先进制造技术-高速加工课件

1高速铣削(HSM/HSC)技术

High

SpeedMachine/Cutting山东理工大学

机械电子工程系

袁光明1高速铣削(HSM/HSC)技术

21问题的提出2综合性高技术体系3发展的结果4加工策略与特点5CAM技术支持

保持刀具载荷的恒定减少速率损失6加工实例主要内容：21问题的提出主要内容：

3

就是以更快的速度运行已有的程序？

高速铣削是一种不同的、更好的加工复杂零件的方法！什么是高速铣削（HSM）？

超高速加工是指被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，使得切削力、温度、磨损明显优于传统切削速度。铝合金>1600m/min，钛合金>150-1000m/min车削700-7000m/min，铣削300-600m/min3就是以更快的速度运行已有的程序？什么是高速铣

4超高速切削技术切削速度为常规高10倍左右进给速度提高20倍切削机理发生了根本的变化单位功率的金属切除率提高了30~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低（2～3%），切削振动几乎消失4超高速切削技术切削速度为常规高10倍左右切削机理单位功率

5问题的提出

从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1S，快速空程速度已提高到30～50m/min。再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，且对提高机床的生产率意义也不大，矛盾的主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低切削工时（即提高切削速度和进给速度等），才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近20年来超高速切削技术得以迅速发展的历史背景。5问题的提出从提高生产率的角度看，机床和生产过程

6图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，1970～1980年，由于加工中心的大发展，零件加工的辅助工时迅速下降；80年代以来，由于高速切削技术的推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。在整个90年代，随着超高速切削技术的飞速进步，这个趋势将继续发展下去。6图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，197

7超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线超高速切削理论研究可追溯到1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙CarlSalomon发表的著名的超高速切削理论，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。不同工件材料的萨洛蒙曲线7超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线超高速切削理论研究可追溯

8超高速切削概念的产生可用下图示意萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值vc以后，切削速度再增大，切削温度反而降低。并指出vc之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内（B区），由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范围在美国被称之为“死谷”（deadvalley）。8超高速切削概念的产生可用下图示意萨洛蒙指出：在常规的切削

9实验研究由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限。但是，他的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C区)进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验采用了将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变。单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降。9实验研究由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切

10实验研究这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，目前这项理论研究工作还在进一步深入。10实验研究这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机

11超高速切削的应用研究在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的工作。1977年在一台带有高频电主轴的加工中心上进行超高速切削试验。其主轴转速可在1800～18000r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为76m/min。试验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增加了2～3倍，主切削力减小了70％，而加工的表面质量明显提高。美国11超高速切削的应用研究在证实和应用萨洛蒙理论方面

12超高速切削的应用研究受萨洛蒙理论的启发，美国空军和Lockheed飞机公司首先研究了用于轻合金材料的超高速铣削。1979年美国防卫高技术研究总署（DARPA）发起了一项“先进加工研究计划”（AdvancedMachiningResearchProgram），研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高。刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，并确定铝合金的最佳切削速度范围是1560～4500m/min。12超高速切削的应用研究受萨洛蒙理论的启发，美国空

13在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。1984年该部拨款1160万马克，组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）为首的、有41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的工艺技术，分别对各种工件材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了良好的经济效益。德国13在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。19

14日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现，在超高速切削时，切削热的绝大部分被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。日本1990年以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者。14日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现

15近年各国生产的高速加工中心和NC机床DMG(DECHELMAHOGILDMEISTER)MIKRONFIDIAINGERSOLLHASS哈挺威力明Röders15近年各国生产的高速加工中心和NC机床DMG(DECH

16超高速切削的相关技术工件材料超高速切削技术工件刀具机床切削过程工件夹持装置高速切削机理CAD/CAM过程监控刀具材料刀具几何参数安全装置机床基础件轻型溜板结构刀具结构CNC控制系统进给驱动装置排屑装置冷却系统刀具夹持装置主轴部件工件搬运工件特性16超高速切削的相关技术工件材料超高速工件刀具机床切削过程

17超高速切削技术的综合性高技术体系技术原理原理与条件切削力、温度高速构件动特性摩擦与磨损切屑形成基础技术刀具材料刀具几何与连接电主轴电机轴承高速传动与支撑件传感器及测控单元技术刀具制造与平衡主轴单元与进给高速CNC技术监控检测安全工艺DB与优化工具系统设备系统控制系统信息系统切屑形成总体技术17超高速切削技术的综合性高技术体系技术原理原理与条件基础

18HSM高速铣削是各种先进技术发展的结果：

1、CNC加工中心2、刀具/卡头/材料3、网络技术4、CAD/CAM提供的新的能力高速铣削是指一个全新的制造环境，包括了上述的所有方面的支持。18HSM高速铣削是各种先进技术发展的结果：

19在机床方面：床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，采用这种工艺和材料的好处是不仅能提高机床的整体刚度和稳定性，而且还具有良好的吸振性；铸铁龙门机床19在机床方面：床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床

20电主轴技术及其产品的专业化生产：高性能的电主轴是实现高速切削的基础，要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩，多数内装电机驱动。目前，瑞士Fisher公司和法国ForestLine公司生产的电主轴，其主轴转速最高达到180,000r/min，功率最大达70kw；20电主轴技术及其产品的专业化生产：高性能的电主轴是实现高

21快速进给系统：其直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了传动环节带来的累积误差，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。数控系统己经实现五轴五联动上至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms，并具有NURBS曲线插补功能。21快速进给系统：其直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免

22刀具技术：由于在高速切削时，切削力很小无需大的切削扭矩，以及离心力不容忽视，通常选用德国产的HSK型的短圆柄。为适应高速切削，刀具材料通常选用热稳定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、CBN刀具、PCD刀具、复合涂层刀具等。22刀具技术：由于在高速切削时，切削力很小无需大的切削扭矩

23高速切削技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日趋成熟，极大地推动了CAD／CAM软件的繁荣。目前，市场上出现了好多有关CAD／CAM的软件，其中，最为流行的要数EDS公司推出的UG软件、DassaultSyatem公司的CATIA、PTC公司的PRO/E以及DELCAM、Mastercam等。23高速切削技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展

241、小切量（侧向步距/切削深度）大约为传统加工用量的1/3；RPM-Upto120,000rev.permin.FEED-upto~80meterpermin.高速铣削的关键是改变了原有的加工策略2、高速度（主轴转速/进给速度）使用设备的最大允许参数241、小切量（侧向步距/切削深度）大约为传统加工用量的1

25高速铣削的关键是改变了原有的加工策略采用HSM的效果不是看是否减少了铣削加工的时间，而是从整个生产过程来看，降低了多少生产时间。下图显示：用HSM代替EDM降低了生产的时间。

由于采用小切削用量会导致铣削加工时间并未减少，但减少了整个生产时间。25高速铣削的关键是采用HSM的效果不是看是否减少了铣削加

26高速铣削的加工特点小切削用量—获得优良的表面质量在加工中，零件表面的粗糙度取决于相临刀具轨迹的大小，采用小的侧向进给可以减小残留高度从而得到更加光滑的表面质量，减少抛光的需要！在过去，如果采用小的切削用量会导致加工周期过长。但今天，由于各种条件已经允许很高的加工速度，使得小的切削用量成为可能！26高速铣削的加工特点在加工中，零件表面的粗糙度取决于相临

27高速铣削的加工特点小切削用量—实现精细加工高速铣削可以有效地使用精巧的小刀具进行加工，使得模具精细部位的加工成为可能，而可以避免使用大量的嵌件和电极（EDM）。加工参数：主轴转速20,000rpm,刀具直径4mm，切削深度0.6mm；加工效果：减少了240个嵌入的钉杆。27高速铣削的加工特点高速铣削可以有效地使用精巧的小刀具进

28高速铣削的加工特点小切削用量—加工高硬度材料（如50HRC）减少或避免了电极的设计与制造：电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程，而且使用电极进行加工也是一个费时的加工过程！材料硬度:54to56Rc槽宽:1mm槽深:8mm主轴转速:33,000rpm进给速率:3800mm/min刀具直径:1mm(v=100m/min)加工时间:35minutes28高速铣削的加工特点减少或避免了电极的设计与制造：电极的

29高速铣削的加工特点1、更快的电极制造：抛光时间缩短达50%到75%

（使用0.001inch的步距）；在进行精加工电极加工的同时，就可以进行模具的粗放电加工；

2、高质的电极制造：由于使用HSM加工使得抛光可以省去；保证了用户可以得到几乎完全相同的电极形状，使得用户在制造多型腔模具时，可以得到形状相同的零件。利用电极作为负极加工来提高放电加工的效率；小切削用量—使电极加工更高效29高速铣削的加工特点1、更快的电极制造：抛光时间缩短达5

30高速铣削的加工特点小切削用量—使电极加工更高效3、薄壁零件的加工成为可能。简化了工艺过程，提高了生产效率，缩短了生产时间；省掉了电极的设计与制造；30高速铣削的加工特点小切削用量—使电极加工更高效3、薄壁

31高速铣削的加工特点高速度1、减少了加工的刀具温度，刀具寿命得到极大的提高；

2、减少了对冷却的要求，如使用风冷即可达到满意的冷却效果！加工中的热量被刀屑迅速带走，从而31高速铣削的加工特点1、减少了加工的刀具

32HSM需要CAD/CAM系统的支持保持恒定的刀具载荷把进给速率变化降到最低使程序处理速度最大化32HSM需要CAD/CAM系统的支持保持恒定的刀具载荷把

33CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定1、刀具载荷的分析与优化：进给速率的自动调整（根据切削体积/根据切削角度）采用自动分层加工的方法来实现加工的合理性与载荷的恒定33CAM先进的高速铣削能力（一）1、刀具载荷的分析与优化

34CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定2、基于毛坯残留知识的加工智能实现优秀合理的二次粗加工；

WCUT/WITHSTOCK+MIN.STOCK时时检测当前状态下的毛坯状况，从而避免空走刀；

WithStock/Opt=>RemoveAirCUT时时检测当前状态下的毛坯状况，刀柄的干涉检查；

Opt=>ToolHolderGaugeCheck实现特定高度范围内的刀轨计算

LimitZup/Zdown/Between34CAM先进的高速铣削能力（一）2、基于毛坯残留知识的加

353、智能化的优秀斜率分析CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定等高粗加工（WCUT+BETWEENLAYER）：平坦区域与陡峭区域的自动识别，实现层间的自动再加工。获得接近零件形状的加工结果，使精加工的加工余量更均匀，加工的表面质量更好！353、智能化的优秀斜率分析CAM先进的高速铣削能力（一）

36CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定实现优秀的等高精加工(WCUT+HORIZ.)：平坦区域与陡峭区域的自动识别，实现灵活的垂直区域等高加工，平坦区域沿表面加工的加工策略！3、智能化的优秀斜率分析36CAM先进的高速铣削能力（一）实现优秀的等高精加工(W

37CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定实现特定区域内平坦区域/陡峭区域的精细加工；3、智能化的优秀斜率分析37CAM先进的高速铣削能力（一）实现特定区域内平坦区域/

38CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失1、灵活有效的进刀方式（1）轮廓切向进刀/退刀（2）曲面切向进刀/退刀38CAM先进的高速铣削能力（二）1、灵活有效的进刀方式（

39CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失2、刀路轨迹的拐角处理拐角采用圆弧走刀（AllCorner:Round）；拐角采用圆环式走刀（AllCorner:Loops）；39CAM先进的高速铣削能力（二）2、刀路轨迹的拐角处理拐

40CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失采用空间内向圆弧走刀；采用“高尔夫”式走刀3、光滑的移刀方法（1）行切的侧向移刀采用空间外向圆弧走刀；123440CAM先进的高速铣削能力（二）采用空间内向圆弧走刀；采

41CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（2）环切的侧向移刀空间螺旋式侧向移刀；41CAM先进的高速铣削能力（二）（2）环切的侧向移刀空间

42CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（3）WCUT粗加工的Z向移刀螺旋式进刀；空间圆弧式移刀；42CAM先进的高速铣削能力（二）（3）WCUT粗加工的Z

43CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（4）WCUT精加工的Z向移刀采用螺旋式进刀位置空间圆弧式移刀；43CAM先进的高速铣削能力（二）（4）WCUT精加工的Z

44CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（5）精加工的Nurbs插补OutputExample:44CAM先进的高速铣削能力（二）（5）精加工的Nurbs

45CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失4、先进的高速加工方式（1）粗切加工的圆弧插补在WCUT加工中，尽量采用圆弧插补来生成刀路轨迹；在POCKET加工中，尽量采用圆弧插补来生成刀路轨迹；45CAM先进的高速铣削能力（二）4、先进的高速加工方式（

46CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失3、先进的高速加工方式（2）轮廓粗切的螺旋式加工46CAM先进的高速铣削能力（二）3、先进的高速加工方式（

47CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失3、先进的高速加工方式（3）摆线式加工

Profile=>TORCHOID47CAM先进的高速铣削能力（二）3、先进的高速加工方式（

48CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失3、先进的高速加工方式（4）直导式/钻入式粗加工/插铣式

ROUGH_DRILL48CAM先进的高速铣削能力（二）3、先进的高速加工方式（

49CAM先进的高速铣削能力（三）高效的数控编程智能化的自动编程—利用CimatronNC模版基于参数化的工艺设定，加快和方便了工艺的定义和修改有效的安全干涉检查与优化，使生产更高效基于知识的加工使NC结果更合理49CAM先进的高速铣削能力（三）智能化的自动编程—利用C

50高速切削刀具50高速切削刀具

51数控机床切削刀具系统为了适应数控机床自动化程度的提高，充分发挥其高速、高效的特点，数控刀具的标准化程度日益提高，目前数控机床的刀具已经有数千个规格，并逐步形成了规格化的数控刀具系统。机夹可转位刀具已经占整个数控刀具的30％～40％。51数控机床切削刀具系统为了适应数控机床自动化程度的提高，

52数控机床对刀具的要求具有良好的切削性能，适应高速切削的要求；高可靠性；较高的刀具耐用度；高精度；可靠的断屑和排屑措施；精确而迅速的调整；自动且快速的换刀；刀具工作状态检测装置；刀具标准化、模块化、通用化和复合化。52数控机床对刀具的要求具有良好的切削性能，适应高速切削的

53数控机床所用刀具材料的类型1、刀具材料应具备的性能较高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性较高的耐热性较好的导热性良好的工艺性较好的经济性53数控机床所用刀具材料的类型1、刀具材料应具备的性能

542、常用的材料高速钢硬质合金

YG——加工铸铁和有色金属

YT——加工钢

YW——皆可涂层刀具陶瓷刀具数控机床所用刀具材料的类型542、常用的材料数控机床所用刀具材料的类型

55数控车床刀具（1）在数控车床车削加工中广泛采用不重磨机夹可转位车刀。特点：刀片各刃可转位轮流使用，减少换刀的时间；刀片不重磨，有利于采用涂层刀片；断屑槽型压制而成，尺寸稳定，节省硬质合金；刀杆、刀槽的制造精度高；55数控车床刀具（1）在数控车床车削加工中广泛采用不重磨机

56数控车床刀具（2）刀头与刀体的连接机夹可转位车刀由刀杆、不重磨刀片、刀垫和夹固元件组成。56数控车床刀具（2）刀头与刀体的连接机夹可转位车刀由刀杆

57数控车床刀具（3）普通车削、切断与切槽、螺纹车削、钻削、镗削57数控车床刀具（3）普通车削、切断与切槽、螺纹车削、钻削

58常规转塔58常规转塔

59普通钻削59普通钻削

60高速切削刀具60高速切削刀具

61高速切削刀具另一方法：采用电火花去除断裂丝锥61高速切削刀具另一方法：采用电火花去除断裂丝锥

62台阶和倒角钻削62台阶和倒角钻削

63台阶与倒角钻63台阶与倒角钻

64复合加工64复合加工

65中心喷液钻65中心喷液钻

66钻削工艺66钻削工艺

67切削参数67切削参数

68加工实例钻孔68加工实例钻孔

69加工样件实例石墨电极尺寸:

300mmx170mmx100mm

特别要求:长刀清腔

加工时间

:16h69加工样件实例石墨电极

70加工样件实例塑料模具尺寸:118mmx190mmx280mm物料:54HRC硬钢5面加工于:RFM1000S最小radius1mm

进给量:4,000mm/min

转速:30,000rpm加工时间:10小时70加工样件实例塑料模具尺寸:118mmx19

71加工样件实例超硬钢镶模物料:Hardness58HRC尺寸:65mmx40mm

中心16mm深,并需使用1mm直径小刀进行清腔.加工时间

:

粗加工:90分钟

半精加工:83分钟

精加工:237分钟71加工样件实例超硬钢镶模

72加工样件实例气缸模具加工物料:硬度35-38HRC,型腔部份800mmx350mmx100mm普通铣床粗加工至使用12mm波头刀.精加工在RFM1000S进行,最細R2mm

转速rpm30,000,进给量5,000mm/min,加工时间:40小时手工拋光减至原工时的20%,省80%加工时间。72加工样件实例气缸模具加工物料:硬度35-38

73加工样件实例音箱石墨电极尺寸350mmx200mm,9600个蜂巢形孔洞,最细

R0.2表面粗加工10mm波头刀,1,5mm铣刀粗加工蜂巢形孔洞,精加工0.4mm铣刀转速:42000rpm,加工时间:34小时，节省50%工时。73加工样件实例音箱石墨电极尺寸350mmx200

74加工样件实例反光灯模芯尺寸:30mmx30mmx15mm硬度:HRC54加工难点:最小圆弧半径0.3mm只能采用0.6mm的小铣刀加工工序:粗铣用6mm和2.5mm球面

铣刀,精铣用1mm及0.6mm铣刀主軸转速:41,000转/分

进给量:6,000mm/分加工工时:3小时表面质量:无需拋光,可直接用于注塑生产74加工样件实例反光灯模芯尺寸:30mmx30m

75加工样件实例三维型腔连杆锻模尺寸:300mmx145mm硬度:HRC51加工要求:高光洁度,加工后不需人手拋光直接用于锻造生

产,尽可能地缩短铣加工时间,提高产量

加工工艺：一次装夾,直接在硬钢料上铣削铣刀:粗铣用10mm球面铣刀半精铣用:6mm球面铣刀精铣用:4mm球面铣刀精铣肋条用:2mm球面铣刀进给量:5,000mm/分(最大)主軸转速:35,000转/分(最大)加工时间:按照客户要求改良铣削参數后,加工工时由10小时降为95分钟省卻:电极,电火花床,拋光75加工样件实例三维型腔连杆锻模尺寸:300mm

76加工样件实例汽车安全气袋塑胶模具尺寸:360mmx420mmx55mm粗加工15mm环面刀進进给量7,000mm/min物料48HRC硬钢半精加工10mm波头刀切削量0.2mm,18,000rpm,4,000mm/min进给量精加工8mm波头刀.30,000rpm,6,000mm/min进给量修整工件用4mm和2,5mm波头刀,6,000mm/min,进给量

35,000min-1加工时间:12hours76加工样件实例汽车安全气袋塑胶模具尺寸:360m

77加工样件实例加工铝及石墨螺旋体直径110mm,深度6mm,槽宽6mm铝件:6mm端铣刀分4刀成形,每刀1.5mm切削量进给量8000mm/min转速42000min-1加工时间

49seconds石墨:1刀成形进给量

22000mm/min转速42000min-1加工时间

9seconds77加工样件实例加工铝及石墨螺旋体直径110mm,深度6

78加工样件实例蜂窝状石墨电极尺寸:80mmx35mmx40mm特別要求:长径比1:18(2mm直徑,铣刀36mm长刀)轻切削量防止石墨破损进给量2000mm/min,转速40000min-1加工时间

:4hours78加工样件实例蜂窝状石墨电极尺寸:80mmx3

79加工样件实例精细石墨电极精細电极细,长(Ø0.4mm,高15mm)高精度和高的表面质量加工时间:67和52分钟.插头电极

最小刀具Ø0.2mm,长1.4mm加工时间:8.5分钟.79加工样件实例精细石墨电极精細电极插头电极

最小刀具Ø

80加工样件实例手提电话电极尺寸:

140mmx55mmx20mm要求:高精度高光洁度不能人工打磨使用小刀清腔加工时间:3小时17分8种不同刀具,最少刀具为R0.2mm

转速:rpm38,0001/min

进给量:8,000mm/min80加工样件实例手提电话电极

81高速铣削(HSM/HSC)技术

High

SpeedMachine/Cutting山东理工大学

机械电子工程系

袁光明1高速铣削(HSM/HSC)技术

821问题的提出2综合性高技术体系3发展的结果4加工策略与特点5CAM技术支持

保持刀具载荷的恒定减少速率损失6加工实例主要内容：21问题的提出主要内容：

83

就是以更快的速度运行已有的程序？

高速铣削是一种不同的、更好的加工复杂零件的方法！什么是高速铣削（HSM）？

超高速加工是指被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，使得切削力、温度、磨损明显优于传统切削速度。铝合金>1600m/min，钛合金>150-1000m/min车削700-7000m/min，铣削300-600m/min3就是以更快的速度运行已有的程序？什么是高速铣

84超高速切削技术切削速度为常规高10倍左右进给速度提高20倍切削机理发生了根本的变化单位功率的金属切除率提高了30~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低（2～3%），切削振动几乎消失4超高速切削技术切削速度为常规高10倍左右切削机理单位功率

85问题的提出

从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1S，快速空程速度已提高到30～50m/min。再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，且对提高机床的生产率意义也不大，矛盾的主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低切削工时（即提高切削速度和进给速度等），才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近20年来超高速切削技术得以迅速发展的历史背景。5问题的提出从提高生产率的角度看，机床和生产过程

86图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，1970～1980年，由于加工中心的大发展，零件加工的辅助工时迅速下降；80年代以来，由于高速切削技术的推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。在整个90年代，随着超高速切削技术的飞速进步，这个趋势将继续发展下去。6图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，197

87超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线超高速切削理论研究可追溯到1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙CarlSalomon发表的著名的超高速切削理论，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。不同工件材料的萨洛蒙曲线7超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线超高速切削理论研究可追溯

88超高速切削概念的产生可用下图示意萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值vc以后，切削速度再增大，切削温度反而降低。并指出vc之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内（B区），由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范围在美国被称之为“死谷”（deadvalley）。8超高速切削概念的产生可用下图示意萨洛蒙指出：在常规的切削

89实验研究由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限。但是，他的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C区)进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验采用了将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变。单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降。9实验研究由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切

90实验研究这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，目前这项理论研究工作还在进一步深入。10实验研究这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机

91超高速切削的应用研究在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的工作。1977年在一台带有高频电主轴的加工中心上进行超高速切削试验。其主轴转速可在1800～18000r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为76m/min。试验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增加了2～3倍，主切削力减小了70％，而加工的表面质量明显提高。美国11超高速切削的应用研究在证实和应用萨洛蒙理论方面

92超高速切削的应用研究受萨洛蒙理论的启发，美国空军和Lockheed飞机公司首先研究了用于轻合金材料的超高速铣削。1979年美国防卫高技术研究总署（DARPA）发起了一项“先进加工研究计划”（AdvancedMachiningResearchProgram），研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高。刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，并确定铝合金的最佳切削速度范围是1560～4500m/min。12超高速切削的应用研究受萨洛蒙理论的启发，美国空

93在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。1984年该部拨款1160万马克，组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）为首的、有41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的工艺技术，分别对各种工件材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了良好的经济效益。德国13在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。19

94日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现，在超高速切削时，切削热的绝大部分被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。日本1990年以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者。14日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现

95近年各国生产的高速加工中心和NC机床DMG(DECHELMAHOGILDMEISTER)MIKRONFIDIAINGERSOLLHASS哈挺威力明Röders15近年各国生产的高速加工中心和NC机床DMG(DECH

96超高速切削的相关技术工件材料超高速切削技术工件刀具机床切削过程工件夹持装置高速切削机理CAD/CAM过程监控刀具材料刀具几何参数安全装置机床基础件轻型溜板结构刀具结构CNC控制系统进给驱动装置排屑装置冷却系统刀具夹持装置主轴部件工件搬运工件特性16超高速切削的相关技术工件材料超高速工件刀具机床切削过程

97超高速切削技术的综合性高技术体系技术原理原理与条件切削力、温度高速构件动特性摩擦与磨损切屑形成基础技术刀具材料刀具几何与连接电主轴电机轴承高速传动与支撑件传感器及测控单元技术刀具制造与平衡主轴单元与进给高速CNC技术监控检测安全工艺DB与优化工具系统设备系统控制系统信息系统切屑形成总体技术17超高速切削技术的综合性高技术体系技术原理原理与条件基础

98HSM高速铣削是各种先进技术发展的结果：

1、CNC加工中心2、刀具/卡头/材料3、网络技术4、CAD/CAM提供的新的能力高速铣削是指一个全新的制造环境，包括了上述的所有方面的支持。18HSM高速铣削是各种先进技术发展的结果：

99在机床方面：床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，采用这种工艺和材料的好处是不仅能提高机床的整体刚度和稳定性，而且还具有良好的吸振性；铸铁龙门机床19在机床方面：床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床

100电主轴技术及其产品的专业化生产：高性能的电主轴是实现高速切削的基础，要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩，多数内装电机驱动。目前，瑞士Fisher公司和法国ForestLine公司生产的电主轴，其主轴转速最高达到180,000r/min，功率最大达70kw；20电主轴技术及其产品的专业化生产：高性能的电主轴是实现高

101快速进给系统：其直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了传动环节带来的累积误差，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。数控系统己经实现五轴五联动上至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms，并具有NURBS曲线插补功能。21快速进给系统：其直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免

102刀具技术：由于在高速切削时，切削力很小无需大的切削扭矩，以及离心力不容忽视，通常选用德国产的HSK型的短圆柄。为适应高速切削，刀具材料通常选用热稳定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、CBN刀具、PCD刀具、复合涂层刀具等。22刀具技术：由于在高速切削时，切削力很小无需大的切削扭矩

103高速切削技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日趋成熟，极大地推动了CAD／CAM软件的繁荣。目前，市场上出现了好多有关CAD／CAM的软件，其中，最为流行的要数EDS公司推出的UG软件、DassaultSyatem公司的CATIA、PTC公司的PRO/E以及DELCAM、Mastercam等。23高速切削技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展

1041、小切量（侧向步距/切削深度）大约为传统加工用量的1/3；RPM-Upto120,000rev.permin.FEED-upto~80meterpermin.高速铣削的关键是改变了原有的加工策略2、高速度（主轴转速/进给速度）使用设备的最大允许参数241、小切量（侧向步距/切削深度）大约为传统加工用量的1

105高速铣削的关键是改变了原有的加工策略采用HSM的效果不是看是否减少了铣削加工的时间，而是从整个生产过程来看，降低了多少生产时间。下图显示：用HSM代替EDM降低了生产的时间。

由于采用小切削用量会导致铣削加工时间并未减少，但减少了整个生产时间。25高速铣削的关键是采用HSM的效果不是看是否减少了铣削加

106高速铣削的加工特点小切削用量—获得优良的表面质量在加工中，零件表面的粗糙度取决于相临刀具轨迹的大小，采用小的侧向进给可以减小残留高度从而得到更加光滑的表面质量，减少抛光的需要！在过去，如果采用小的切削用量会导致加工周期过长。但今天，由于各种条件已经允许很高的加工速度，使得小的切削用量成为可能！26高速铣削的加工特点在加工中，零件表面的粗糙度取决于相临

107高速铣削的加工特点小切削用量—实现精细加工高速铣削可以有效地使用精巧的小刀具进行加工，使得模具精细部位的加工成为可能，而可以避免使用大量的嵌件和电极（EDM）。加工参数：主轴转速20,000rpm,刀具直径4mm，切削深度0.6mm；加工效果：减少了240个嵌入的钉杆。27高速铣削的加工特点高速铣削可以有效地使用精巧的小刀具进

108高速铣削的加工特点小切削用量—加工高硬度材料（如50HRC）减少或避免了电极的设计与制造：电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程，而且使用电极进行加工也是一个费时的加工过程！材料硬度:54to56Rc槽宽:1mm槽深:8mm主轴转速:33,000rpm进给速率:3800mm/min刀具直径:1mm(v=100m/min)加工时间:35minutes28高速铣削的加工特点减少或避免了电极的设计与制造：电极的

109高速铣削的加工特点1、更快的电极制造：抛光时间缩短达50%到75%

（使用0.001inch的步距）；在进行精加工电极加工的同时，就可以进行模具的粗放电加工；

2、高质的电极制造：由于使用HSM加工使得抛光可以省去；保证了用户可以得到几乎完全相同的电极形状，使得用户在制造多型腔模具时，可以得到形状相同的零件。利用电极作为负极加工来提高放电加工的效率；小切削用量—使电极加工更高效29高速铣削的加工特点1、更快的电极制造：抛光时间缩短达5

110高速铣削的加工特点小切削用量—使电极加工更高效3、薄壁零件的加工成为可能。简化了工艺过程，提高了生产效率，缩短了生产时间；省掉了电极的设计与制造；30高速铣削的加工特点小切削用量—使电极加工更高效3、薄壁

111高速铣削的加工特点高速度1、减少了加工的刀具温度，刀具寿命得到极大的提高；

2、减少了对冷却的要求，如使用风冷即可达到满意的冷却效果！加工中的热量被刀屑迅速带走，从而31高速铣削的加工特点1、减少了加工的刀具

112HSM需要CAD/CAM系统的支持保持恒定的刀具载荷把进给速率变化降到最低使程序处理速度最大化32HSM需要CAD/CAM系统的支持保持恒定的刀具载荷把

113CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定1、刀具载荷的分析与优化：进给速率的自动调整（根据切削体积/根据切削角度）采用自动分层加工的方法来实现加工的合理性与载荷的恒定33CAM先进的高速铣削能力（一）1、刀具载荷的分析与优化

114CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定2、基于毛坯残留知识的加工智能实现优秀合理的二次粗加工；

WCUT/WITHSTOCK+MIN.STOCK时时检测当前状态下的毛坯状况，从而避免空走刀；

WithStock/Opt=>RemoveAirCUT时时检测当前状态下的毛坯状况，刀柄的干涉检查；

Opt=>ToolHolderGaugeCheck实现特定高度范围内的刀轨计算

LimitZup/Zdown/Between34CAM先进的高速铣削能力（一）2、基于毛坯残留知识的加

1153、智能化的优秀斜率分析CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定等高粗加工（WCUT+BETWEENLAYER）：平坦区域与陡峭区域的自动识别，实现层间的自动再加工。获得接近零件形状的加工结果，使精加工的加工余量更均匀，加工的表面质量更好！353、智能化的优秀斜率分析CAM先进的高速铣削能力（一）

116CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定实现优秀的等高精加工(WCUT+HORIZ.)：平坦区域与陡峭区域的自动识别，实现灵活的垂直区域等高加工，平坦区域沿表面加工的加工策略！3、智能化的优秀斜率分析36CAM先进的高速铣削能力（一）实现优秀的等高精加工(W

117CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定实现特定区域内平坦区域/陡峭区域的精细加工；3、智能化的优秀斜率分析37CAM先进的高速铣削能力（一）实现特定区域内平坦区域/

118CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失1、灵活有效的进刀方式（1）轮廓切向进刀/退刀（2）曲面切向进刀/退刀38CAM先进的高速铣削能力（二）1、灵活有效的进刀方式（

119CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失2、刀路轨迹的拐角处理拐角采用圆弧走刀（AllCorner:Round）；拐角采用圆环式走刀（AllCorner:Loops）；39CAM先进的高速铣削能力（二）2、刀路轨迹的拐角处理拐

120CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失采用空间内向圆弧走刀；采用“高尔夫”式走刀3、光滑的移刀方法（1）行切的侧向移刀采用空间外向圆弧走刀；123440CAM先进的高速铣削能力（二）采用空间内向圆弧走刀；采

121CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（2）环切的侧向移刀空间螺旋式侧向移刀；41CAM先进的高速铣削能力（二）（2）环切的侧向移刀空间

122CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（3）WCUT粗加工的Z向移刀螺旋式进刀；空间圆弧式移刀；42CAM先进的高速铣削能力（二）（3）WCUT粗加工的Z

123CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（4）WCUT精加工的Z向移刀采用螺旋式进刀位置空间圆弧式移刀；43CAM先进的高速铣削能力（二）（4）WCUT精加工的Z

124CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失（5）精加工的Nurbs插补OutputExample:44CAM先进的高速铣削能力（二）（5）精加工的Nurbs

125CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失4、先进的高速加工方式（1）粗切加工的圆弧插补在WCUT加工中，尽量采用圆弧插补来生成刀路轨迹；在POCKET加工中，尽量采用圆弧插补来生成刀路轨迹；45CAM先进的高速铣削能力（二）4、先进的高速加工方式（

126CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失3、先进的高速加工方式（2）轮廓粗切的螺旋式加工46CAM先进的高速铣削能力（二）3、先进的高速加工方式（

127CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失3、先进的高速加工方式（3）摆线式加工

Profile=>TORCHOID47CAM先进的高速铣削能力（二）3、先进的高速加工方式（

128CAM先进的高速铣削能力（二）最大限度地减少速率损失3、先进的高速加工方式（4）直导式/钻入式粗加工/插铣式

ROUGH_DRILL48CAM先进的高速铣削能力（二）3、先进的高速加工方式（

129CAM先进的高速铣削能力（三）高效的数控编程智能化的自动编程—利用CimatronNC模版基于参数化的工艺设定，加快和方便了工艺的定义和修改有效的安全干涉检查与优化，使生产更高效基于知识的加工使NC结果更合理49CAM先进的高速铣削能力（三）智能化的自动编程—利用C

130高速切削刀具50高速切削刀具

131数控机床切削刀具系统为了适应数控机床自动化程度的提高，充分发挥其高速、高效的特点，数控刀具的标准化程度日益提高，目前数控机床的刀具已经有数千个规格，并逐步形成了规格化的数控刀具系统。机夹可转位刀具已经占整个数控刀具的30％～40％。51数控机床切削刀具系统为了适应数控机床自动化程度的提高，

132数控机床对刀具的要求具有良好的切削性能，适应高速切削的要求；高可靠性；较高的刀具耐用度；高精度；可靠的断屑和排屑措施；精确而迅速的调整；自动且快速的换刀；刀具工作状态检测装置；刀具标准化、模块化、通用化和复合化。52数控机床对刀具的要求具有良好的切削性能，适应高速切削的

133数控机床所用刀具材料的类型1、刀具材料应具备的性能较高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性较高的耐热性较好的导热性良好的工艺性较好的经济性53数控机床所用刀具材料的类型1、刀具材料应具备的性能

1342、常用的材料高速钢硬质合金

YG——加工铸铁和有色金属

YT——加工钢

YW——皆可涂层刀具陶瓷刀具数控机床所用刀具材料的类型542、常用的材料数控机床所用刀具材料的类型

135数控车床刀具（1）在数控车床车削加工中广泛采用不重磨机夹可转位车刀。特点：刀片各刃可转位轮流使用，减少换刀的时间；刀片不重磨，有利于采用涂层刀片；断屑槽型压制而成，尺寸稳定，节省硬质合金；刀杆、刀槽的制造精度高；55数控车床刀具（1）在数控车床车削加工中广泛采用不重磨机

136数控车床刀具（2）刀头与刀体的连接机夹可转位车刀由刀杆、不重磨刀片、刀垫和夹固元件组成。56数控车床刀具（2）刀头与刀体的连接机夹可转位车刀由刀杆

137数控车床刀具（3）普通车削、切断与切槽、螺纹车削、钻削、镗削57数控车床刀具（3）普通车削、切断与切槽、螺纹车削、钻削

138常规转塔58常规转塔

139普通钻削59普通钻削

140高速切削刀具60高速切削刀具

141高速切削刀具另一方法：采用电火花去除断裂丝锥61高速切削刀具另一方法：采用电火花去除断裂丝锥

142台阶和倒角钻削62台阶和倒角钻削

143台阶与倒角钻63台阶与倒角钻

144复合加工64复合加工

145中心喷液钻65中心喷液钻

146钻削工艺66钻削工艺

147切削参数67切削参数

148加工实例钻孔68加工实例钻孔

149加工样件实例石墨电极尺寸:

300mmx170mmx100mm

特别要求:长刀清腔

加工时间

:16h69加工样件实例石墨电极

150加工样件实例塑料模具尺寸:118mmx190mmx280mm物料:54HRC硬钢5面加工于:RFM1000S最小radius1mm

进给量:4,000mm/min

转速:30,000rpm加工时间:10小时70加工样件实例塑料模具尺寸:118m