高速切削理论及相关技术课件

1、高速切削理论及其相关技术 定义及特点 条件和机理 现状和趋势高速切削概念是谁提出的？高速切削有哪些特点？高速切削应用在那些方面？高速切削对加工装备的要求有哪些？机床和刀具是什么样的？机理？重要试验？发展趋势？一、 高速切削技术的定义二、 高速切削技术的特点及应用三、 高速切削的装备条件及关键技术四、 高速切削机理五、 高速切削技术的现状以及发展趋势概要 20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并获得专利，简称HSM。在切削速度达到一个临界值之后的一个范围内

2、，切削速度增加，则切削温度下降。结论Yeah！I GET IT ！要多少才算 ？ 事实上，HSM不是简单意义上的高切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。 一、 高速切削技术的定义二、 高速切削技术的特点及应用三、 高速切削的装备条件及关键技术四、 高速切削机理五、 高速切削技术的现状以及发展趋势概要 到哪？ 以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。精度高！ 对于同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显

3、著减小。质量高！速切削用在？一、 高速切削技术的定义二、 高速切削技术的特点及应用三、 高速切削的装备条件及关键技术四、 高速切削机理五、 高速切削技术的现状以及发展趋势概要速切削的装备条件？机床？装备刀具？ 主轴？轴承？进给系统？驱动系统？实时监控系统？材料？型号？参数？磨损？对高速切削主轴系统的要求：噪音小启停性能良好足够的刚性和回转精度先进的润滑冷却系统可靠的主轴检测系统大功率结构紧凑总质量小热稳定性良好主轴系统 为了提高机床的主轴静态和动态精度，必须减少各主轴部件的制造误差及装备误差，更重要的是，应尽可能减少主轴系统中的误差源，尽可能缩短主轴传动链的长度。借助电气传动技术，主轴电动机与

4、机床主轴“合二为一”的传动结构形式“电主轴”应运而生。由于主要采用交流高频电动机，故又称“高频主轴”。电主轴工作原理： 电动机定子通过冷却套固装在电主轴壳体中，其转子就是机床的主轴，电主轴箱体就是电动机座。 主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有出盘和测速、测角传感器，主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定加工中心可换刀柄。一些常见的电主轴：陶瓷轴承磁悬浮轴承高速主轴常用轴承： 陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（44

5、0、440C）及不锈钢。 磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染。 电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，有两种驱动和控制方式： （1）普通变频器标量驱动控制 以IBAG公司的HFK90S型电主轴用的 普通变频器为例说明。这类驱动 控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。 优点：价格便宜。 缺点：起速时输出功率不稳定，不能满足

6、低速大转 矩要求，也不具备主轴的准停和C轴控制功能。 应用：高速工作范围电主轴，如磨削、销孔钻削等。 （2）矢量控制驱动器驱动控制 以IBAG公司的HFK250电主轴的矢量控制驱动器为例说明。其特性为低速端恒转矩驱动以及中、高速端的恒功率驱动。 这种驱动方式又有开环和闭环控制两种。在闭环工作方式下可通过主轴上的位置传感器来实现位置和速度反馈，并实现主轴准停和C轴控制功能。对高速机床进给驱动系统的要求：高速度（60120m/min）1 高加速度（普通机床12g，最高可达210g）2高静态、动态精度3高安全性4低成本5 目前，高速机床的进给系统主要有：高速滚珠丝杠副传动系统和直线电动机进给驱动系统

7、。传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛，但其在高速场合下具有下列缺点：系统刚度低，动态特性差。高速下热变形严重。噪声大，寿命低，不易检验维修。 下面介绍一下滚珠丝杠螺母副结构。 滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。 滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，长采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。针对滚珠丝杠副传动系统的优化措施：提高系统刚度。丝杠采用中空结构，并进行预拉伸处理；底稿丝杠的支撑刚度；优化滚珠滚道接触状态；提高系统的接触刚度。增大

8、丝杠螺母的导程和螺纹头数，提高运动精度。强制冷却，减小热变形。可将循环冷却液通入其内部。采用新型螺母结构。例如减小滚珠直径，钢珠中空。采用新材料制造滚珠。例如陶瓷。对螺母预紧力进行控制。可以使用压电陶瓷。采用螺母旋转丝杠不动的运动方案。采用双电动机驱动结构。使其分别驱动丝杠和螺母。滚珠丝杠副传动则仍然存在以下问题：高速滚珠丝杠螺母副制造困难，成本较高。速度和加速度的提高有较大限制。进给行程有限（42m） 。全闭环时系统稳定性较差。 与传统的滚珠丝杠副结构相比，直线电动机高速进给系统有诸多优点。 直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置，是适应超高速加工技术发展的需要而

9、出现的一种新型电动机。它代替了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统 其最大的特点是从电动机到工作台之间的一切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使工作台的加/减速提高到传统机床的1020倍，速度提高34倍。直线电动伺服电动机工作原理：定子初级转子次级旋转磁场平磁场 直线伺服电动机分为短初级和短次级两种形式。 直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。通电绕组初级永磁铁次级 同步式 感应式与同步式最大的区别是在定件上用不同点的绕组取代同步式的永磁铁，且每个绕组中的每一匝都是短路的。通电后在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力推动工作台做直线运动。 优点：结构

10、简单，维护简便，可靠性高，体积小，传动刚度高，响应快，可得到瞬时高的加速度。 滚珠丝杠工作台从静止到25m/min，需时0.5s，而直线电动机驱动工作台从静止到75m/min，只需0.05s。 缺点：成本高，维修难。 其最大进给速度以达到150m/min至180m/min，最大加速度为8g。高速切削刀具？对高速切削刀具的要求： 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。高速切削常用刀具种类：金刚石刀具 优点：刃锋利，能切下极薄切屑，冷硬现象少，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。金刚石刀具有三种

11、： 天然金刚石价格昂贵，使用较少。 人造金刚石是通过合金触媒作用，在高温高压下由石墨转化而成。 金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的金刚石。天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片使用金刚石刀具时应注意： 金刚石与铁有极强的化学亲和力，故不适用于黑色金属加工。 金刚石刀具仅适用于微量切削条件。 金刚石热稳定性低，切削温度超过700至800摄氏度时，会完全失去其硬度。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。立方氮化硼刀具有两种： 立方氮化硼复合刀片是在硬质合金基

12、体上烧结一层约0.5mm厚的立方氮化硼。整体聚晶立方氮化硼刀具立方氮化硼复合刀片陶瓷刀具 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。陶瓷刀具有两种： 前者最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧度差。80年代进入刀具市场的氮化硅陶瓷相比具有高的强度和韧性，在加工铸铁及镍基合金时取得良好效果，其代表牌号是Sialon。AlO基陶瓷氮化硅陶瓷 陶瓷立方氮化硼金刚石超硬材料涂层刀具涂层刀具有两种： CVD指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程 。 PVD指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技

13、术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。 化学气象沉积法（CVD）-硬质合金物理气象沉积法（PVD）-高速钢常用涂层材料：TiC 硬度高，抗磨损性好。TiN 与金属亲和力小，湿润性好。AlO 高温下热稳定性良好。刀具与刀柄的连接：锥形夹头 收缩夹头液压膨胀夹头力膨胀夹头 传统的锥形夹头具有灵活性好等优点，适用于不同的刀具直径。但它可传递的转矩有限，而且装夹精度很低。 收缩夹头利用材料热膨胀收缩的原理，把刀具装入刀柄时先用辅助系统将刀柄孔加热膨胀，插入刀具后使之冷却。 优点：精度高、刚性大。 缺点：操作不便，易引起刀柄热疲劳变形。 液压膨胀夹头，在刀柄孔的周围是一个液压强，刀具插入刀柄后用螺栓推动油腔顶部的的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而加紧刀具。 优点：精