高速切削技術(shù)

1、高速切削技術(shù)高速切削技術(shù) 高速切削技高速切削技術(shù)術(shù)l 高速切削技術(shù)概論l 高切削的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域l 高速切削關(guān)鍵技術(shù)l 高速切削的安全防護(hù)l 高速切削目前研究內(nèi)容l 高速切削現(xiàn)狀和不足l 高速切削戰(zhàn)略意義和發(fā)展方向INDEX高速切削技術(shù)高速切削技術(shù) 高速切削是一個(gè)相對概念，是德國切削物理學(xué)家薩洛蒙于1931年提出，是相對常規(guī)切削而言，用較高的切削速度對工件進(jìn)行切削。一般認(rèn)為應(yīng)是常規(guī)切削速度的510倍。 高速切削的速度范圍與加工方法和工件材料密切相關(guān)。高速切削概論 定義高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)切削速度切削溫度TcrTav1vcrv2高速切削概論 定義高速切削技術(shù)高速切削技術(shù) 常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，

2、切削溫度切削速度提高而升高，一定工件材料對應(yīng)有一個(gè)臨界切削速度，此處切削溫度最高，但當(dāng)切削速度超過臨界值后，切削溫度不升下降。每一種工件材料，都存一個(gè)速度范圍，該范圍內(nèi)，切削溫度太高，刀具材料無法承受，切削加工不能進(jìn)行，這個(gè)范圍稱之為“死谷”。切削速度能越過“死谷”，高速區(qū)工作，則有可能用現(xiàn)有刀具進(jìn)行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，大大減少切削工時(shí)，大幅度提高機(jī)床生產(chǎn)效率。高速切削概論 原理高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)切削力小切削力小切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力減少，切削變形減小，使切削力比常規(guī)切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到徑向切削力大幅度減少，特別適合于加

3、工薄壁類剛性差工件，如飛機(jī)上機(jī)翼壁板等。工件熱變形小工件熱變形小高速切削時(shí)，90%以上切削熱來不及傳給工件就被高速流出切屑帶走，工件積累熱量少，工件溫升不會(huì)超過3，基本保持冷態(tài)，不會(huì)溫升導(dǎo)致熱變形，特別適合于加工細(xì)長易熱變工件。高速切削的優(yōu)勢高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)材料切除率高材料切除率高隨切削速度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高5倍10倍，單位時(shí)間內(nèi)材料切除率可達(dá)常規(guī)切削3倍6倍，適用于材料切除率要求大場合，航空航天、汽車和模具制造等領(lǐng)域，高速切削技術(shù)已成為加工整體構(gòu)件最理想制造技術(shù)。工藝系統(tǒng)振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工工藝系統(tǒng)振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工高速切削時(shí)，機(jī)床激振頻率很高，使

4、加工過程平穩(wěn)，振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。高速切削加工獲表面質(zhì)量常可達(dá)磨削水平，?？墒∪ャ娤骱缶庸すば?。高速切削尤其適合于光學(xué)等領(lǐng)域加工。高速切削的優(yōu)勢高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)可加工難加工材料可加工難加工材料難加工材料如高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復(fù)合材料和耐磨鑄鐵等切削加工切削效率低，刀具壽命短。高速切削時(shí)，切削力小，切屑變形阻力小，刀具磨損小，故可加工一些難加工材料。高速干切削可以實(shí)現(xiàn)加工過程綠色制造高速干切削可以實(shí)現(xiàn)加工過程綠色制造高速干切削就是切削加工過程中不使用任何切削液工藝方法，是對傳統(tǒng)切削方式一種技術(shù)創(chuàng)新。它相濕切削而言，是一種從源頭上控制污染綠色切削和清潔制造工藝，

5、它消切削液使用對外部系統(tǒng)造成負(fù)面影響。目前，能實(shí)現(xiàn)高速干切削工件材料有鑄鐵、鋁合金、滾動(dòng)軸承鋼等。高速切削的優(yōu)勢高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域 航空航天工業(yè)航空航天工業(yè)輕合金的加工：飛機(jī)上的零件通常采用“整體制造法”，其金屬切除量相當(dāng)大（一般在70以上），采用高速切削可以大大縮短切削時(shí)間。 模具制造業(yè)模具制造業(yè)：型腔加工同樣有很大的金屬切除量，過去一直為電加工所壟斷，其加工效率低。 汽車工業(yè)汽車工業(yè)：對技術(shù)變化較快的汽車零件，采用高速加工。（過去多用組合機(jī)加工，柔性差） 難加工材料難加工材料的加工（如：Ni基高溫合金和Ti合金） 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工 精密零件精密零

6、件加工 薄壁易變形零件薄壁易變形零件的加工高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域例1：高精度鋁質(zhì)模具型腔加工高精度鋁質(zhì)模具型腔加工：在傳統(tǒng)銑削加工中，由于鋁熔點(diǎn)低，鋁屑容易粘附在刀具上，雖經(jīng)后續(xù)的鏟刮、拋光工序，型腔也很難達(dá)到精度要求，在制時(shí)間達(dá)60小時(shí)。 高速銑削分粗、精兩道工序：n精20000r/min，ap=0.2mm， vf=5m/min；加工周期僅為6小時(shí)，完全達(dá)到精度要求。 例2：塑料的輪胎型芯加工：塑料的輪胎型芯加工：用傳統(tǒng)方法(手工)需十幾道工序，在制時(shí)間20天以上，也很難達(dá)到復(fù)雜輪胎花紋的技術(shù)要求。 采用高速銑削，n 18 000r/min，ap=2 mm，vf=10m/

7、min，在制時(shí)間僅24小時(shí)就完全達(dá)到了工藝要求。 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 高速切削是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的發(fā)展涉及到機(jī)床、刀具、 工藝和材料等諸多領(lǐng)域的技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新。高速切削的關(guān)鍵技術(shù)高速切削機(jī)床技術(shù)高速切削刀具技術(shù)高速切削工藝技術(shù)高速主軸高速進(jìn)給系統(tǒng)高速切削輕金屬技術(shù)高速切削鋼和鑄鐵技術(shù)高速切削刀具材料高速切削刀具系統(tǒng)高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的切削機(jī)床對高速切削機(jī)床要求 床身等固定部件的高剛度和高抗振性 主軸的高轉(zhuǎn)速和高加速度 進(jìn)給系統(tǒng)的高進(jìn)給速度和高加速度 主軸軸承的高剛度和高抗振性 優(yōu)化的切屑下落及運(yùn)送系統(tǒng) 可靠的安全防護(hù)

8、系統(tǒng)高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的切削機(jī)床設(shè)計(jì)特征高速電機(jī)主軸直線電機(jī)（Z軸）混凝土聚合物床身框架 焊接結(jié)構(gòu)橫梁焊接結(jié)構(gòu)XY工作臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)噪音小噪音小啟停性能良好啟停性能良好足夠的剛性足夠的剛性和回轉(zhuǎn)精度和回轉(zhuǎn)精度先進(jìn)的潤滑冷卻系統(tǒng)先進(jìn)的潤滑冷卻系統(tǒng)可靠的主軸檢測系統(tǒng)可靠的主軸檢測系統(tǒng)大功率大功率結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊總質(zhì)量小總質(zhì)量小熱穩(wěn)定性良好熱穩(wěn)定性良好主主軸軸系系統(tǒng)統(tǒng)高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)對高速切削主軸系統(tǒng)的要求高速度（高速度（60120m/min）1 高加速度（普通機(jī)床高加速度（普通機(jī)床12g，最高可達(dá)，最高可達(dá)210g）2高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)精度高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)精度3高安全性高安全性4低成本

9、低成本5高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)對高速機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的切削刀具特點(diǎn)：“三高一專 ”，即高效率、高精度、高可靠性和專用化 在基體上焊接刀片（材料CBN，PCD）的HSC刀具以高強(qiáng)度鋁合金做基體的HSC端面銑刀帶內(nèi)部冷卻的鉆頭 高硬度，高強(qiáng)度，高耐磨性。 高韌度，高抗沖擊性。 高熱硬性，高化學(xué)穩(wěn)定性。 高抗熱沖擊性。高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)對高速切削刀具的要求高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削常用刀具種類金剛石刀具高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削常用刀具種類立方氮化硼刀具 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削常用刀具種類陶瓷刀具高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削常用

10、刀具種類涂層刀具金剛石刀具 優(yōu)點(diǎn)：刃鋒利，能切下極薄切屑，冷硬現(xiàn)象少，摩擦系數(shù)低，無積屑瘤。 缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低，脆性大，對振動(dòng)敏感，只適用于微量切削。高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)立方氮化硼刀具 （CBN） 特點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性大，摩擦系數(shù)低。 應(yīng)用：淬硬鋼、高溫合金、冷硬鑄鐵。 成分：錫、鉛、銻以及他們的氮化物。高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)陶瓷刀具 優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)性好，耐氧化，不易粘結(jié)，加工表面粗糙度小。 缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、韌性差。高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)涂層刀具Al O 高溫下熱穩(wěn)定性良好。TiN 與金屬親和力小，濕潤性好。TiC 硬度高，抗磨損性好。高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切

11、削技術(shù)高速切削的安全防護(hù)技術(shù)高速卡盤的防護(hù)墻高速車床防護(hù)墻機(jī)床防護(hù)門高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的安全防護(hù)技術(shù)高速卡盤的防護(hù)墻10 mm1,5 mm50 mm可移動(dòng)防護(hù)墻內(nèi)鋼板（卡盤）外鋼板（機(jī)床）聚氨酯泡沫塑料失效卡盤零部件具有可達(dá)30kNm的能量，應(yīng)盡可能在事故地點(diǎn)防護(hù)。PTW高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的安全防護(hù)技術(shù)高速車床防護(hù)墻PTW20 mm1,5 mm50 mm內(nèi)鋼板（機(jī)床）外鋼板（工人）聚氨酯泡沫塑料可移動(dòng)內(nèi)側(cè)門機(jī)床防護(hù)墻薄弱點(diǎn)是機(jī)床的防護(hù)窗口 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削的安全防護(hù)技術(shù)機(jī)床防護(hù)門 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)目前研究內(nèi)容研究內(nèi)容高速切削機(jī)理研究,尤其是模

12、具鋼等難加工材料高速切削機(jī)理研究。高速切削工藝數(shù)據(jù)庫高速切削刀具系列化、標(biāo)準(zhǔn)化研究。干式( 準(zhǔn)干式)切削技術(shù)研究。加工誤差綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究。高速切削刀具狀態(tài)監(jiān)控及工況監(jiān)測技術(shù) 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削發(fā)展現(xiàn)狀 高速切削技術(shù)以其高效率、高精度、高可靠性和專用化的特點(diǎn)正在被越來越廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工領(lǐng)域。二十世紀(jì)末期 ,隨著我國經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)軌和市場化進(jìn)程的不斷加快 ,我國機(jī)械制造業(yè)大量引進(jìn)和開發(fā)先進(jìn)的數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床 、刀具等 ,同時(shí),包括高速切削技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)及其相關(guān)的生產(chǎn)模式、管理技術(shù)等也在企業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用 ,并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。 高速切削技術(shù)高速切削技

13、術(shù)高速切削發(fā)展現(xiàn)狀 國外 德國Darm st adt工業(yè)大學(xué)PTW所以舒爾茨教授為核心的科研小 組和日本京都大學(xué)工學(xué)研究科以垣野教授為核心的課題組均已制出商品化的高速切削機(jī)床,在德國和日本的企業(yè)界,都分別享有較高的聲譽(yù)。 舒爾茨教授在德國政府強(qiáng)有力的資助下,聯(lián)合18家企業(yè),共同攻關(guān),從1984年到1989年,完成高速切削機(jī)床各相關(guān)硬件與軟件的開發(fā),研究水平超過了當(dāng)時(shí)居領(lǐng)先地位的美國。1993年,直線電機(jī)的出現(xiàn)拉開了高速進(jìn)給的序幕, 從而也使高速切削技術(shù)走向成熟應(yīng)用階段。目前,PTW所研制的高速機(jī)床已在德國許多企業(yè)里應(yīng)用。 垣野教授聯(lián)合9家企業(yè),于1996年研制出日本第一臺(tái)商品化臥式高速切削加工

14、中心,該加工中心主軸轉(zhuǎn)速30000r/min,最大進(jìn)給速 度80m/min,加速度為2g,重復(fù)定位精度1Lm。目前,垣野研究室研究成果在日本企業(yè)界甚至在國際上均產(chǎn)生重大影響。 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi) 我國在90年初開始有關(guān)高速切削機(jī)床及工藝的研究。研究內(nèi)容包括水泥床身、超高速主軸系統(tǒng)、全陶瓷軸承及磁懸浮軸承、快速進(jìn)給系統(tǒng)、有色金屬及鑄鐵超高速切削機(jī)理與適應(yīng)刀具等方面。通過我國科技工作者的艱苦工作, 各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都取得了顯著進(jìn)展。部分單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可達(dá)國際先進(jìn)水平。 然而高速切削機(jī)床是諸多高新技術(shù)的高度集成, 并且在一定的市場需求驅(qū)動(dòng)下才能真正發(fā)展起來。目前,真正應(yīng)用于工業(yè)

15、生產(chǎn)的完全由我國自行開發(fā)的國產(chǎn)高速切削機(jī)床還沒有。 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)國內(nèi)和國外的差距 由于種種原因 ,我國企業(yè)應(yīng)用的高速加工技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備大多由國外直接引進(jìn) ,國內(nèi)對高速加工技術(shù)中一些基礎(chǔ)共性技術(shù)的自主性研究不足 ,與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比 ,我國在以下方面存在較大差距 : 高性能刀具材料的研發(fā)、刀具制造工藝技術(shù)、刀具安全技術(shù)及刀具使用技術(shù)等領(lǐng)域?qū)τ诟咚偾邢鳈C(jī)理的基礎(chǔ)共性研究也處于起步階段 。 機(jī)床關(guān)鍵功能部件的研發(fā)落后 于市場需求 ,如轉(zhuǎn)速 20000r/ min 以上的大功率高剛性主軸 、直線電機(jī) 、快速響應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)制 造技術(shù)尚未掌握 ; 多功能復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì) 、制造

16、網(wǎng)絡(luò) 、 通訊網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段 觀念誤區(qū)，目前國內(nèi)對高速切削技術(shù)普遍存在一些觀念誤區(qū) ,認(rèn)為高速加工技術(shù)可適用于任何企業(yè)，然而其應(yīng)用效益要視產(chǎn)品的技術(shù)附加值、加工技術(shù)要求、市場需求、企業(yè)的生產(chǎn)、管理模式、技術(shù)水平等各方面具體情況而定。因此在企業(yè)技術(shù)改造中,切忌“邯鄲學(xué)步”,生搬硬套 ,不加分析地盲目引進(jìn)、應(yīng)用高速加工技術(shù) 。 由于高速切削具備一系列顯著優(yōu)點(diǎn), 因而在航空航天、汽車等行業(yè)得到應(yīng)用, 這些部門進(jìn)口的高速切削機(jī)床已頗具規(guī)模。然而, 由于 國內(nèi)缺乏自主研發(fā)能力和關(guān)鍵技術(shù)的丟失使國內(nèi)和國外一直存在較大差距，其原因歸納如下： （1）在高速切削技術(shù)原理的認(rèn)識(shí)上存在誤區(qū)。高速

17、切削技術(shù)是對常規(guī)切削的重大突破, 在切削加工工藝安排、切削用量選 擇及刀具應(yīng)用等方面有較大的特殊性, 普通切削 工藝及傳統(tǒng)刀具不能滿足高速切削技術(shù)要求, 而這一點(diǎn)往往沒有被實(shí)際操作人員認(rèn)識(shí)。 （2）生產(chǎn)實(shí)際中缺乏較全面的實(shí)用化的高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。 （3）高速切削刀具未形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。 （4）缺乏自主創(chuàng)新能力關(guān)鍵技術(shù)無法突破，以及產(chǎn)品穩(wěn)定性一直無法突破 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)存在差距因素 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削戰(zhàn)略意義 近年來, 國際國內(nèi)形勢的 發(fā)展給我國機(jī)械制造業(yè)帶來了機(jī)遇, 尤其是給高 速切削工藝的應(yīng)用提供了有利條件。主要體現(xiàn)在 以下幾方面:( 1 ) 各種高尖新產(chǎn)品不斷涌

18、現(xiàn), 產(chǎn)品能否占領(lǐng) 市場主要取決于產(chǎn)品的性能價(jià)格比。高效率生產(chǎn) 出高質(zhì)量的產(chǎn)品是贏得競爭的惟一途徑。高速切削工藝的優(yōu)勢, 也體現(xiàn)在高效率、高精度等方面。 ( 2 ) 隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高,激烈的市場競爭,迫使目前我國擁有的高速切削機(jī)床的規(guī)模還要擴(kuò)大,這必將要求有較為成熟的高速切削工藝與之相匹配,使之充分發(fā)揮作用。( 3) 航空部門大型整體薄壁飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工將普遍采用高速銑削工藝,減輕整機(jī)重量,提高飛機(jī)整機(jī)性能。 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)( 4 ) 模具制造業(yè)中普遍采用高速加工中心, 形成高切削速度、高進(jìn)給速度、小切深、小走刀步距、能連續(xù)長路程切削的模具加工新工藝,對淬硬鋼的高速銑削成為縮

19、短模具開發(fā)周期、降低制造成本的主要途徑。( 5) 汽車制造業(yè)將更加積極地采用高速切削加工中心,完成高效高精度生產(chǎn)。( 6 ) 干式( 準(zhǔn)干式) 切削的綠色制造技術(shù)將給高速切削工藝的應(yīng)用提供極好的機(jī)會(huì)。( 7 ) 高速切削工藝范圍,能滿足從粗加工到精加工的全部加工要求,并且能顯著減少拋光工時(shí),提高高速切削工藝同其它加工工藝競爭的能力高速切削戰(zhàn)略意義 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)高速切削技術(shù)發(fā)展趨勢 高效率、高精度、高柔性和綠色化是機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。高速切削加工技術(shù)必將沿著安全、清潔生產(chǎn)和降低制造成本的方向繼續(xù)發(fā)展，而成為21世紀(jì)切削技術(shù)的主流 。 （1）切削速度主要受限于機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速和功率

20、。因此具有小質(zhì)量、大功率的高速電主軸、高加速度的快速直線電機(jī)和高速精密數(shù)控系統(tǒng)，以及配套的高速軸承及其潤滑技術(shù)、刀庫技術(shù)和自動(dòng)換刀裝置及監(jiān)控技術(shù)等正在迅速發(fā)展，可望達(dá)到更高的加工水平。 （2）材料的高速切削加工目標(biāo)主要受刀具壽命困擾，因此發(fā)展新型高溫力學(xué)性能（硬度、強(qiáng)度與斷裂韌性）和高抗熱震性能更高的高可靠性的刀具材料對進(jìn)一步發(fā)展高速切削技術(shù)具有決定性的意義。 高速切削技術(shù)高速切削技術(shù) （3） 現(xiàn)有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金屬陶瓷、涂層刀具和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等仍將起主導(dǎo)作用，并將得到新的發(fā)展。進(jìn)一步發(fā)展新型高溫力學(xué)性能和高抗熱震性能的高可靠性的刀具材料（包括自潤滑刀具材料），特別是為加工超級(jí)合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是