高速切削-课件 (21)

1、1.引言引言2.高速加工的定义高速加工的定义3.高速加工的特点和应用高速加工的特点和应用4.4.高速加工和传统加工的区别高速加工和传统加工的区别5.高速加工的关键技术高速加工的关键技术切削加工的发展方向是高速切削加工，高速加切削加工的发展方向是高速切削加工，高速加工技术工技术(High Speed Machining, HSM)(High Speed Machining, HSM)被认为被认为是是2121世纪最有发展前途的先进制造技术之一世纪最有发展前途的先进制造技术之一最早在飞机制造业受到重视最早在飞机制造业受到重视近几年高速加工技术已广泛用于模具工业近几年高速加工技术已广泛用于模具工业可广

2、泛用于汽车工业和国防工业可广泛用于汽车工业和国防工业 被加工材料都有一个临界切削速度，在临界速度之被加工材料都有一个临界切削速度，在临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的当切削速度达到普通切削速度的5-65-6倍时，切削刃口倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损亦减小的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损亦减小 以主轴转速界定：主轴转速以主轴转速界定：主轴转速8000r/min8000r/min以切削速度和进给速度界定：切削速度和进给以切削速度和进给速度界定：切削速度和进给速度为普通切

3、削的速度为普通切削的5-105-10倍倍转速特征值转速特征值(Dn(Dn= =轴径轴径(mm)(mm)转速转速(r/min)(r/min)达到达到0.5-2000.5-20010106 6采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速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和加工表面质量的现代加工技术车削：车削：700-7000 m/min铣削：铣削：300-6000 m/min钻削：钻削：200-1100 m/min高速加工的切削速度范围高速加工的切削速度范围高速加工的切削速度范围高速加工的

4、切削速度范围1000-7000800-3000100-1000500-20002000-90003001000-4000主轴最高转速：主轴最高转速：10000-150000r/min10000-150000r/min主轴功率从主轴功率从0.5kW0.5kW到到80kW80kW、转矩从、转矩从0.1N.m0.1N.m到到300N.m300N.m坐标轴加工最高速：坐标轴加工最高速：30-60m/min30-60m/min，快速移动：，快速移动：70-80m/min,70-80m/min,最高最高120m/min120m/min换刀时间：换刀时间：3-5s3-5s，最快，最快0.7-1.5s 0.7

5、-1.5s 西班牙西班牙 EURO2000EURO2000高速立式高速立式龙门加工中心龙门加工中心,8000r/min,8000r/min,可用于大型模具等可用于大型模具等 德国德国ROEDERS,ROEDERS,42000rpm,适适合如手机模具加工合如手机模具加工日本日本 公司公司的立式加工中心的立式加工中心NV5000, 14,000rpm成都宁江机床成都宁江机床 NJ-5HMC40NJ-5HMC40五五轴联动加工中心轴联动加工中心 , , 40000r/min ,40000r/min ,可用于叶片、可用于叶片、叶轮、模具等加工叶轮、模具等加工 加工效率高，材料去除率是常规的加工效率高，

6、材料去除率是常规的3-53-5倍倍 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小，和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数剪切变形区窄，变形系数减小，切削力降低减小，切削力降低大概大概30%-90%30%-90% 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度变形小，有效地提高了加工精度 刀具寿命长（高速切削刀具）。刀具受力小，刀具寿命长（高速切削刀具）。刀具

7、受力小，受热影响小，破损的机率很小，磨损慢受热影响小，破损的机率很小，磨损慢 工件表面质量好。轴向和径向切深小，工件粗工件表面质量好。轴向和径向切深小，工件粗糙度小糙度小; ;切削度高，机床激振频率远高于工艺切削度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，系统振动很小，表面质量好系统的固有频率，系统振动很小，表面质量好 横向切削力很小，有利于加工细筋和薄壁，壁横向切削力很小，有利于加工细筋和薄壁，壁厚甚至可厚甚至可1mm1 10.233 0.05 0.05轴承钢轴承钢, ,多多孔石墨孔石墨成本很高成本很高, ,刚性刚性较差较差, ,转速和回转转速和回转精度很高精度很高精密磨削，铣精密磨削，铣削

8、、雕刻、微小削、雕刻、微小孔钻削及抛光等孔钻削及抛光等 磁浮轴承磁浮轴承高速主轴高速主轴4 40.20.2合金钢合金钢成本很高成本很高, ,结构复结构复杂杂, ,刚性好刚性好, ,转速和回转速和回转精度高转精度高加工加工中心中心 油雾润滑油雾润滑: :以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，将其输送到需要润滑的位置起到润并混入空气流中，将其输送到需要润滑的位置起到润滑和冷却双重作用滑和冷却双重作用油气润滑方式：压缩空气将微量的润滑油精确地供给油气润滑方式：压缩空气将微量的润滑油精确地供给每一套主轴轴承每一套主轴轴承 ，微小油滴在滚动和内、外滚

9、道间形，微小油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气带走轴承运转所产生的成弹性动压油膜，而压缩空气带走轴承运转所产生的部分热量部分热量 喷注润滑方式：用较大流量的恒温油喷注润滑方式：用较大流量的恒温油( (每个轴承每个轴承3-3-4L/min)4L/min)喷注到主轴轴承，实现润滑冷却。采用排油泵喷注到主轴轴承，实现润滑冷却。采用排油泵强制排油，而非自然回流。还要采用高精度恒温油箱强制排油，而非自然回流。还要采用高精度恒温油箱( (油温变动油温变动0.5)0.5)去重法去重法: :电机的转子两端设计有去重盘，进行整体动平电机的转子两端设计有去重盘，进行整体动平衡时衡时, ,由自动平

10、衡机在转子的去重盘处切去不平衡量由自动平衡机在转子的去重盘处切去不平衡量增重法增重法: :电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周电机转子的两端设计有平衡盘，平衡盘的圆周方向设计有均匀分布的螺纹孔，进行整体动平衡时，方向设计有均匀分布的螺纹孔，进行整体动平衡时，在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置在螺纹孔内拧入螺钉，以螺钉的拧入深度和周向位置来平衡主轴组件的偏心量来平衡主轴组件的偏心量 平衡校正机在线平衡校正向高速大功率和低速大转矩方向发展向高速大功率和低速大转矩方向发展向高精度、高刚度方向发展向高精度、高刚度方向发展向精确定向（准停）方向发展向精确定向（准停）方向发展向快速起、停方

11、向发展向快速起、停方向发展向超高速方向发展向超高速方向发展向标准化方向发展向标准化方向发展线性滚动导轨代替滑动导轨，移动速度、摩擦线性滚动导轨代替滑动导轨，移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼都发生了质变。阻力、动态响应，甚至阻尼都发生了质变。导轨的基本要求：导向精度高、刚度大、耐磨、导轨的基本要求：导向精度高、刚度大、耐磨、运动灵活和平稳运动灵活和平稳导轨偶合面的结构形式：导轨表面耐磨塑料层；导轨偶合面的结构形式：导轨表面耐磨塑料层；导轨接触面强迫润滑；滚动导轨；液体静压导导轨接触面强迫润滑；滚动导轨；液体静压导轨；气浮导轨；空气静压导轨等轨；气浮导轨；空气静压导轨等直线电机驱动直线电机驱

12、动快速、精密、高精度和耐用。快速、精密、高精度和耐用。显著减少摩擦力、间隙和磨损等机械传动的影响显著减少摩擦力、间隙和磨损等机械传动的影响获得一致高精度的位移运动、动态位移和精确定位获得一致高精度的位移运动、动态位移和精确定位快速行程可达到快速行程可达到60m/min60m/min。直线电动机进给驱动系统直线电动机进给驱动系统1 1导轨系统导轨系统 2 2笼型绕组二次侧笼型绕组二次侧3 3三相绕组一次侧三相绕组一次侧 4 4直线行程测量系统直线行程测量系统 性性 能能 伺服电机伺服电机滚珠丝杠滚珠丝杠 直线驱动直线驱动 定位精度定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重复定位精度重复

13、定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度最大加速度(g) 12 210 寿命寿命(h) 600010000 50000高速切割的加工中心，高速切割的加工中心，其其X、Y、Z三轴的移动三轴的移动部件的质量均较传统的部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直结构为轻，且均采用直线电机驱动。线电机驱动。高速切削的一个主要问题是刀具磨损，与普通高速切削的一个主要问题是刀具磨损，与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，

14、切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨损机理与普通切削有很大区别。损机理与普通切削有很大区别。由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面因素。强度、刚度和精度等方面因素。以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮

15、化硼为主。方氮化硼为主。新的镀膜材料和镀膜方法将提高刀具的抗磨损新的镀膜材料和镀膜方法将提高刀具的抗磨损性性, ,成倍提高刀具的使用寿命。成倍提高刀具的使用寿命。刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命的重要因素。的重要因素。刀具材料种类刀具材料种类 合金合金 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 陶瓷陶瓷 天然天然 聚晶金刚石聚晶金刚石 聚晶立方氮聚晶立方氮工具钢工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石金刚石 PCD 化硼化硼 PCBN材料性能材料性能 硬度硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV40

16、00抗弯强度抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性化学惰性 低低 惰性大惰性大 惰性小惰性小 惰性小惰性小 惰性大惰性大 耐磨性耐磨性 低低 低低 较高较高 高高 最高最高 最高最高 很高很高 一般精度一般精度 Ra0.8 高精度高精度 Ra=0.4-0.2加工质量加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 I

17、T5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削可替代磨削加工对象加工对象低速加低速加工一般工一般钢材、钢材、铸铁铸铁一般钢一般钢材、铸材、铸铁粗、铁粗、精加工精加工一般钢一般钢材、铸材、铸铁粗、铁粗、精加工精加工高硬度高硬度钢材精钢材精加工加工硬质合金、铜、硬质合金、铜、铝有色金属及其铝有色金属及其合金、陶瓷等高合金、陶瓷等高硬度材料硬度材料淬火钢、冷硬淬火钢、冷硬铸铁、高温合铸铁、高温合金等难加工材金等难加工材料料较高的硬度和耐较高的硬度和耐磨性：切削耐磨材磨性：切削耐磨材料时，其耐磨性为料时，其耐磨性为硬质合金刀具的硬质合金刀具的5050倍，涂层硬质合金倍，涂层硬质合金刀具的刀具的3030倍

18、，陶瓷倍，陶瓷刀具的刀具的2525倍倍高的热稳定性：高的热稳定性：热稳定性明显优于热稳定性明显优于金刚石刀具金刚石刀具500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 温度/BN100BN20陶瓷硬质合金PCBN刀具高温硬度良好的化学稳定性良好的化学稳定性: 1200-1300: 1200-1300与铁系材料不发生与铁系材料不发生化学反应；化学反应；20002000才与碳发生化学反应；对各种材料才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料

19、金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料良好的导热性良好的导热性: : 导热性仅次于金刚石，导热系数为导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m1300W/m，是硬质合金的，是硬质合金的2020倍，陶瓷的倍，陶瓷的3737倍，且随倍，且随温度升高而增加。刀尖处温度低，刀具磨损少，加工温度升高而增加。刀尖处温度低，刀具磨损少，加工精度高精度高较低的摩擦系数较低的摩擦系数: :与不同材料间的摩擦系数为与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.1-0.30.3（硬质合金为（硬质合金为0.4-0.60.4-0.6），且随切削速度的提高而），且随切削速度的提高而减小。切削变形和切削力小，加工表面质量高减小。切削变形

20、和切削力小，加工表面质量高刀柄结构传递机床精度和切削力刀柄结构传递机床精度和切削力, ,是高速切削是高速切削时的关键部件时的关键部件, , 须满足下列要求：须满足下列要求：很高的几何精度和装夹重复精度很高的几何精度和装夹重复精度很高的装夹刚度很高的装夹刚度高速运转时安全可靠高速运转时安全可靠刀柄主轴拉杆涨套间隙主轴拉杆刀柄定位端面配合锥面HSK刀柄传统刀柄1:107:24高速主轴的前端由于高速主轴的前端由于离心力的作用会使主离心力的作用会使主轴膨胀轴膨胀 为为保证高速下仍有可靠的接保证高速下仍有可靠的接触定位，需很大的过盈量来触定位，需很大的过盈量来抵消主轴轴端的膨胀，抵消主轴轴端的膨胀，这这

21、需需拉杆产生很大的预紧拉力，拉杆产生很大的预紧拉力，也也不利不利于于换刀，还会使主轴换刀，还会使主轴膨胀，影响主轴前轴承膨胀，影响主轴前轴承德国阿亨大学机床研究室专为高速机床主轴开发的德国阿亨大学机床研究室专为高速机床主轴开发的一种刀轴联结结构，已被一种刀轴联结结构，已被DINDIN标准化标准化HSKHSK短锥刀柄锥度短锥刀柄锥度110110，比标准的，比标准的7/247/24锥短锥短锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，对刀柄和主轴端部关键尺寸的公差带特别严格对刀柄和主轴端部关键尺寸的公差带特别严格短锥有严格的公差和弹性薄壁，在拉杆轴向拉力的

22、短锥有严格的公差和弹性薄壁，在拉杆轴向拉力的作用下，短锥有一定的收缩，刀柄短锥和端面很容易作用下，短锥有一定的收缩，刀柄短锥和端面很容易与主轴相应结合面紧密接触，联结精度和刚度很高与主轴相应结合面紧密接触，联结精度和刚度很高主轴高速旋转时，尽管主轴端会产生扩张，短锥的主轴高速旋转时，尽管主轴端会产生扩张，短锥的收缩得到部分伸张，仍能与主轴锥孔保持良好的接触，收缩得到部分伸张，仍能与主轴锥孔保持良好的接触，主轴转速对联结刚度影响小主轴转速对联结刚度影响小 重量减少约重量减少约5050 重复使用时装夹和重复使用时装夹和定位精度高定位精度高 刚度高，并可传送刚度高，并可传送大的转矩大的转矩 装夹力随

23、转速升高装夹力随转速升高而加大而加大与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容制造精度要求较高，结构复杂，成本较高制造精度要求较高，结构复杂，成本较高( (刀刀柄价格是普通标准柄价格是普通标准7:247:24刀柄的刀柄的1.5-21.5-2倍倍) )锥度配合过盈量较小，极限转速比锥度配合过盈量较小，极限转速比KMKM结构低结构低常用的锥形夹头灵活性好，适用于不同的刀具常用的锥形夹头灵活性好，适用于不同的刀具直径，但可传递的扭矩有限且装夹精度很低直径，但可传递的扭矩有限且装夹精度很低提高装夹精度和刚度需采用其他方法，目前常提高装夹精度和刚度需采用其他方法，目前常用的有用的有

24、收缩夹头收缩夹头液压膨胀夹头液压膨胀夹头力膨胀夹头力膨胀夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内在刀柄内优点优点: :精度高，刚性大精度高，刚性大缺点缺点: :操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形 再加热再加热 冷却冷却 固定固定 常温常温 加热加热 装卡装卡插入刀插入刀具具卡座的先卡座

25、的先端部分加端部分加热。热。刀具柄比刀具柄比卡座内径卡座内径大大因热膨胀系因热膨胀系数不同，将数不同，将刀具取出。刀具取出。冷却，卡座冷却，卡座的内径收缩的内径收缩。适用于不同柄粗的立适用于不同柄粗的立铣铣刀刀（333232） ）规规格化格化（BTBT、 、SKSK、 、HSKHSK、 、UTSUTS） ）重型重型细长型细长型液压膨胀夹头液压膨胀夹头(a) (a) 外径胀套夹头外径胀套夹头 (b) (b) 内径胀套夹头内径胀套夹头1 1推动活塞的螺栓推动活塞的螺栓 2 2活塞活塞 3 3液压腔液压腔 4 4膨胀薄壁膨胀薄壁刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀

26、柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具孔内结膨胀，从而夹紧刀具优点优点: :精度高，刚性大，操作方便精度高，刚性大，操作方便缺点缺点: :对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力可能达不到应有的夹持力 (a) (a) 夹头孔制成三棱夹头孔制成三棱(b) (b) 受力后夹头孔呈圆形受力后夹头孔呈圆形刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变形成圆，然后把刀具插入刀柄，再使刀柄孔变形成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性回复，刀具就被夹除去变形外力，刀柄孔弹性回复，刀具就被夹持在孔内持在孔内优点优点: :装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低价较低缺点缺点: :需备有一个辅助的加力装置需备有一个辅助的加力装置保证刀具运动轨迹光滑平稳，并使刀具载荷均保证刀具运动轨迹光滑平稳，并使刀具载荷均匀匀a）摆线加工）摆线加工 b）赛车线