工高精度铝质模具型腔加工：在传统铣削加工中，由于铝熔点低，铝屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达到精度要求，在制时间达60小时。 高速铣削分粗、精两道工序：n精20000r/min，ap=0.2mm， vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。 例2：塑料的轮胎型芯加工：塑料的轮胎型芯加工：用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。 采用高速铣削，n 18 000r/min，ap=2 mm，vf=10m/

7、min，在制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。 高速切削技术高速切削技术高速切削的关键技术 高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、 工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。高速主轴高速进给系统高速切削轻金属技术高速切削钢和铸铁技术高速切削刀具材料高速切削刀具系统高速切削技术高速切削技术高速切削的切削机床对高速切削机床要求 床身等固定部件的高刚度和高抗振性 主轴的高转速和高加速度 进给系统的高进给速度和高加速度 主轴轴承的高刚度和高抗振性 优化的切屑下落及运送系统 可靠的安全防护系统高速切削技术高速切削技术高速切削的切削机床设计特征高速电机主轴

8、直线电机（Z轴）混凝土聚合物床身框架 焊接结构横梁焊接结构XY工作台直线电机驱动噪音小噪音小启停性能良好启停性能良好足够的刚性足够的刚性和回转精度和回转精度先进的润滑冷却系统先进的润滑冷却系统可靠的主轴检测系统可靠的主轴检测系统大功率大功率结构紧凑结构紧凑总质量小总质量小热稳定性良好热稳定性良好主主轴轴系系统统高速切削技术高速切削技术对高速切削主轴系统的要求高速度（高速度（60120m/min）1 高加速度（普通机床高加速度（普通机床12g，最高可达，最高可达210g）2高静态、动态精度高静态、动态精度3高安全性高安全性4低成本低成本5高速切削技术高速切削技术对高速机床进给驱动系统的要求高速切

9、削技术高速切削技术高速切削的切削刀具特点：“三高一专 ”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化 在基体上焊接刀片（材料CBN，PCD）的HSC刀具以高强度铝合金做基体的HSC端面铣刀带内部冷却的钻头 高硬度，高强度，高耐磨性。 高韧度，高抗冲击性。 高热硬性，高化学稳定性。 高抗热冲击性。高速切削技术高速切削技术对高速切削刀具的要求高速切削技术高速切削技术高速切削常用刀具种类金刚石刀具高速切削技术高速切削技术高速切削常用刀具种类立方氮化硼刀具 高速切削技术高速切削技术高速切削常用刀具种类陶瓷刀具高速切削技术高速切削技术高速切削常用刀具种类涂层刀具金刚石刀具 优点：刃锋利，能切下极薄切屑，冷硬现象

10、少，摩擦系数低，无积屑瘤。 缺点：热稳定性差，强度低，脆性大，对振动敏感，只适用于微量切削。高速切削技术高速切削技术立方氮化硼刀具 （CBN） 特点：热稳定性好，化学惰性大，摩擦系数低。 应用：淬硬钢、高温合金、冷硬铸铁。 成分：锡、铅、锑以及他们的氮化物。高速切削技术高速切削技术陶瓷刀具 优点：化学性好，耐氧化，不易粘结，加工表面粗糙度小。 缺点：强度低、韧性差。高速切削技术高速切削技术涂层刀具Al O 高温下热稳定性良好。TiN 与金属亲和力小，湿润性好。TiC 硬度高，抗磨损性好。高速切削技术高速切削技术高速切削技术高速切削技术高速切削的安全防护技术高速切削技术高速切削技术高速切削的安全

11、防护技术高速卡盘的防护墙10 mm1,5 mm50 mm可移动防护墙内钢板（卡盘）外钢板（机床）聚氨酯泡沫塑料失效卡盘零部件具有可达30kNm的能量，应尽可能在事故地点防护。PTW高速切削技术高速切削技术高速切削的安全防护技术高速车床防护墙PTW20 mm1,5 mm50 mm内钢板（机床）外钢板（工人）聚氨酯泡沫塑料可移动内侧门机床防护墙薄弱点是机床的防护窗口 高速切削技术高速切削技术高速切削的安全防护技术机床防护门 高速切削技术高速切削技术目前研究内容 高速切削技术高速切削技术高速切削发展现状 高速切削技术以其高效率、高精度、高可靠性和专用化的特点正在被越来越广泛的应用在机械加工领域。二十

12、世纪末期 ,随着我国经济体制的转轨和市场化进程的不断加快 ,我国机械制造业大量引进和开发先进的数控自动生产线、数控机床 、刀具等 ,同时,包括高速切削技术在内的先进制造技术及其相关的生产模式、管理技术等也在企业中得到日益广泛的应用 ,并展现出良好的发展前景。 高速切削技术高速切削技术高速切削发展现状 国外 德国Darm st adt工业大学PTW所以舒尔茨教授为核心的科研小 组和日本京都大学工学研究科以垣野教授为核心的课题组均已制出商品化的高速切削机床,在德国和日本的企业界,都分别享有较高的声誉。 舒尔茨教授在德国政府强有力的资助下,联合18家企业,共同攻关,从1984年到1989年,完成高速

13、切削机床各相关硬件与软件的开发,研究水平超过了当时居领先地位的美国。1993年,直线电机的出现拉开了高速进给的序幕, 从而也使高速切削技术走向成熟应用阶段。目前,PTW所研制的高速机床已在德国许多企业里应用。 垣野教授联合9家企业,于1996年研制出日本第一台商品化卧式高速切削加工中心,该加工中心主轴转速30000r/min,最大进给速 度80m/min,加速度为2g,重复定位精度1Lm。目前,垣野研究室研究成果在日本企业界甚至在国际上均产生重大影响。 高速切削技术高速切削技术高速切削发展现状 国内 我国在90年初开始有关高速切削机床及工艺的研究。研究内容包括水泥床身、超高速主轴系统、全陶瓷轴

14、承及磁悬浮轴承、快速进给系统、有色金属及铸铁超高速切削机理与适应刀具等方面。通过我国科技工作者的艰苦工作, 各项关键技术都取得了显著进展。部分单项技术指标可达国际先进水平。 然而高速切削机床是诸多高新技术的高度集成, 并且在一定的市场需求驱动下才能真正发展起来。目前,真正应用于工业生产的完全由我国自行开发的国产高速切削机床还没有。 高速切削技术高速切削技术高速切削技术国内和国外的差距 由于种种原因 ,我国企业应用的高速加工技术及其相关设备大多由国外直接引进 ,国内对高速加工技术中一些基础共性技术的自主性研究不足 ,与工业发达国家相比 ,我国在以下方面存在较大差距 : 高性能刀具材料的研发、刀具

15、制造工艺技术、刀具安全技术及刀具使用技术等领域对于高速切削机理的基础共性研究也处于起步阶段 。 机床关键功能部件的研发落后 于市场需求 ,如转速 20000r/ min 以上的大功率高刚性主轴 、直线电机 、快速响应数控系统等的设计制 造技术尚未掌握 ; 多功能复合机床设计 、制造网络 、 通讯网络等先进技术的应用还处于初级阶段 观念误区，目前国内对高速切削技术普遍存在一些观念误区 ,认为高速加工技术可适用于任何企业，然而其应用效益要视产品的技术附加值、加工技术要求、市场需求、企业的生产、管理模式、技术水平等各方面具体情况而定。因此在企业技术改造中,切忌“邯郸学步”,生搬硬套 ,不加分析地盲目

16、引进、应用高速加工技术 。 由于高速切削具备一系列显著优点, 因而在航空航天、汽车等行业得到应用, 这些部门进口的高速切削机床已颇具规模。然而, 由于 国内缺乏自主研发能力和关键技术的丢失使国内和国外一直存在较大差距，其原因归纳如下： （1）在高速切削技术原理的认识上存在误区。高速切削技术是对常规切削的重大突破, 在切削加工工艺安排、切削用量选 择及刀具应用等方面有较大的特殊性, 普通切削 工艺及传统刀具不能满足高速切削技术要求, 而这一点往往没有被实际操作人员认识。 （2）生产实际中缺乏较全面的实用化的高速切削工艺数据库。 （3）高速切削刀具未形成系列化、标准化。 （4）缺乏自主创新能力关键

17、技术无法突破，以及产品稳定性一直无法突破 高速切削技术高速切削技术存在差距因素 高速切削技术高速切削技术高速切削战略意义 近年来, 国际国内形势的 发展给我国机械制造业带来了机遇, 尤其是给高 速切削工艺的应用提供了有利条件。主要体现在 以下几方面:( 1 ) 各种高尖新产品不断涌现, 产品能否占领 市场主要取决于产品的性能价格比。高效率生产 出高质量的产品是赢得竞争的惟一途径。高速切削工艺的优势, 也体现在高效率、高精度等方面。 ( 2 ) 随着我国经济实力的不断提高,激烈的市场竞争,迫使目前我国拥有的高速切削机床的规模还要扩大,这必将要求有较为成熟的高速切削工艺与之相匹配,使之充分发挥作用

18、。( 3) 航空部门大型整体薄壁飞机结构件加工将普遍采用高速铣削工艺,减轻整机重量,提高飞机整机性能。 高速切削技术高速切削技术( 4 ) 模具制造业中普遍采用高速加工中心, 形成高切削速度、高进给速度、小切深、小走刀步距、能连续长路程切削的模具加工新工艺,对淬硬钢的高速铣削成为缩短模具开发周期、降低制造成本的主要途径。( 5) 汽车制造业将更加积极地采用高速切削加工中心,完成高效高精度生产。( 6 ) 干式( 准干式) 切削的绿色制造技术将给高速切削工艺的应用提供极好的机会。( 7 ) 高速切削工艺范围,能满足从粗加工到精加工的全部加工要求,并且能显著减少抛光工时,提高高速切削工艺同其它加工

19、工艺竞争的能力高速切削战略意义 高速切削技术高速切削技术高速切削技术发展趋势 高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流 。 （1）切削速度主要受限于机床主轴最高转速和功率。因此具有小质量、大功率的高速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速精密数控系统，以及配套的高速轴承及其润滑技术、刀库技术和自动换刀装置及监控技术等正在迅速发展，可望达到更高的加工水平。 （2）材料的高速切削加工目标主要受刀具寿命困扰，因此发展新型高温力学性能（硬度、强度与断裂韧性）和高抗热震性能更高的高可靠性的刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。 高速切削技术高速切削技术 （3） 现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料（包括自润滑刀具材料），特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点。 （4）金刚石刀具领