高速切削簡介

1、金屬切削原理金屬切削原理 影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素一、切削用量1 切削速度： = C v VxX=0.260.412 進給量： = C f f0.143 切削深度： = C ap ap0.04指導(dǎo)意義指導(dǎo)意義：切削溫度對刀具磨損和刀具耐用度有直接影響，選大切深：切削溫度對刀具磨損和刀具耐用度有直接影響，選大切深 和進給量比選高切削速度有利。和進給量比選高切削速度有利。金屬切削原理金屬切削原理影響刀具耐用度的主要因素影響刀具耐用度的主要因素75. 025. 25111pvppnmvafvCTafvCTAvTm泰勒公式泰勒公式高速切削的概念和基本原理高速切削的概念和基本原理 高

2、速切削技術(shù)，是以比常規(guī)高數(shù)倍的切削速度對零件進高速切削技術(shù)，是以比常規(guī)高數(shù)倍的切削速度對零件進行切削加工的一項先進制造技術(shù)。高速切削理論是行切削加工的一項先進制造技術(shù)。高速切削理論是1931年年4月德國物理學(xué)家月德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出的。提出的。 1931年德國物理學(xué)家年德國物理學(xué)家C. J. Salomom在在“高速切削原理高速切削原理”一文中給出了著名的一文中給出了著名的“Salomom曲線曲線”對應(yīng)于一對應(yīng)于一定的工件材料存在一個定的工件材料存在一個臨界切削速度臨界切削速度，此點切削溫度最，此點切削溫度最高，超過該臨界值，高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而

3、下降切削速度增加，切削溫度反而下降。 Salomom的理論與實驗結(jié)果，引發(fā)了人們極大的興趣，的理論與實驗結(jié)果，引發(fā)了人們極大的興趣，并由此產(chǎn)生了并由此產(chǎn)生了“高速切削（高速切削（HSC）”的概念的概念。 他指出，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速他指出，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削溫度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削溫度不但不升高反會降低，且該切削速度值與工件材料的度不但不升高反會降低，且該切削速度值與工件材料的種類有關(guān)。對每一種工件材料都存在一個速度范圍，在種類有關(guān)。對每一種工件材料都存在一個速度范圍，在該速度范圍內(nèi)

4、，該速度范圍內(nèi)，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，即切削加工不可能進行，稱該區(qū)為，即切削加工不可能進行，稱該區(qū)為“死谷死谷”。薩洛蒙曲線薩洛蒙曲線 Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金8501600 1200800400切削溫度/切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬高速加工定義高速加工定義 尚無統(tǒng)一定義，一般認為高速加工是指采用超硬材料尚無統(tǒng)一定義，一般認為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高的刀

5、具，通過極大地提高切削速度和進給速度切削速度和進給速度，來提，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。技術(shù)。 以切削速度和進給速度界定：以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的進給速度為普通切削的510倍倍。 以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min高速加工各種材料的切削速度范圍為：高速加工各種材料的切削速度范圍為：鋼和鑄鐵及其合金鋼和鑄鐵及其合金500-1500m/min 鑄鐵鑄鐵最高達最高達2000m/min鉆削鉆削100200m/m

6、in，攻絲攻絲100m/min淬硬鋼淬硬鋼(3565HRC) 100-400m/min鋁及其合金鋁及其合金達到達到2000-4000m/min，最高達最高達7500m/min耐熱合金耐熱合金達達90-500m/min；鈦合金鈦合金達達150-1000m/min高速與超高速切削速度范圍 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金高速加工的切削速度范圍高速加工的切削速度范圍 高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異 高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同 車削：7

7、00-7000 m/min 銑削：300-6000 m/min 鉆削：200-1100 m/min 磨削：50-300 m/s高速切削的特點高速切削的特點 隨切削速度提高，單位時間內(nèi)材料切除率增加，切削加工時間減少，切削效率提高35倍。加工成本可降低20-40。在高速切削加工范圍，隨切削速度提高，切削力可減少30%以上，減少工件變形。對大型框架件、剛性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速銑削是目前最有效的加工方法。高速切削加工時，切屑以很高的速度排出，切削熱大部分被切屑帶走，切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多，傳給工件的熱量大幅度減少，工件整體溫升較低，工件的熱變形相對較小。因此，有利

8、于減少加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度，適合于熱敏感材料的加工。高速切削的特點高速切削的特點 轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，加工中鱗刺、積屑瘤、加工硬化、殘余應(yīng)力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面質(zhì)量可提高12等級。高速切削可加工硬度HRC4565的淬硬鋼鐵件，如高速切削加工淬硬后的模具可減少甚至取代放電加工和磨削加工，滿足加工質(zhì)量的要求，加快產(chǎn)品開發(fā)周期，大大降低制造成本。 航空航天：帶有大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工，材料去除率達100-180cm3/min。鎳合金、鈦合金加工，切削速度達200-1000 m/min

9、汽車工業(yè)：采用高速數(shù)控機床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)。 模具制造：高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍 儀器儀表：精密光學(xué)零件加工。高速切削的應(yīng)用高速切削的應(yīng)用高速切削加工的應(yīng)用 航空航天：航空航天：鋁合金整體結(jié)構(gòu)件的高速切削，不再鉚接，省去了裝配工作；薄壁件加工等 模具業(yè)：模具業(yè)：高速切削淬硬鋼模具型腔，省去電加工和手工研磨等工序。高速切削加工的應(yīng)用 注塑模具注塑模具高速切削加工的應(yīng)用 標志性建筑物標志性建筑物高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域 由于高速切削加工具有高生產(chǎn)效率，減少切削力，提高加工精度和表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本并且可加工高硬

10、材料等許多優(yōu)點，已在汽車和摩托車制造業(yè)、模具業(yè)、軸承業(yè)、航空航天業(yè)、機床業(yè)、工程機械、石墨電極等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。 使上述行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢，取得了重大的經(jīng)濟效益。對提高切削加工技術(shù)的水平，推動機械制造技術(shù)的進步也具有深遠的意義。 表面和內(nèi)側(cè)倒棱高速鉆孔高速加工中心1臺1軸1工序（3萬件/月）柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變） 汽車輪轂螺栓孔高速加工實例b）高速模具加工的過程 兩種模具加工過程比較1硬化毛坯 2粗銑 3半精銑 4精銑 5手工磨修 a）傳統(tǒng)模具加工的過程1毛坯 2粗銑 3半精銑 4熱處理 5電火花加工6精銑 7手工磨修 電極制造 采用高速加工

11、縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間 100 %1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。 高速切削加工的工件材料包括鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金、高溫耐熱合金以及碳纖維增強塑料等合材料的加工，其中以鋁合金和鑄鐵的高速加工最為普遍。 幾乎所有傳統(tǒng)切削能加工的材料高速切削都能加工，甚至傳統(tǒng)切削很難加工的材料如鎳基合金、鈦合金和纖維增強塑料等在高速切削條件下將變得易于切削。高速切削可加工的工件材料高速切削可加工

12、的工件材料AMOI金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖通常切削速度下高速切削的特點I 剪切滑移II 前刀面擠壓摩擦III 后刀面擠壓摩擦高速切削的特點減少傳遞給工件的熱量n 切屑和接觸面之間的接觸區(qū)域產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致溫度效應(yīng)并降低工件材料變形的阻力 n 剪切角增大n 切削熱大部分由切屑快速帶走n 避免積屑瘤的產(chǎn)生工件后刀面刀具前刀面接觸區(qū)高速切削的剪切角常規(guī)切削的剪切角帶狀切屑帶狀切屑節(jié)狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑粒狀切屑崩碎切屑崩碎切屑 3-3 切屑種類高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征直角自由切削直角自由切削斜角自由切削斜角自由切削自由

13、切削自由切削: :只有主切削刃只有主切削刃參加切削，參加切削，而副切削刃而副切削刃不參加切削。不參加切削。金屬切削原理高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征Machined surface micro-wave amplitude A and roughness Ra高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征Chip segmentation degree Gs and roughness

14、 Ra121hhhGs1. 切削速度在200m/min之前，切屑分離度從0.84m快速增大到1.85 m2.切削速度在200m/min之后，出現(xiàn)單元切屑，Ra下降然后平坦Gs對Ra的影響小。高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征Chip sizes and roughness Ra1.Ts/ac與Ra變化類似，切削速度從120m/min到200m/min，Ts/ac從0.34增大到0.88，Ra從0.66增大到最大值1.85。2.切削速度從200m/min到600m/min， Ts/ac快速減小到0.35，然后平坦3. W/ac在切削速度從200m/min開始，基本不受影響高速切削加

15、工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征結(jié)論結(jié)論1.鋸齒狀切屑導(dǎo)致加工表面微小波紋，增大表面粗糙度。在不同的鋸齒階段，鋸齒切屑的影響不同，不同切削速度產(chǎn)生不同表面粗糙度。最大表面粗糙度出現(xiàn)在中段。最小表面粗糙度出現(xiàn)在切屑分離期。這提示只要刀具的磨損許可，具有較高的加工速度，使切屑分離是可行的。高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征結(jié)論結(jié)論2.鋸齒切屑造成表面粗糙度不受切屑分離度的影響，主要影響加工表面粗糙度因素是鋸齒切屑段的厚度。鋸齒切屑段的寬度對表面粗糙度也有稍許影響。高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征結(jié)論結(jié)論3.在目前的研究切削參數(shù)下，鋸齒切屑造成的表面粗糙度范圍0.

16、39米到1.85m，試圖利用高速切削代替磨削的情況下，這可能會導(dǎo)致嚴重的問題。切削速度增加或減少未變形切屑厚度，可以減少鋸齒切屑對表面粗糙度的影響，是本文研究結(jié)果推薦的方法。高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征文獻文獻2高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征文獻文獻2從連續(xù)光滑的切削到周期性的鋸齒狀切屑，是隨著切削速度增大而變化過渡，這是高速切削加工中最基本又富有挑戰(zhàn)性的問題。本文中，用臨界切削速度對切屑流起因的顯式表達式，用材料性能，未變形切屑厚度與刀具前角三者來表達，并基于尺寸分析和數(shù)值模擬。實驗對于各種金屬材料在寬范圍的切削厚度與刀具前角下，切屑由連續(xù)到鋸齒狀，給出

17、臨界切削速度合理的預(yù)測。更有趣的是，發(fā)現(xiàn)，由于由雷諾數(shù)對湍流流動的控制，對鋸齒形切屑的流動模式的轉(zhuǎn)變是由雷諾數(shù)主導(dǎo)。此外，材料的性能對鋸齒形切屑的影響進行系統(tǒng)的研究，其發(fā)展趨勢和Recht經(jīng)典模型吻合。高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù) 高速主軸系統(tǒng)高速主軸系統(tǒng) 高速主軸系統(tǒng)是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主軸轉(zhuǎn)速在15000-30000rpm的加工中心越來越普及，已經(jīng)有轉(zhuǎn)速高達100000-150000rpm的加工中心。高速主軸由于

18、轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動和變形，高速運轉(zhuǎn)摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機產(chǎn)生的熱會引起熱變形和高溫，所以必須嚴格控制，為此對高速主軸提出如下性能要求：(1) 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、可避免振動和噪音和良好的起、停性能；(2) 足夠的剛性和高的回轉(zhuǎn)精度；(3) 良好的熱穩(wěn)定性；(4) 大功率；(5) 先進的潤滑和冷卻系統(tǒng)；(6) 可靠的主軸監(jiān)測系統(tǒng)。 高速主軸系統(tǒng)高速主軸系統(tǒng) 高速主軸為滿足上述性能要求，結(jié)構(gòu)上幾乎全部是交流伺服電機直接驅(qū)動的“內(nèi)裝電機”集成化結(jié)構(gòu)，減少傳動部件，具有更高的可靠性。高速主軸要求在極短時間內(nèi)實現(xiàn)升降速。為此，將主軸電機和主軸合二為一，制成電主軸，實現(xiàn)無中

19、間環(huán)節(jié)的直接傳動，是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。軸承是決定主軸壽命和負荷容量的關(guān)鍵部件。為了適應(yīng)高速切削加工，高速切削機床的主軸設(shè)計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術(shù)。目前高速主軸主要采用：陶瓷軸承、磁懸浮軸承、空氣軸承和液體動、靜壓軸承等。主軸軸承潤滑對主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用，高速主軸一般采用油、空氣潤滑或噴油潤滑。高速切削的關(guān)鍵技術(shù)高速切削的關(guān)鍵技術(shù)超高速的主軸部件超高速的主軸部件在超高速數(shù)控機床中，幾乎無一例外地采用了在超高速數(shù)控機床中，幾乎無一例外地采用了主軸電機主軸電機與與機床主軸機床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式。即采用無外殼電機，合二為一的結(jié)構(gòu)形式。即采用無外殼電機，將其空心轉(zhuǎn)子直

20、接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成內(nèi)裝式電機主軸，子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成內(nèi)裝式電機主軸，簡稱電主軸簡稱電主軸超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架四超高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，這四個部分構(gòu)成一個動力學(xué)性能和穩(wěn)定性個主要部分，這四個部分構(gòu)成一個動力學(xué)性能和穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)良好的系統(tǒng)超高速電主軸結(jié)構(gòu)超高速電主軸結(jié)構(gòu) 高速電主軸Z軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機床電主軸軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機床電主軸 快速進給系統(tǒng)快速進給系統(tǒng) 高速切削時，為了保持刀具每齒進給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提

21、高，進給速度也必須大幅度地提高。目前切削進給速度一般為3060m/min，最高達120m/min，要實現(xiàn)并準確控制這樣高的進給速度，對機床導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺結(jié)構(gòu)等提出了新的要求。 高速加工機床必須實現(xiàn)快速的進給加減速才有意義。為了適應(yīng)進給運動高速化的要求，主要采用了如下措施：(1) 采用新型直線滾動導(dǎo)軌，直線滾動導(dǎo)軌中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積很小，其摩擦系數(shù)僅為槽式導(dǎo)軌的1/20左右。而且，使用直線滾動導(dǎo)軌后，“爬行”現(xiàn)象可大大降低；(2) 高速進給機構(gòu)采用的是小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠，或粗螺距多頭滾珠絲杠，其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進給速度和進給加減速度.面向高

22、速切削的切削機床對進給系統(tǒng)的要求HSC加工常規(guī)加工主軸轉(zhuǎn)速 n進給速度 vfl 高進給速度：20 m/minl 高進給加速度：0.5 g快速進給系統(tǒng)快速進給系統(tǒng) (3) 高速進給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化，使伺服系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)在A/D一D/A轉(zhuǎn)換中不會有丟失或延遲現(xiàn)象。高速切削機床正開始采用全數(shù)字交流伺服電機和控制技術(shù)，保證了快進給速度的加工要求。(4) 為了盡量減輕工作臺重量但又不損失工作臺的剛度，高速進給機構(gòu)通常采用碳纖維增強復(fù)合材料。(5) 為提高進給速度，更先進、更高速的直線電機已經(jīng)發(fā)展起來。直線電機消除了機械傳動系統(tǒng)的間隙、彈性變形等問題，減少了傳動摩擦力，幾乎沒有反向

23、間隙。直線電機具有高加、減速特性，加速度可達2g ，進給速度為傳統(tǒng)的45倍，采用直線電機驅(qū)動，具有單位面積推力大、可產(chǎn)生高速運動以及機械結(jié)構(gòu)不需維護等明顯優(yōu)點。 面向高速切削的直線電機直線進給電機位置測量系統(tǒng)機床滑臺初級線圈次級線圈導(dǎo)軌技術(shù)指標：vf 75 m/mina = 1-7 g高速切削對刀具材料的要求高速切削對刀具材料的要求高可靠性：高速切削時速度和自動化程度高，要求刀具應(yīng)具有很高的可靠性。并要求刀具的壽命高，質(zhì)量一致性好，切削刃的重復(fù)精度高。如果刀具可靠性差，將會增加換刀時間，降低生產(chǎn)率。刀具可靠性差還將產(chǎn)生廢品，損壞機床與設(shè)備，甚至造成人員傷亡。解決刀具可靠性問題，成為高速切削加工成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在選擇高速切削刀具時，除需要考慮刀具材料的可靠性外，還應(yīng)考慮刀具的結(jié)構(gòu)和夾固的可靠性。高的耐熱性、抗熱沖擊性能和良好的高溫力學(xué)性能。切削速度的增大，往往會導(dǎo)致切削溫度的急劇升高。因此，要求刀具材料具有很高的高溫力學(xué)性能，如：高溫強度、高溫硬度、高溫韌性等。同時，還要求刀具材料的熔點高、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性能強。 刀具應(yīng)具有很好的斷屑、卷屑和排屑性能。切削塑性材料時切屑的折斷與卷曲，常常是決定數(shù)控加工