机械制造过程高速切削工艺

机械制造过程高速切削工艺第1页，共34页，2023年，2月20日，星期一一.高速切削加工的定义

高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念。对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的切削速度并不相同。如何定义高速切削加工，至今还没有统一的认识。目前沿用的高速切削加工定义主要有以下五种：第2页，共34页，2023年，2月20日，星期一1）1978年，CIRP切削委员会提出以线速度（500~700）m/min的切削速度加工为高速切削加工。2）对铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡要求时的速度来定义高速切削加工。根据ISO1940标准，主轴转速高于8000r/min为高速切削加工。

第3页，共34页，2023年，2月20日，星期一3）德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所提出以高于（5~10）倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。

4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高速切削加工。DN值达（5~2000）xmm．r/min时为高速切削加工。第4页，共34页，2023年，2月20日，星期一

5）从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工。这种定义取决于刀具振动的主模式频率，它在ANSI/ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。第5页，共34页，2023年，2月20日，星期一

因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。根据不同的切削条件，具有不同的高切削速度范围。目前，加工铝合金已达到2000－7500m/min；铸铁为900－5000m/min；钢为600－3000m/min；耐热镍基合金达500m/min；钛合金达150－1000m/min；纤维增强塑料为2000－9000m/min。第6页，共34页，2023年，2月20日，星期一二.高速切削的历史

美国于1960年前后开始进行高速切削实验。1977年美国在一台带有高频电主轴的加工中心上进行了高速切削实验，其主轴转速可以在1800~18000r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为7.6m/min。第7页，共34页，2023年，2月20日，星期一 在德国，1984年国家研究技术部组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所为首，包括41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了高速切削机床、刀具、控制系统以及相关技术。他们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，获得了好的经济效益。第8页，共34页，2023年，2月20日，星期一 日本与20世纪60年代就着手高速切削机理的研究，日本厂商现已成为世界上高速机床的主要提供者。我国早在20世纪50年代就开始研究高速切削，但由于各种条件限制，进展缓慢。

第9页，共34页，2023年，2月20日，星期一三.高速切削加工基础

高速切削加工切屑形成

根据工件材料和切削条件的不同，切削时通常形成四种类型的切屑：连续切屑、节状切屑、单元切屑、崩碎切屑。高速切削时，特别是自动化加工中，切屑的类型非常重要，长的连绵不断的连续切屑，缠绕工件或刀具，损坏工件和刀具表面，伤害操作者，无法正常切削，甚至损坏机床。周期性的节状或单元切屑，会造成高速切削力的高频变化，从而影响加工精度与表面粗糙度和刀具寿命。

第10页，共34页，2023年，2月20日，星期一第11页，共34页，2023年，2月20日，星期一四.高速切削的优点

1、随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5~10倍。高速切削的材料去除率通常是常规的3～6倍，甚至更高。同时机床快速空程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。

2、刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数减小，切削力降低大概30%~90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。第12页，共34页，2023年，2月20日，星期一

3、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，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。

4、工件表面质量好。工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。

5、高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。第13页，共34页，2023年，2月20日，星期一

6、可完成高硬度材料和硬度高达hrc40-62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工的3~6倍，而且获得十分高的表面质量，基本上不用钳工抛光。

7、降低成本。第14页，共34页，2023年，2月20日，星期一五.高速切削机床的技术 高速电主轴单元

机电一体化的主轴，即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为“恒温”；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主轴转速就可以轻而易举地达到0～42000r/min，甚至更高。不仅如此，由于结构简化，造价下降，精度和可靠性提高，甚至机床的成本也下降了。噪声、振动源消除，主轴自身的热源也消除了。

第15页，共34页，2023年，2月20日，星期一第16页，共34页，2023年，2月20日，星期一 电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的.它的优点不仅是简化了主传动结构,减少主传动系统的转动惯量,而且降低了功耗,提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力,从而也可实现定角度的快速准停功能,这对高速加工机床是十分重要的。

第17页，共34页，2023年，2月20日，星期一六.高速切削加工工艺技术高速切削工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一。选择不当，会使刀具磨损加剧，完全达不到高速加工的目的。高速切削工艺技术包括切削参数、切削路径、刀具材料及刀具几何参数的选择等。

第18页，共34页，2023年，2月20日，星期一

1.切削参数的选择

在高速切削加工中，必须对切削参数进行选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程（顺铣还是逆铣）等．第19页，共34页，2023年，2月20日，星期一

2.切削路径的优化选择

①走刀方向的优化在走刀方向的选择上，以曲面平坦性为评价准则，确定不同的走刀方向选取方案；对于曲率变化大的曲面以最大曲率半径方向为最优进给方向，对曲率变化小的曲面，以单条刀轨平均长度最长为原则选择走刀方向。

②刀位轨迹生成按照刀位路径尽可能简化，尽量走直线，路径尽量光滑的要求选择加工策略，选择合适的插补方法，保证加工面残留高度的要求，采用过渡圆弧的方法处理加工干涉区，这样在加工时就不需要减速，提高加工效率。

③柔性加减速和断刀的几率。选取合适的加减速方式，减少启动冲击，保持机床的精度，减少刀具颤振。

第20页，共34页，2023年，2月20日，星期一

3.刀具材料的选择

①切削刀具材料与加工对象的力学性能匹配，主要指刀具与工件材料的强度、韧性和硬度等力学性能相匹配。

②切削刀具材料与加工对象的物理性能匹配，土要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击能力等物理参数要相匹配。

③切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能相匹配。

第21页，共34页，2023年，2月20日，星期一

4.干式（准干式）切削技术

高速加工中不采用切削液或采用微量的切削液可以带来大量的好处,降低切削过程对环境的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成本、降低切削过程对环境的危害、提高切屑的回收利用率等。第22页，共34页，2023年，2月20日，星期一

5.加工误差综合动态补偿技术

高速切削加工中误差产生的主要原因有伺服系统的滞后、加减速引起的滞后、插补周期引起的形状误差、数控系统的轮廓误差等。

目前采用的补偿技术有：温度补偿、象限补偿、丝杠误差补偿、使用非均匀有理B样条插补、纳米插补、加减速预测及控制伺服电机最佳加减速转矩、进行前瞻性控制、刀具长度补偿、刀具中心点及半径补偿、冲击控制等。第23页，共34页，2023年，2月20日，星期一七.高速机床

1.高速车床

高速车床需要有相当的大功率覆盖粗加工范围。所以，必须采用新观念设计机床，以满足高速加工时机床的刚性要求，特别重要的是直接驱动和较松的支撑顶尖，以消除巨大的轴向力。高速车床的卡盘/工作区应该完全被罩起来，保护罩应该使用弹性的和能够吸收能量的夹层结构。

在设计或选择车床主轴时采用结构紧凑的主轴结构，在主轴转速允许的条件下尽量选大直径。高速车削加工中的一个技术难点是工件的夹紧方法，要开发用于高速车床的专用卡盘。第24页，共34页，2023年，2月20日，星期一第25页，共34页，2023年，2月20日，星期一

2.高速钻床

高速钻床属于粗加工。具有立式和卧式主轴的工作台式和龙门式钻床都可以用做高速钻床。高速钻削要求主轴有足够高的转速，切削速度大于100m/min；稳定性好，特别是动刚度高。快速攻螺纹还要求快速反转、定位和速度控制。在高速钻削加工中，内冷钻头需要高压、大流量切削液以及很细的过滤器。

第26页，共34页，2023年，2月20日，星期一第27页，共34页，2023年，2月20日，星期一3.高速铣床

第28页，共34页，2023年，2月20日，星期一

4.高速车铣床

车铣床是集车、铣功能于一体的机床，或者说是在车床上加上高速铣头而形成的具有车、铣功能的机床，使机床具有更大的加工范围。这种机床可以车削为主，也可以以铣削为主。

第29页，共34页，2023年，2月20日，星期一

5.高速虚拟轴机床

虚拟轴机床与传统机床相比，还有很多优异的性能。虚拟轴机床实际上是一个空间并联杆机构，用了基于Stewart平台原理的并联闭锁多自由度驱动机构，其六根杆即六个并联连杆。它的运动误差不会像串联机床那样相互叠加，因此在理论上讲，虚拟轴机床的精度应高于传统机床。第30页，共34页，2023年，2月20日，星期一第31页，共34页，202