《现代制造技术》先进制造技术 第2章 高速切削技术 2-2

三、高速机床的进给系统1.高速机床对进给系统的要求（1）要求①与高速主轴相匹配的高进给速度，目前的基本要求为60m/min以上，极端情况可达120m/min以上；②动态性能好，具有良好的快速响应特性，能实现快速的伺服控制和误差补偿；③在高速下仍有高的定位精度；④加速度大，以保证在极短的行程内达到高速和瞬时准停。⑤高可靠性和高安全性。（2）传统进给系统存在的问题旋转电动机+滚珠丝杆存在问题①

刚度低、惯量大：易产生扭振；②非线性严重，不易实现闭环控制；③传动误差大，影响加工精度；④机械传动链复杂；⑤噪声大；⑥传动效率低。解决途径

①

新型高速高精度滚珠丝杠副

②

零传动：直线伺服电动机（直线进给）、新型环形伺服电动机。2.高速滚珠副传动系统（1）技术创新点①提高系统刚度：丝杠中空结构，预拉伸处理。②增大丝杠螺母的导程和螺纹头数：在保证足够刚度的基础上，增大丝杠螺母的导程和螺纹头数是提高滚珠丝杠螺母副直线运动速度的有效途径。线速度可达60m／min左右。③实施强制冷却:将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却。④螺母结构特殊设计：适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，将滚珠链中的钢珠按一大一小间隔排列等。对螺纹滚道和反向装置(回珠器)进行优化设计，可改善滚珠快速滚动时的流畅性。⑤滚珠采用陶瓷新材料：陶瓷材料具有硬度高、密度小、弹性模量大、线膨胀系数小、耐磨损、寿命长等突出优点。⑥对螺母预加载荷进行自适应控制：通过传感器对螺母预紧力进行实时监测和控制，使其总是保持在最佳状态上。⑦采用螺母高速旋转同时作轴向移动、丝杠不动的运动分配方案：可有效消除丝杠临界转速的限制，此外，还可在一根丝杠上配置两个以上分别驱动的螺母，实现一轴多驱动。⑧采用双电动机驱动结构：两个伺服电动机分别驱动丝杠和螺母。当两电动机的转速相同但旋转方向相反时，在不增加丝杠转速的情况下，被驱动部件(工作台等)的进给速度可提高一倍。此外，该结构还可实现同方向差动驱动，有利于实现精确微进给。（2）存在问题①制造难度大;②仍达不到高速度和高加速度;③进给行程有限，一般不超过4～6m;④仍然有非线性，全闭环时系统稳定性不易保证。3.直线电动机进给驱动系统1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威国际机床展览会上展出了HSC-240型高速加工中心，采用德国Indramat公司的感应式直线电动机。工作台最高进给速度为60/min。同时，美国Ingersoll公司在HVM-800型高速加工中心上，采用了美国Anorad公司的永磁式直线电动机，工作台最高进给速度为76.2m/min。直线伺服电动机驱动的高速进给单元优点

①速度高。直线电动机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动，目前其最大进给速度可达80一180m／min。

②加速度大。直线电动机的起动推力大，结构简单、重量轻，运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可高达2g—10g。

③定位精度高。直线电动机进给系统常用光栅尺作为工作台的位置测量元件，并且采用闭环控制，通过反馈，对工作台的位移精度进行精确的控制，因而刚度高，定位精度高达0.1~0.01μm。

④行程不受限制。由于直线电动机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级(工作台)就可运动到哪里，不管有多远，对整个系统的刚度不会有任何影响。（1）直流直线电动机进给伺服系统定子由永久磁铁构成，动子由硅纲片叠装或其它导磁材料构成。动子上开有凹槽，嵌有动子绕组。电磁力控制是直线电动机驱动与控制的基本问题，只有实现对电磁力的有效控制，才有可能对电动机速度和位置进行高精度的闭环控制，从而使高速机床的进给系统达到高的动态与稳态性能。电磁力F的计算公式如下：

式中Ci——电磁力常数。直流直线电动机采用永久磁铁励磁，Φ为常数。由上式可知，电磁力正比于动子绕组电流I。优点：运动速度快，加速度大，并且结构简单，制造成本低。缺点：运动行程比较短。直流直线电动机一般常用来作为高速数控车床的横向(X轴)进给驱动。（2）交流永磁同步直线电动机进给驱动系统

由被驱动对象、直线电动机和驱动控制系统等几个部分组成。直线电动机主要由定子、动子、支撑导向装置和检测环节四部分组成。其中，定子由硅钢片叠装构成，在其上开有线槽，槽内嵌入三相多级绕组。在动子上沿运动方向等间隔安装永磁体。检测环节可采用高精度光栅、磁效应检测装置等，作用：直线电动机控制动子磁极位置提供信息，对机床运动部件的实际位移进行精确检测，以实现对机床运动的全闭环反馈控制。交流永磁同步直线电动机的定子绕组中通入对称三相交流电流后，将产生沿电动机运动方向的行波磁场。由于行波磁场的磁极与动子永久磁场的磁极间存在磁拉力，这样，当定子行波磁场的磁极运动时，在各对相互吸引的磁极间的磁拉力共同作用下动子将得到一合力，该力将克服动子所受阻力(负载等)而带动动子运动。这种驱动动子克服外力而运动的力，即为交流永磁同步直线电动机输出的电磁力。

（3）交流异步直线电动机进给驱动系统

交流异步直线电动机的结构与交流永磁同步直线电动机相类似，其定子结构基本相同，但动子结构有较大差别。动子一般由硅钢片叠装或其他导磁材料构成，动子上开有凹槽，其中嵌有导条或绕组。交流异步直线电动机的定子和动子分别与机床的固定和运动部件直接连接。一般采用高精度光栅、感应同步器等作为检测装置，以保证闭环控制的实现。4.进动系统设计和选用中的其它问题①运动部件结构轻量化问题②导轨问题③检测装置问题④安全防护问题四、高速机床支撑部件支承件包括床身、立柱、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等，它们是机床的基础部件。固定支撑件必须具有足够的强度和刚度、高的结构刚性和高水平的阻尼特性，使机床受到的激振力很快衰减。提高固定支撑件抵抗振动能力的具体措施：

①对于床身基体等支撑部件采用非金属环氧树脂、人造花岗石、特种钢筋混凝土或热膨胀系数比灰铸铁低1/3的高镍铸铁等材料制作。②合理设计其截面形状、合理布置筋板结构，以提高静刚度和抗振性。③大件截面采用特殊的轻质结构。④尽可能采用整体铸造结构。加工中心立柱横截面XK716立式加工中心；STAMA-MC118立式加工中心。高速加工中心床身截面

某高速车削中心的底座和床身结构

五、高速数控系统1.高速加工机床CNC数控系统应满足以下基本要求为了适应高速，要求单个程序段处理时间短；为了在高速下保证加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能；要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点；程序算法应保证高精度。2.特点采用多CPU微处理器以及64位RISC芯片结构；能够迅速、准确地处理和控制信息流，把其加工误差控制在最小，同时保证控制执行机构运动平滑、机械冲击小。CNC要有足够的容量和较大的缓冲内存，以保证大容量的加工程序高速运行。一般还要求系统具有网络传输功能，便于实现复杂曲面的CAD/CAM/CAE一体化。六、高速加工中心1.特征加工中心具有如下特征：①有自动换刀装置（包括刀库和换刀机械手），能实现工序间的自动换刀，这是加工中心最突出的特征。②三坐标以上的全数控。③在一次装夹中，能完成多工序加工，故一般应具有回转工作台，并可配置自动更换的双工作台，实现机床上、下料的自动化。加工中心控制结构

高速加工中心不仅主轴转速高，进给速度和加速度高，而且又要用于高精度和大切削量零部件的加工；高速加工中心不仅切削过程实现了高速化，而且还要进一步减少辅助时间，提高空行程速度、刀具交换速度和装卸工件的速度。类型①以高转速为主要特征的高速加工中心HSM（Highspeedmachining），主要用在模具工业及航空工业，切削时间占整个加工时间的大部分，在飞机机翼薄板类零件的加工中甚至高达90%。提高切削效率成为这类机床的主要目标。②加工汽车零部件的高速加工中心，其主轴转速为8000~15000rpm，辅助时间占整个加工时间约70%。提高生产率不仅要提高切削速度，而且也要大幅度提高辅助运动速度，包括快速空行程、大的加减速度、快速换刀以及快速交换工件等。这类高速加工中心型，可称为高移速加工中心HVM（HighVelocityMachining），即以提高移动速度及相应的加速度为第一要求。2.快速换刀装置快速自动换刀技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速机床结构特点等多方面的问题。（1）换刀速度指标

快速换刀的一些新方法多主轴换刀双主轴换刀刀库布置在主轴周围的转塔方式多机械手方式§2.4高速加工工具系统机床工具系统主要是指机床主轴与刀具的连接系统，包括主轴、刀柄、刀具和夹紧机构等，其核心是连接刀柄。一、高速加工工具系统应满足的要求①高定位精度，包括径向定位精度和轴向定位精度。②高动力传递能力切削加工时刀具受到各种力的作用，这些力包括径向力、轴向力、弯矩、扭矩等。这些力最终都要由工具系统来传递和承受。工具系统还必须传递和保持足够的夹紧力。③传递高速运动的能力由于高速加工时主铀的转速很高，工具系统受到巨大的离心力作用，必须考虑离心力引起的零部件的变形对其功能的影响。④高刚度和阻尼特性工具系统的刚度包括静刚度和动刚度。高阻尼有利于提高工具系统的动刚度。⑤介质的传递能力能够输送切削加工中所需的切削液和相关的机械、液压或电气信号。除应满足上述基本功能要求外，高速加工工具系统还要具有抗化学腐蚀能力、热变形补偿能力、抗污能力、过载保护能力以及便于换刀和调整等。二、常规工具系统常规数控工具系统（镗铣类）按结构可分为整体式结构（TSG工具系统）和模块式结构（TMG工具系统）两大类。经常采用的是BT刀柄，刀柄柄部一般采用7：24锥度。早期刀柄采用（a）（c）柱面刀柄方案，存在缺点：刀柄装卸不方便，刀柄径向磨损后没有自补偿能力，不可重磨。现代机床上一般都使用锥面刀柄，并以（e）方案的刀柄为主流刀柄（如目前加工中心中被广泛使用的BT刀柄，其锥度为7：24），并有采用（f）端面定位方案的趋势(如德国的HSK刀柄，美国的KM刀柄，日本的NC5和BIG—PLUS刀柄等）。锥面刀柄特点：刀柄装卸方便，径向定位精度高，刀柄径向磨损后具有自补偿雕力，精度保持性好，锥面可重磨。而增加端面接触可以提高刀柄的轴向定位精度和刚度，也可以使刀柄的径向刚度得到提高，属过定位，为了保证锥面和端面同时接触，对刀柄和主轴提出了很高的制造要求。

优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠。

7：24锥度刀柄高速加工

主轴膨胀量大缺点：1.单独锥面定位：径向定位精度不够，存在间隙。

2.刀柄与锥孔膨胀大小不一致：由于离心力的作用会发生膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大；实心刀柄则膨胀量较小，锥孔膨胀量较大，总的锥度连接刚度会降低。3.难以实现精确动平衡。传递转矩的键和键槽、锥柄较长，很难实现全长无间隙配合。4.重复安装精度不够。

5.刀柄内陷主轴孔，难以拆卸。主轴转速达到某一极限值(n=15000r/min，F=15kN)时，主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极大地降低了刀柄在主轴锥孔内的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可靠性。联结面间的间隙(单位:m)联结面间的接触应力(单位:N/m2)

7:24刀柄与主轴的联结(转速n=15000r/min,轴向拉力F=15kN

三种代表性的高速工具系统在高速运转条件下，刀具系统(包括刀具、刀柄以及和主轴的配合等)微小的不平衡，都可能造成巨大的离心力，引起机床和加工过程的急剧振动。措施①刀柄的横截面采用空心薄壁结构，以便减少由于离心力而产生的与主轴孔和刀柄的膨胀差异，保证刀柄在主轴孔的可靠定位。②采用具有端面定位的工具系统的结构。（a）HSK刀柄；（b）KM刀柄；（c）NC5刀柄。锥度：从新老工具系统的继承性角度考虑，高速加工工具系统的锥角最好是与目前广泛使用的BT刀柄一致，即采用7：24的锥度，这样就无需改进机床；采用7：24的锥度会给具有端面定位的空心短锥工具系统性能带来严重的影响。7：24的锥度设计并没有考虑采用端面定位时过定位带来的对制造精度的影响。由于锥角较大，当锥体直径方向产生1μm的误差时，允许的轴向端面位置误差只有大约3μm，这对工具系统的制造是不利的。锥度较大时，刀柄锥体小端直径较小，锥体空心部分的空间较小，不便于安装内涨式高效夹紧机构。为了减小工具系统的制造精度对过定位的影响，保证刀柄的端面和锥面同时被定位、夹紧，应采用较小的锥角。由于钢材的摩擦因数大约为0.1，为了保证刀柄夹紧后能自锁，刀柄的锥角应小于0.1，但过小的锥角会增加刀柄锥面的磨损，所以锥体的锥度以1：20~1：10为宜。三、高速工具系统1、HSK工具系统1987年，德国阿亨（Aachen）工业大学机床研究所立项研究一种新型高速刀柄。1991年10月，德国DIN标准研究小组在阿亨工业大学研究报告的基础上，发布了两个试行标准，即DIN69693空心短圆柱刀柄（HSZ型）和DIN69893的空心短圆锥刀柄（HSK型）。两种刀柄都有A型和B型。HSK刀柄A型主要用于铣床和加工中心，B型主要用于车床。

1994年又开发了HSK的C、D、E和F型刀柄。其中，E型和F型主要针对HSK的A、B、C和D型刀柄结构的不对称性，解决在高速下所造成的动平衡问题而开发的新型刀柄。HSK主轴1：10短锥面，由锥面(径向)和法兰端面(轴向)双面接触。由锥面实现刀具与主轴之间的同轴度，锥柄的锥度为1:10.HSK-A,B型为自动换刀刀柄，HSK-C,D型为手动换刀刀柄HSK-E,F型为无键连接，对称结构，适用于超高速切削。型号结构特点应用领域HSK-A具有供机械手夹持的V形槽，有放置控制芯片的圆形孔，有内部冷却液通道，锥体尾部有两个传递扭矩的键槽。推荐用于自动换刀，也可手动换刀，适用于中等扭矩、中等转速的一般加工，达到一定转速时要进行动平衡。HSK-B相同的锥体面积，圆柱直径比A型大一号，有穿过圆柱部分的外部冷却液通道，传递扭矩的键槽在圆柱端面。推荐用于自动换刀，也可手动换刀，适用于较大扭矩、中等转速，也需要动平衡。HSK-C圆柱面没有机械手夹持用V形槽，其余同A型。手动换刀的一般加工。HSK-D圆柱面没有机械手夹持用V形槽，其余同B型。手动换刀的车削加工。HSK-E与A型相似，但完全对称，没有键槽和缺口，扭矩由摩擦力传递。适用于低扭矩、高速、自动换刀加工。HSK-F相同的锥体直径，圆柱部分直径比E型大一号，其余同E型。适用于在大的径向力条件下高速加工，常用于自动机床和木材加工。刀柄由锥面（径向）和法兰端面（轴向）共同实现与主轴的连接，由锥面保证刀具与主轴之间的同轴度，锥柄的锥度为1：10。优点：①采用锥面、端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度；②因锥部长度短和采用空心结构后质量较轻，故自动换刀动作快，可以缩短移动时间，加快刀具移动速度；③采用1：10的锥度，与7：24锥度相比锥部较短，楔形效果较好，故有较强的抗扭能力，且能抑制因振动产生的微量位移；④有比较高的重复安装精度；⑤刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力（扩张力）越大，锁紧力越大，故这种刀柄具有良好的高速性能，即在高速转动产生的离心力作用下，刀柄能牢固锁紧。HSK缺点：①与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容；②同时轴向、径向定位，制造精度要求较高，结构复杂。③柄部为空心结构，装夹刀具的结构必须设置在外部，增加了整个刀具的悬伸量，影响刀具的刚性。④修复重磨困难。⑤它成本较高(刀柄的价格是普通标准7/24刀柄的1.5～2倍)；⑥锥度配合过盈量较小(是KM结构的1/5～1/2)，极限转速比KM结构低HSK工具系统的工作原理（a）夹紧前；（b）夹紧后。(a)联结面间的间隙(单位:m)(b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)

HSK-A63刀柄与主轴的联结(n=10000r/min)

(a)7:24(b)HSK-A63

旋转速度对径向间隙的影响(n=10000r/min)

7:24联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，无法使用。HSK－63A刀柄系统最佳转速范围为0－30000r/min，超过这个范围精度降低2、KM工具系统1987年，美国Kennametal公司及德国Widia公司联合研制了“1：10短锥空心KM刀柄”，并首次提出了端面与锥度双定位原理。KM刀柄采用1：10短锥配合，锥柄的长度仅为标淮7：24锥柄长度的1／3，由于配合锥度较短，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。刀柄设计成中空的结构，在拉杆轴向拉力作用下，短锥可径向收缩，实现端面与锥面同时接触定位。由于锥度配合部分有较大的过盈量(0.02-0.05mm)，所需的加工精度比标准的7：24长锥配合所需的精度低。与其他类型的空心锥连接相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，主轴锥孔在高速旋转时的扩张小，高速性能好。KM刀柄分为手动换刀和自动换刀两种。KM工具系统的主要缺点是主轴端部需重新设计，与传统的7：24锥连接不兼容；短锥的自锁会使换刀困难；由于锥柄是空心的，所以不能用作刀具的夹紧，夹紧需由刀柄的法兰实现，这样增加了刀具的悬伸量，对于连接刚度有一定的削弱。由于端面接触定位是以空心短锥和主轴变形为前提实现的，主轴的膨胀会恶化主轴轴承的工作条件，影响轴承的寿命。

3、NC5工具系统日本株式会社日研工作所研制的。也采用了1：10锥度的双面定位型结构，与HSK不同的是NC5采用了实心结构，其抗高频颠振能力优于空心结构。其本体柄部为圆柱形，在该圆柱面上配有带外锥面的锥套，锥套大端与刀柄本体的法兰端面之间设有碟形弹簧，具有缓冲抑振效果。NC5刀柄具有如下特点：

1)因采用锥套碟形弹簧的组合式结构，通过锥套的微量位移，可以有效地吸收锥部基准圆的微量轴向位置误差，以便于缓和刀柄的制造难度，且不存在互换性问题，能可靠地实现双向约束。2)弹簧的预压作用还能衰减切削时61微量振动，有益于提高刀具的耐用度，改善加工表面的粗糙度；当高速旋转因离心力致使锥孔扩张时，在碟形弹簧的作用下锥套产生轴向位移，补偿径向间隙，确保径向精度，因刀柄本体末产生轴向位移故又能确保轴向精度；3)刀柄为实心结构，与刀具连接的结构可设在刀柄本体内，有益于缩短整个刀具的外伸长度。§2.5高速切削刀具技术一、刀具材料

刀具材料的耐高温和耐磨损曾阻碍了高速切削技术的应用。高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削对刀具材料的要求：①高硬度、高强度和耐磨性②韧度高，抗冲击能力强；③高的热硬性和化学稳定性；④抗热冲击能力强。⑤高的可靠性：寿命高、质量一致性好、切削刃的重复精度高。涂层刀具：在抗冲击韧度好的刀具材料基体上，加上高热硬性和耐磨性镀层将CBN和金刚石材料烧结在抗冲击韧度好的硬质合金或陶瓷材料上。1.金刚石刀具碳的同素异构体，目前最硬的材料；包括天然金刚石和人造金刚石(PCD)。特性：

①极高的硬度和耐磨性:HV10000,耐磨性为硬质合金的80-120倍。

②各向异性能；

③较低的摩擦系数；

④刀刃异常锋利；⑤高的导热性；⑥较低的热膨胀系数；聚晶金刚石（PCD）以石墨为原料，加入催化剂，经高温高压烧结而成。强度韧性大；成本低；具有导电性，便于切割。分为整体聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。聚晶金刚石刀具被称之为21世纪的刀具，它特别适用于切削含有SiO2的铝合金材料，而这种金属材料重量轻、强度高，广泛地应用于汽车、摩托车发动机、电子装置的壳体、底座等方面。目前，用聚晶金刚石刀具端面铣削铝合金时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平。2.立方氮化硼(CBN)刀具1957年，合成了CBN；CBN是BN的同素异构体，与金刚石结构相似，具有与金刚石相似的性能；端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min，主要用于灰口铸铁的切削加工。PCBN，聚晶立方氮化硼，在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，与CBN相比，便于制造。3.陶瓷刀具陶瓷刀具主要原料氧化铝、氧化硅等，并添加了各种碳化物、氮化物、硼化物等，并采用各种增韧机制进行增韧补强，提高其抗弯强度、断裂韧性和抗冲击性。优点：具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能，与金属的亲和力小，化学稳定性好。缺点：强度和韧性差，热导性好。主要有氧化铝基陶瓷刀具材料和氮化硅基陶瓷刀具材料增韧措施：颗粒弥散增韧、相变增韧、晶须增韧等4.硬质合金涂层刀具硬质合金刀具材料韧性好、抗冲击、通用性好，但耐热和耐磨性差。刀具涂层技术可以克服这一缺点。涂层技术：①CVD（化学气相沉积）：适用于硬质合金车削类刀具，中、重型切削；②PVD（物理气相沉积）：高速钢类刀具。刀具涂层材料：高硬度耐磨化合物。要求：涂层与基体之间有比较高的结合强度；涂层材料与基体材料之间有较低的化学活性。①涂层化合物：TiC,TiN,AI2O3②复合化合物：TICN,TiAIN③软涂层材料④复合涂层刀具5.刀具材料的选用

高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。

刀具材料性能

①硬度：金刚石PCD>立方氮化硼PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。

②抗弯强度：HSS>WC基>TiC(N)基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN。

③断裂韧性大小：HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基。

④耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。

加工不同金属时的材料选用

①加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。

②加工钢和铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。

③加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si3N4基陶瓷刀具(如SiC晶须增韧)和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。

④加工钛合金：一般可用WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。二、高速刀具夹头及刀具装夹技术弹簧夹头、螺钉等传统的刀具装夹方法不能满足高速加工的需要。弹簧夹头的工作原理为旋紧螺母一压入套筒-套筒内径缩小，夹紧刀具，影响其夹持精度的因素除了夹头本体的内孔精度、螺纹精度、套筒外锥面精度、夹持孔精度及螺纹精度外，螺母与套简接触面的精度以及套筒的压入方式也很重要。切削刀具专业公司，如雄克(SCHUNK)、日研、大昭和、EPb、wohlhaupter、EMUGE等公司分别开发出了高精度液压夹头、热装夹头、三棱变形夹头、内装动平衡机构的刀柄、转矩监控夹头等新产品。这些夹头的特点是：①夹紧精度高，在悬伸3D(D——机床主轴前轴颈的直径)处定位精度＜3μm，加工精度高；②传递转矩大，能适应高效切削的需要；③结构对称性好，有利于刀具的动平衡；④外形尺寸小，可加大刀具的悬伸量，以扩大加工范围。1、三棱变形静压夹头

图示是德国雄克公司生产的一种无夹紧元件的三棱变形静压夹头。利用夹头本身的变形力夹紧刀具，定位精度可控制在3μm以内。该夹头的内孔在自由状态下为三棱形，三棱的内切圆直径小于要装夹的刀柄直径，利用一个液压加力装置，对夹头施加外力，使夹头变形，内孔变为圆孔，孔径略大于刀柄直径。此时插入刀柄，然后卸掉所加的外力，内孔重新收缩成三棱形，对刀柄实行三点夹紧。

2.热装夹头热装式工具系统通常都是利用热感应装置，使刀柄的夹持部分在短时间内加热，刀柄内径随之扩张，此时立即把刀具装入刀柄内，刀柄冷却收缩时，即可赋予刀具夹持面均匀的压力，从而产生很高的径向夹紧力将工具牢牢夹持住。

德国Thermogrip工具系统：采用具有高能场的感应加热线圈，可在短时间内完成工具更换。在电磁场的作用下，10s以内即可将刀柄夹持部位加热，刀柄内径随之扩张，很容易进行工具更换。由于是局部加热，因此可将送往夹头的能量控制在最小限度以内。装上或卸下切削工具后，夹头迅速冷却，因此，热量极少传递至夹头的其他部位或刀具的柄部。热装式夹头一般均具有如下一些共同的优点：夹头形状细长；回转精度高；夹紧力大；能适应高速回转；便于操作者接近工件；可采用内冷却方式。3.高精度弹簧夹头日本大昭和精机株式会社设计的高精度弹簧夹头，改进了套筒的压入方式，即把螺母分为内外两部分，中间安装了滚珠轴承，使得旋紧螺母的转矩不传到套简上，仅对套筒施加压力。可使夹头获得较大的夹持力和较高的夹持精度，从而满足高速切削的需要。Sandvik公司的Corogrip夹头三、高速切削刀具的安全性高速铣削时,刀具的各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过切削力本身的作用，离心力之大，足以导致刀体破碎。刀体飞爆的碎块或甩出的零件会对操作者造成重大的人身伤害，严重损坏机床设备。直径为12mm的带柄铣刀在转速达到36000r／min时发生弯曲、断裂的情形。德国Walter公司的一把端面铣刀在转速为36700r／min时爆碎后的情形。德国在20世纪90年代初就开始对高速铣刀的安全性技术进行研究。在机器制造商协会(VDMA)的支持下，以达姆斯塔特(Darmstadt)大学制造技术与机床研究所为核心，组成了由刀具制造厂、研究所和用户参加的工作组。普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求，用这类刀具加工铝合金时，还没有达到被加工材料最佳切削速度的一半，刀体或刀片的夹紧系统就失效了。德国《高速旋转铣刀的安全性要求》(DIN)标准，从法律的角度规范了刀具制造商和用户在设计、制造和使用高速铣刀时的行为和责任。样品刀具的离心力试验：对于机夹式刀具，在1.6倍于最大使用转速下试验，刀具的永久变形或零件的位移不超过0.05mm，或者在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生爆碎；对于整体式刀具则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。标准要求刀具制造商应把最大允许使用的转速和有关特征参数和商标清晰地、永久性地标示在刀具上，并随刀具向用户提供必要的证明文件和安全使用说明。(1)刀体材料:为了减轻离心力的作用，要求刀体材料的比重要小，强度要高。现在有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。(2)刀具结构:刀体上的槽(包括刀座槽、容屑格、键槽)会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。需使用接头、加长柄等连接件时也应避免游隙和提高重复定位性。实际上，高速铣刀大多采用HSK刀柄与机床主轴连接。有时做成整体式结构，以提高刚性和安装的重复定位精度。此外，机夹式高速铣刀的直径趋小，高度增加，刀齿数也趋少，有的只有两个刀齿，这种结构便于调整刀齿的跳动，提高加工质量。(3)刀具(片)的夹紧方式:刀具与主轴的连接宜采用HSK锥柄或类似的锥柄结构。可转位刀片应有中心螺钉孔或有可卡住的空刀窝。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，还要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。

(4)刀具的动平衡:用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到IS01940／1规定的G40平衡质量等级以上。为此，在机夹铣刀的结构上要设置调节动平衡的位置。高速切削旋转刀具系统必须平衡，但应根据其使用速度范围予以平衡，以达到最佳经济条件。一般在6000rpm以上必须平衡，以保证安全。要求G≤2.5,G为平衡品质(mm/s)，即反映刀具平衡量与转速关系的参数。SHENCK动平衡仪

在5000r/min时刀片甩出的面铣刀

§2.6高速切削监控技术高速切削监控技术主要指在高速切削加工过程中，通过传感、分析、信号处理等，对高速机床及系统的状态进行实时在线的监测和控制，包括刀具状态和位置、工件状态以及机床工况等多方面的监测和控制技术。切削监控的目的是延长刀具寿命，保证产品质量，提高效率，并保证设备及人员安全。分为直接监控法和间接监控法。直接监控法是通过一定的测量手段来确定刀具材料在体积上或重量上的减少，并通过一定的数学模型来确定刀具的磨损或破损状态。这类监控法有光学图象法和接触电阻法等。间接法则是测量切削过程中与刀具磨损或破损有较大内在联系的某一种或几种参量，或测量某种物理现象，根据其变化并通过一定的标定关系来监控刀具的磨损或破损状态。用于间接监控的切削参量有切削力、振动、切削功率、切削温度和声发射法等。目前一般采用间接监控法。1.机床位置检测

为了保证加工精度，高速机床必须配置位置反馈系统或速度反馈系统。速度反馈系统可用来检测与控制移动的进给速度，并补偿由机械的背隙、刚性、惯性以及摩擦阻力不均匀等引起的机械常数的变化，常用的速度检测器是测速发电机。位置反馈系统用来检测和控制刀架或工作台等按数控装置的指令值移动的移动量。根据测量位置的不同，高速加工机床的位置测量方法分为直接位置测量法和间接位置测量法。根据测量值的表示形式不同，可以分为模拟位置测量法和数字位置测量法。模拟式测量装置将被测量用连续变量来表示，如相位变化，电压变化等。数字位置测量法把待测的行程或旋转角分成相同大小的基本单元，通过数出或累加途径的基本单元数，或者通过对实际位置上基本单元单个标志的识别进行测量。根据测量值的计数方法不同，可分为绝对位置测量法、循环绝对位置测量法和增量位置测量法。绝对位置测量法的每个测量值均与刻度尺零点有关，并被分别标出。循环绝对位置测量法将整个移动范围分为同等大小的增量，在增量范围内进行绝对测量。增量位置测量法将整个移动范围划分成同样大小，不作单独标记的步距（增量），由连续运行的增量的总和得出实际位置。目前在数控机床上常用的测量元件有：三速感应同步器、直线（圆形）感应同步器、自动同步机、磁尺、光栅、数码盘、光电盘等。位置检测装置是数控机床的关键部件之一。不同类型的数控机床对测量元件和测量系统的精度和速度要求也不同。位置检测装置的发展趋势是提高传感器的响应速度和精度、增强其抗干扰能力和工作可靠性、提高处理速度，并采用数字化测量。2.工件状态检测

加工精度是数控机床的一个重要性能指标，它反映了该台机床所能保证的理论加工质量。但在实际加工过程中，由于机床、刀具、工件材料以及加工环境等各种不确定因素的影响，往往达不到令人满意的效果。因此，在自动化程度非常高的高速加工中为了确保工件的加工质量，必须对加工过程中存在的误差进行及时检测、补偿和控制，要做到这一点，则必须及时检测被加工工件的状态。在工作区测量和在工作区外测量。在工作区测量则属于在线质量监测的方法，它是在加工过程中对工件的尺寸、形状、表面粗糙度等进行测定，并把测定的数据反馈到机床的进刀系统，以控制工具的准确位置，因此在工作区测量又称为加工中的过程测量。在工作区外测量是指抽检已加工完成的成品或半成品的实际尺寸、形状、表面粗糙度等，并对生产进行反馈控制，实际上是一种事后质量控制技术。测量工件质量的传感器有接触式的和非接触式的。一般说来，接触测量主要存在以下问题：（1）划伤接触表面，测头本身磨损。（2）测头接触工件时的撞击、工件尺寸和形状变化引起的波动或工艺因素引起的振动或跳动所带来的动态测量误差。（3）工作频率若超过临界频率，测杆将脱离工件，产生动态误差。非接触式测量方法更适合工件在线测试系统。对于高速加工而言，要做到实时化的在线监控，还必须解决好非接触式的传感器在加工条件下工作性能不受切屑和冷却液飞溅影响等问题。3.机床工况监控高速加工机床是在比常规速度高得多的条件下工作的，其切削过程的“危险性”比普通加工方法大得多。为了避免机床的损坏和工件的报废，必须对机床的运行状态（如主轴振动、温升等）进行实时监控。需要采用多传感的数据融合技术和多模型技术，应用小波理论、神经网络以及模糊控制技术，快速、有效地提取故障信号特征，对机床故障进行快速诊断与报警。§2.7高速切削技术在航空制造中的应用高速切削技术在航空制造业、汽车制造业、模具工业中应用最为广泛并最为成功。航空制造业应用领域主要是整体结构件的切削加工或钛合金等高温合金材料的加工，汽车制造业主要是发动机机体和传动部件的加工，模具工业主要是模具钢和铸铁件的高速切削。一、航空结构件特点整体结构零件的基本特点：结构简洁、薄壁、尺寸大、加工余量大、相对刚度较低，加工工艺性差，易发生加工变形，不易控制加工精度。普通的切削速度下加工效率非常低，且不允许有较大的吃刀深度，以免产生较大的切削力和较多的切削热。加工变形和加工效率问题成为制约薄壁结构加工技术发展的主要因素。高速切削时热量少，切削力小，零件的变形小，且切削效率高，因此削非常适合以轻合金为主的飞机大中型复杂整体结构件。二、航空结构件高速切削刀具针对航空铝、钛合金等材料的性能特点，选择与之合理匹配的刀具材料和几何参数是决定高速切削性能优劣的关键。铝合金：PCD刀具耐磨性、导热性及刀刃锋利性均较好，硬度高，是高速加工铝合金最广泛采用的刀具材料。铝合金中含硅量不同，PCD刀片的粒度也不同。加工硅含量<12%的铝合金，选择PCD刀片的粒径为8~9μm；而加工硅含量>12%的高硅铝合金，PCD粒径为10~25μm时加工效果最好。涂层硬质合金和超细晶粒硬质合金刀具加工铝合金也可达到很好的效果。对于整体结构件中常见铝合金复杂型面的高速切削加工，多采用整体超细晶粒硬质合金加工。一般不用氧化铝基陶瓷刀具加工铝合金，因为铝与氧化铝基陶瓷的化学亲和力强，易产生粘结现象。钛合金：应从降低切削温度和减少粘结磨损两方面考虑，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金化学亲和力差的材料。通常切削钛及其合金选用的刀具材料以不含或少含TiC的硬质合金刀具为主。大量试验表明，YT(P)类硬质合金加工时磨损严重。目前主要采用YG类硬质合金刀具(YG8、YG3、YG6X等)和PCD切削钛及合金,在乳化液冷却的条件下,切削速度可达200m/min。对于加工钛合金用的多刃、复杂刀具，可选用高速钢类材料，如生产中常用的高钒高速钢W12Cr4V4Mo,铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al等。铝合金的高速切削加工，速度很高，刀具前刀面温升高。前角比常规切削时的刀具前角约小10°，后角稍大约5°~8°，主副切削刃连接处需修圆或导角，以增大刀尖角和刀具的散热体积，防止刀尖处的热磨损，减少刀刃破损的概率。在PCD刀具超高速切削铝合金时，切削厚度较小，属于微量切削，后角及后刀面对加工质量的影响较大，刀具最佳前角为12°~15°，后角为13°~15°，以减小径向切削力。钛合金塑性低、切屑与前刀面的接触长度短，应选用小前角，以增加切屑与前刀面的接触面积，改善散热条件，加强切削刃，一般取γ0=5°~15°。从提高刀具寿命和切削加工的表面质量考虑，钛合金加工应尽可能选用大后角α0=8°~15°。刀具材料和加工质量要求不同，刀具的最佳几何参数也应随之变化，例如，硬质合金刀具粗加工钛合金时前角γ0==-6°~6°效果最佳，精加工时γ0=0~15°；而高速钢刀具加工时前角γ0=5°~15°，后角α0则一般取12°左右。三、航空结构件高速切削参数与切削方式高速切削加工整体结构件时，一般采用顺铣方式加工，刀具缓慢切入工件，以降低切削热并减小径向力。例如，在铣削钛合金TC4（Ti-6Al-4V）时多采用不对称顺铣法，使刀齿前面远离刀尖部分首先接触工件，刀齿切离时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣则相反，容易粘屑，当刀齿再次切入时切屑被碰断，造成刀具材料的剥落崩刃。其次，尽可能保持稳定的切削负载，因为负载的变化会引起刀具的偏斜，从而降低加工精度和表面质量，并缩短刀具寿命。最后，大去除量的整体结构件加工(如大型件的槽加工)时，一般采用分层切削，小切深，中进给。在加工内部型腔时，当刀具进到拐角处时，采用摆线切削，可避免切削力突然增大，否则产生的热量会破坏材料的性能。三、航空结构件高速切削参数与切削方式高速切削加工整体结构件时，一般采用顺铣方式加工，刀具缓慢切入工件，以降低切削热并减小径向力。例如，在铣削钛合金TC4（Ti-6Al-4V）时多采用不对称顺铣法，使刀齿前面远离刀尖部分首先接触工件，刀齿切离时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣则相反，容易粘屑，当刀齿再次切入时切屑被碰断，造成刀具材料