2021年高速切削加工技術(shù)實(shí)用資料

1、2021年高速切削加工技術(shù)實(shí)用資料2021年高速切削加工技術(shù)實(shí)用資料Salomom的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引發(fā)了人們極大的興趣，并由此產(chǎn)生了“高速切削（HSC）”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種類有關(guān)。對每一種工件材料都存在一個(gè)速度范圍，在該速度范圍內(nèi)，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(jìn)行，稱該區(qū)為“死谷”。Salomom的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引發(fā)了人們極大的興趣，并由此 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

2、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 Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度高速加工定義尚無統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。 以切削速度和進(jìn)給速度界定：高速加工的切削速度和進(jìn)給速度為普通切削的510倍。 以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min高速加工定義尚無統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為高速加工是指采用超硬材料的高速切削

3、是個(gè)相對的概念，是相對常規(guī)切削而言。高速切削包括高速軟切削、高速硬切削、高速干切削和大進(jìn)給切削等。超高速加工的切削速度范圍因不同的刀具材料、工件材料和切削方式而異，目前，高速切削的高速范圍國內(nèi)外專家尚無共識。高速切削是個(gè)相對的概念，是相對常規(guī)切削而言。高速切削包括高速雖然由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，當(dāng)時(shí)無法付諸實(shí)踐，但這個(gè)思想給后人一個(gè)非常重要的啟示，即如能越過這個(gè)“死谷”，在高速區(qū)工作，有可能用現(xiàn)有刀具材料進(jìn)行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而可大幅度提高生產(chǎn)效率。雖然由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，當(dāng)時(shí)無法付諸實(shí)踐，但這個(gè)思想給后人一高速加工各種材料的切削速度范圍為：鋼和鑄鐵及其合金500-1500m

4、/min 鑄鐵最高達(dá)2000m/min鉆削100200m/min，攻絲100m/min淬硬鋼(3565HRC) 100-400m/min鋁及其合金達(dá)到2000-4000m/min，最高達(dá)7500m/min耐熱合金達(dá)90-500m/min；鈦合金達(dá)150-1000m/min高速加工各種材料的切削速度范圍為：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 車削：700-7000 m/min 銑削：300-6000 m/mi

5、n 鉆削：200-1100 m/min 磨削：50-300 m/s高速與超高速切削速度范圍 10 自從Salomon提出高速切削的概念以來，高速切削技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了高速切削理論的探索、應(yīng)用探索、初步應(yīng)用和較成熟應(yīng)用等四個(gè)階段。現(xiàn)已在生產(chǎn)中得到了一定的推廣應(yīng)用。特別是20世紀(jì)80年代以來，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力和物力，研究開發(fā)了高速切削設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，20世紀(jì)90年代以來發(fā)展更迅速。美、德、法等國處于領(lǐng)先地位，英、日、瑞士等國亦追蹤而上自從Salomon提出高速切削的概念以來，高速切削技術(shù)的發(fā)展高速切削已成為當(dāng)今制造業(yè)中一項(xiàng)快速發(fā)展的新技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，高速切削正成為一種新的切削加工

6、理念。人們逐漸認(rèn)識到高速切削是提高加工效率的關(guān)鍵技術(shù)。高速切削已成為當(dāng)今制造業(yè)中一項(xiàng)快速發(fā)展的新技術(shù)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國高速切削的特點(diǎn) 隨切削速度提高，單位時(shí)間內(nèi)材料切除率增加，切削加工時(shí)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(shí)，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，有利于減少加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱

7、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(diǎn) 隨切削速度提高，單位時(shí)間內(nèi)材料切除率增加，切高速切削的特點(diǎn) 轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)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。高速切削的特點(diǎn) 轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低 航空航天：帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工，材料去除率達(dá)100-1

8、80cm3/min。鎳合金、鈦合金加工，切削速度達(dá)200-1000 m/min 汽車工業(yè)：采用高速數(shù)控機(jī)床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線，實(shí)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。高速加工的應(yīng)用 航空航天：帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工，材料高速切削的應(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材料等許多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)床業(yè)、工程機(jī)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

9、大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益。對提高切削加工技術(shù)的水平，推動(dòng)機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步也具有深遠(yuǎn)的意義。 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(shí)例（日產(chǎn)公司）表面和內(nèi)側(cè)倒棱高速鉆孔高速加工中心 汽車輪轂螺栓孔高速加工實(shí)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b）高速模具加工的過程1硬化毛坯 2

10、粗銑 3半 采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時(shí)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(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。 采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值 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(qiáng)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

11、纖維增強(qiáng)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 高速切削加工的工件材料包括鋼、鑄鐵、有色金屬 目前高速切削工藝主要在車削和銑削，各類高速切削機(jī)床的發(fā)展將使高速切削工藝范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，從粗加工到精加工，從車削、銑削到鏜削、鉆削、拉削、鉸削、攻絲、磨削等。 隨著市場競爭的進(jìn)一步加劇，世界各國的制造業(yè)都將更加積極地應(yīng)用高速切削技術(shù)完成高效高精度生產(chǎn)。 高速切削的加工工藝方法 目前高速切削工藝主要在車削和銑削，各類高速切高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用我國高速切削加工技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)80年代初期，我們切削加工研究組結(jié)合陶瓷刀具材料的研究，比較系統(tǒng)地研究了Al2O3基陶瓷

12、刀具高速硬切削（車和端銑）的切削力、切削溫度、刀具磨損和破損、加工表面質(zhì)量以及刀具幾何形狀等，工件材料包括45#鋼、T10A鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼、滲炭淬硬齒輪鋼等，淬硬HRC50-65，切削速度為100-500m/min，建立了有關(guān)切削力、切削溫度模型、刀具磨損與破損理論、加工表面質(zhì)量變化規(guī)律等。高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用我國高速切削加工技術(shù)研究起步較高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用 高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用 高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用20世紀(jì)90年代后，我們先后相繼研究了模具高速切削加工技術(shù)與策略、涂層刀具與PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削鑄鐵和鋼的切削力、刀具磨損壽命、加

13、工表面粗糙度以及高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用20世紀(jì)90年代后，我們先后相北京理工大學(xué)研究了高速切削的刀具壽命與切削力沈陽工業(yè)學(xué)院和重慶大學(xué)研究了高速切削機(jī)理天津大學(xué)和大連理工大學(xué)研究了高速硬切削機(jī)理上海交通大學(xué)與有關(guān)工廠研究了鈦合金高速銑削工藝、薄壁件高速銑削精度控制、鋁合金高速銑削表面的溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、硅鋁合金高速鉆削和銑削數(shù)據(jù)庫等。 北京理工大學(xué)研究了高速切削的刀具壽命與切削力廣東工業(yè)大學(xué)研究了高速主軸系統(tǒng)和快速進(jìn)給系統(tǒng)東北大學(xué)研究了高速磨削技術(shù)成都工具研究所研究了高速切削刀具的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化等盡管我國高速切削加工技術(shù)的研究還有待于全面深入，但通過我國科技工作者的

14、艱苦努力，高速切削加工和高速切削機(jī)床的基礎(chǔ)理論研究取得了令人鼓舞的成就，對促進(jìn)我國高速切削加工技術(shù)的發(fā)展起到了重大作用。 廣東工業(yè)大學(xué)研究了高速主軸系統(tǒng)和快速進(jìn)給系統(tǒng) 我國高速切削刀具材料已有很大的發(fā)展，特別是陶瓷刀具，而且初步具備了開發(fā)高速切削刀具的能力 但金剛石、立方氮化硼、TiC(N)基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)、涂層刀具和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的性能、品種與國外差距很大。 高速切削刀具制造技術(shù)也相對落后，還沒有形成自己特色的高速切削刀具制造體系。 我國高速切削刀具材料已有很大的發(fā)展，特別是陶瓷刀具，而且 幾乎所有國際知名的工具廠商都在國內(nèi)設(shè)立了或獨(dú)資或合資企業(yè)，除陶瓷刀具外，各種高速、高精度和

15、高可靠性的金剛石、立方氮化硼、TiC(N)基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)和涂層刀具以及刀柄系統(tǒng)80以上由它們提供。 目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材料(包括涂層材料、涂層技術(shù))、刀具制造工藝技術(shù)、刀具安全技術(shù)等還處于初步階段，要努力建立我國自己的“高效率、高精度、高可靠性與專用化”刀具研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)體系。 幾乎所有國際知名的工具廠商都在國內(nèi)設(shè)立了或獨(dú) 我國高速切削加工技術(shù)最早應(yīng)用于轎車工業(yè)，二十世紀(jì)八十年代后期，相繼從德國、美國、法國、日本等國引進(jìn)了多條具有先進(jìn)水平的轎車數(shù)控自動(dòng)化生產(chǎn)線，如從德國引進(jìn)的具有九十年代中期水平的一汽大眾捷達(dá)轎車和上海大眾桑塔納轎車自動(dòng)生產(chǎn)線，其中大量應(yīng)用了高速切

16、削加工技術(shù)。生產(chǎn)線所用刀具材料以超硬刀具為主，依靠進(jìn)口。 采用PCBN、Si3N4基陶瓷、金屬陶瓷、TiCN涂層刀具加工高強(qiáng)度鑄鐵件，銑削速度達(dá)2200m/min；采用PCD、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具加工硅鋁合金鑄件，銑削速度為2200m/min，鉆、鉸削速度達(dá)80240m/min；采用Si3N4基陶瓷、TiCN涂層刀具加工精鍛結(jié)構(gòu)鋼件，車削速度達(dá)200m/min。 我國高速切削加工技術(shù)最早應(yīng)用于轎車工業(yè)，二十 近年來，我國航天、航空、汽輪機(jī)、模具等制造行業(yè)引進(jìn)了大量加工中心和數(shù)控鏜銑床，都不同程度地開始推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù)，其中模具行業(yè)應(yīng)用較多。 例如上海某模具廠，高速銑削高精度鋁合金模具型腔，

17、半精銑采用主軸轉(zhuǎn)速18000rpm，切削深度2mm，進(jìn)給速度5m/min；精銑采用20000rpm，切削深度0.2mm，進(jìn)給速度8m/min，加工周期為6h，質(zhì)量完全滿足客戶要求。 近年來，我國航天、航空、汽輪機(jī)、模具等制造行高速切削加工研究體系及關(guān)鍵技術(shù)高速切削加工研究體系及關(guān)鍵技術(shù) 高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對于相關(guān)技術(shù)要求較高，使其應(yīng)用受到限制。 與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有： 高速加工刀具與磨具制造技術(shù)； 高速主軸單元制造技術(shù)； 高速進(jìn)給單元制造技術(shù)； 高速加工在線檢測與控制技術(shù)； 其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加工的排屑技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等。 此外高

18、速切削與磨削機(jī)理的研究，對于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。 高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對于相關(guān)技術(shù)要高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸系統(tǒng)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(dá)100000-150000rpm的加工中心。高速主軸由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦熱和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會引起熱變形和高溫，所以必須嚴(yán)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(dòng)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

19、；(3) 良好的熱穩(wěn)定性；(4) 大功率；(5) 先進(jìn)的潤滑和冷卻系統(tǒng)；(6) 可靠的主軸監(jiān)測系統(tǒng)。 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(jī)直接驅(qū)動(dòng)的“內(nèi)裝電機(jī)”集成化結(jié)構(gòu)，減少傳動(dòng)部件，具有更高的可靠性。高速主軸要求在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降速。為此，將主軸電機(jī)和主軸合二為一，制成電主軸，實(shí)現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，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(fù)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(jī)床的主軸設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)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

20、體動(dòng)、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。高速主軸系統(tǒng) 高速主軸為滿足上述性能要求，結(jié)構(gòu)上快速進(jìn)給系統(tǒng) 高速切削時(shí)，為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)給速度也必須大幅度地提高。目前切削進(jìn)給速度一般為3060m/min，最高達(dá)120m/min，要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣高的進(jìn)給速度，對機(jī)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(jī)床必須實(shí)現(xiàn)快速的進(jìn)給加減速才有意義。為了適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高速化的要求，主要采用了如下措施：(1) 采用新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，直線滾動(dòng)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

21、為槽式導(dǎo)軌的1/20左右。而且，使用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后，“爬行”現(xiàn)象可大大降低；(2) 高速進(jìn)給機(jī)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(jìn)給速度和進(jìn)給加減速度.快速進(jìn)給系統(tǒng) 高速切削時(shí)，為了保持刀具每齒進(jìn)給快速進(jìn)給系統(tǒng) (3) 高速進(jìn)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(jī)床正開始采用全數(shù)字交流伺服電機(jī)和控制技術(shù)，保證了快進(jìn)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(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。(5) 為提高進(jìn)給速度，更先

22、進(jìn)、更高速的直線電機(jī)已經(jīng)發(fā)展起來。直線電機(jī)消除了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、彈性變形等問題，減少了傳動(dòng)摩擦力，幾乎沒有反向間隙。直線電機(jī)具有高加、減速特性，加速度可達(dá)2g ，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的45倍，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有單位面積推力大、可產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)不需維護(hù)等明顯優(yōu)點(diǎn)。 快速進(jìn)給系統(tǒng) (3) 高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展高速切削對刀具材料的要求高可靠性：高速切削時(shí)速度和自動(dòng)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(shí)間，降低生產(chǎn)率。刀具可靠性差還將產(chǎn)生廢品，損壞機(jī)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

23、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(shí)，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。高速切削對刀具材料的要求高的耐熱性、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(qiáng)度、高溫硬度、高溫韌性等。同時(shí)，還要求刀具材料的熔點(diǎn)高、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性能強(qiáng)。 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(shí)切屑的折斷與卷曲，常常是決定數(shù)控加工能否正常進(jìn)行的重要因素。因此，刀具必須具有很好的斷屑、卷屑和排屑性能

24、。要求切屑不能纏繞在刀具或工件上、切屑不影響工件的已加工表面、不妨礙冷卻澆注效果。一般都采取了一定的斷屑措施(如：可靠的斷屑槽型、斷屑臺和斷屑器等)，以便可靠的斷屑或卷屑。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(shí)切屑的折刀具材料應(yīng)能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工程材料提出了愈來愈高的要求，各種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕和耐高溫的工程材料愈來愈多的被采用。它們中多數(shù)屬于難加工材料，目前難加工材料已占工件的40以上。因此，高速切削加工刀具應(yīng)能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要。同時(shí)，由于可持續(xù)發(fā)展的要求，還要求高速切削時(shí)不污染環(huán)境。 刀具材料應(yīng)能適應(yīng)難加工材料

25、和新型材料加工的需要：隨著科學(xué)技術(shù)高速切削刀具材料 刀具材料對高速切削加工技術(shù)的發(fā)展具有決定性意義。目前已發(fā)展的刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、TiCN基硬質(zhì)合金刀具（金屬陶瓷）、涂層刀具和和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等。 金剛石刀具主要用于高速加工鋁、銅及其合金等有色金屬和非金屬材料以及鈦和鈦合金。立方氮化硼和陶瓷刀具主要適于高速加工鑄鐵及其合金和淬硬鋼以及鎳基合金等高溫合金。 陶瓷刀具、TiCN基硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具等適于高速加工鋼及其合金。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金適于小尺寸整體刀具，高速加工孔、攻絲和齒輪，也可以較高速度加工鈦及其合金和高溫合金等超級合金。高速切削刀具材料 刀具材料對高速切

26、削加工技術(shù)的2021年高速切削加工技術(shù)實(shí)用資料高速切削刀具結(jié)構(gòu) 高速切削刀具結(jié)構(gòu)主要有整體和鋃齒兩類。鋃齒刀具主要采用機(jī)夾結(jié)構(gòu)。高速回轉(zhuǎn)刀具由于高速引起離心力作用，會造成刀體和刀片夾緊結(jié)構(gòu)破壞以及刀片破裂或甩掉，所以刀體和夾緊結(jié)構(gòu)必須有高的強(qiáng)度與斷裂韌性和剛性，保證安全可靠。 刀體重量盡量輕以減少離心力，如鋁合金刀體的金剛石面銑刀。高速回轉(zhuǎn)刀具必須進(jìn)行動(dòng)平衡，以滿足平衡品質(zhì)的要求。高速切削刀具結(jié)構(gòu) 高速切削刀具結(jié)構(gòu)主要有整體和高速切削刀具結(jié)構(gòu)高速切削刀具結(jié)構(gòu)高速切削加工刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高速切削對刀具系統(tǒng)的要求高速回轉(zhuǎn)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 7:24錐度的工具系統(tǒng)高速切削旋轉(zhuǎn)刀具的刀柄結(jié)構(gòu)HSK系統(tǒng) 高速切

27、削加工刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高速切削對刀具系統(tǒng)的要求刀柄是高速切削加工的一個(gè)關(guān)鍵部件，它傳遞機(jī)床的動(dòng)力和精度。刀柄一端是機(jī)床主軸，另一端是刀具。高速切削加工時(shí)既要保證加工精度，又要保證高的生產(chǎn)率，還要保證安全可靠。所以，高速切削刀具系統(tǒng)必須滿足下列要求：(1) 很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度，(2) 很高的裝夾剛度，(3) 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)安全可靠。高速切削對刀具系統(tǒng)的要求高速回轉(zhuǎn)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刀體材料：為了減輕所承受的離心力的作用，刀體材料的設(shè)計(jì)應(yīng)減輕質(zhì)量，選用比重小、強(qiáng)度高的刀體材料。如高強(qiáng)度鋁合金刀體，碳素纖維增強(qiáng)塑料刀桿。刀體結(jié)構(gòu)：刀體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免貫通式刀槽，減少尖角，防止應(yīng)力集中，盡量減少機(jī)夾零件

28、的數(shù)量。刀體的結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱于回轉(zhuǎn)軸，使重心通過刀具軸線。刀片和刀座的夾緊、調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能消除游隙，并且要求重復(fù)定位性好。高速回轉(zhuǎn)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 高速回轉(zhuǎn)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 刀具(片)的夾緊方式：要求刀體結(jié)構(gòu)和刀片夾緊結(jié)構(gòu)可靠。刀體與刀片之間的連接配合要封閉，刀片夾緊機(jī)構(gòu)要有足夠的夾緊力?？赊D(zhuǎn)位刀片應(yīng)有中心螺釘孔，保證刀具精確定位和高速旋軸時(shí)的可靠。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致。刀具的動(dòng)平衡：用于高速切削的回轉(zhuǎn)刀具必須經(jīng)過動(dòng)平衡測試，并應(yīng)達(dá)到ISO1940/1規(guī)定的平衡質(zhì)量等級。高速回轉(zhuǎn)刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 加工中心主軸與刀具的連接大多采用7:24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng)，ISO、CAT、DI

29、N、BT等都屬此類。剛性不足：不能實(shí)現(xiàn)與主軸端面和內(nèi)錐面同時(shí)定位。當(dāng)拉力增大4-8倍時(shí)，聯(lián)結(jié)的剛度可提高20-50，但是，過大的拉力在頻繁換刀過程中會加速主軸內(nèi)孔的磨損。高速主軸的前端錐孔由于離心力的作用會膨脹，膨脹量的大小隨著旋轉(zhuǎn)半徑與轉(zhuǎn)速的增大而增大。因此，要保證這種聯(lián)結(jié)在高速下仍有可靠的接觸，需有一個(gè)很大的過盈量來抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)主軸軸端的膨脹。 ATC(自動(dòng)換刀)的重復(fù)精度不穩(wěn)定：每次自動(dòng)換刀后刀具的徑向尺寸可能發(fā)生變化。 高速切削刀柄系統(tǒng) 加工中心主軸與刀具的連接大多采用7:24錐度的單面夾緊刀柄系 軸向尺寸不穩(wěn)定：主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因受離心力的作用內(nèi)孔會增大，使刀具軸向尺寸發(fā)生變化，在拉

30、桿拉力的作用下，刀具的軸向位置會發(fā)生改變。刀柄錐度較大，錐柄較長，不利于快速換刀及機(jī)床小型化。 主軸的膨脹還會引起刀具及夾緊機(jī)構(gòu)質(zhì)心的偏離，從而影響主軸的動(dòng)平衡。標(biāo)準(zhǔn)的7:24錐柄較長，很難實(shí)現(xiàn)全長無間隙配合，一般只要求配合面前段70以上接觸，因此配合面后段會有一定的間隙，該間隙會引起刀具徑向跳動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。 軸向尺寸不穩(wěn)定：主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因受離心力的作用內(nèi)孔會增大，7:24錐度的工具系統(tǒng) (如：BT、ISO等) 7:24錐度的工具系統(tǒng) (如：BT、ISO等) 7:24錐度的工具系統(tǒng) (如：BT、ISO等) 7:24錐度的工具系統(tǒng) (如：BT、ISO等) 高速切削刀柄系統(tǒng) 針對這些問題

31、，為提高刀具與機(jī)床主軸的連接剛性和裝夾精度，適應(yīng)高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了刀柄與主軸內(nèi)孔錐面和端面同時(shí)貼緊的兩面定位的刀柄。 兩面定位刀柄主要有兩大類：一類是對現(xiàn)有7:24錐度刀柄進(jìn)行的改進(jìn)性設(shè)計(jì)，如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設(shè)計(jì)的1:10中空短錐刀柄系統(tǒng)，有德國開發(fā)的HSK、美國開發(fā)的KM及日本開發(fā)的NC5等幾種形式。高速切削刀柄系統(tǒng) 針對這些問題，為提高刀具與高速切削旋轉(zhuǎn)刀具的刀柄結(jié)構(gòu)HSK系統(tǒng) HSK刀柄采用1:10的錐度，它以其端面及1:10錐度的空心錐套作雙重定位，與7:24錐柄相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 重量減少約50；(2) 重復(fù)使用時(shí)裝

32、夾和定位精度高；(3) 剛度高，并可傳遞大的力矩；(4) 裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而增大。 高速切削旋轉(zhuǎn)刀具的刀柄結(jié)構(gòu)HSK系統(tǒng) HSK型刀柄的結(jié)構(gòu)形式 HSK型刀柄的結(jié)構(gòu)形式 刀柄類型HSKBT結(jié)合部位銷面端面錐度夾緊力傳遞方式簡夾簡夾刀具HSK-63BBT40基徑38 mm44.5 mm柄部形式空心柄實(shí)心柄牽引力3.5 KN12.1 KN夾緊力10.5 KN12.1 KN過盈量3-10 m錐度1:107:24HSK和BT刀柄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)刀柄類型HSKBT結(jié)合部位銷面端面錐度夾緊力傳遞方式簡夾簡高速切削加工的安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) 高速切削加工的速度相當(dāng)高，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000rpm時(shí)，若有刀片崩裂

33、，掉下來的刀具碎片就象出膛的子彈。因此，對高速切削加工引起的安全問題必須充分重視。 從總體上講，高速切削加工的安全保障包括以下諸方面：機(jī)床操作者及機(jī)床周圍現(xiàn)場人員的安全保障；避免機(jī)床、刀具、工件及有關(guān)設(shè)施的損傷；識別和避免可能引起重大事故的工況。在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面，機(jī)床設(shè)有安全保護(hù)墻和門窗。刀片，特別是抗彎強(qiáng)度低的材料制成的機(jī)夾刀片，除結(jié)構(gòu)上防止由離心力作用下產(chǎn)生飛離傾向的保證外，還要作極限轉(zhuǎn)速的測定。刀具夾緊、工件夾緊必須絕對安全可靠，故工況監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性就變得非常重要。機(jī)床及切削過程的監(jiān)測包括：切削力監(jiān)測以控制刀具磨損，機(jī)床功率監(jiān)測亦可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測以判別切削參數(shù)與進(jìn)給系

34、統(tǒng)間關(guān)系；刀具破損監(jiān)測；主軸軸承狀況監(jiān)測；電器控制系統(tǒng)過程穩(wěn)定性監(jiān)測等。 高速切削加工的安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) 高速切高速切削刀具材料的合理選擇 高速切削刀具有：金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。高速加工用刀具材料必須根據(jù)所加工的工件和加工性質(zhì)來選擇，除需要滿足技術(shù)要求外，還應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。 每一品種的刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料和一定的切削速度范圍，所謂萬能刀具是不存在的。每一品種的刀具材料都有其最佳加工對象，也即：存在切削刀具材料與加工對象的合理匹配問題。高速切削刀具材料的合理選擇 CBN和陶瓷刀具能勝任

35、淬硬鋼(HRC 45-65)、軸承鋼(HRC 60-62)、高速鋼(HRC62)、工具鋼(HRC 57-60)和冷硬鑄鐵等的高速精車加工，可實(shí)現(xiàn)以車代磨；低硬度的高速鋼刀具不能用來加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵等高硬度材料。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好硬質(zhì)合金中含鈷量增多，其強(qiáng)度和韌性增加，硬度降低，適合于粗加工；含鈷量減少時(shí)，其硬度及耐磨性增加，適合于精加工。但普通硬質(zhì)合金刀具只適合于在較低的切削速度范圍內(nèi)(100-200 m/min)切削加工。CBN和陶瓷刀具能勝任淬硬鋼(HRC 45-65)、軸承鋼(切削刀具與加工對象的物理性能匹配問題主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹

36、系數(shù)、抗熱沖擊性能等物理性能參數(shù)要相匹配。耐熱溫度：PCD700-800、PCBN1200-1500、陶瓷1100-1200、TiC(N)合金900-1100、WC超細(xì)晶粒合金為800-900導(dǎo)熱系數(shù)：PCDPCBNWC合金TiC(N)合金HSS Si3N4Al2O3熱脹系數(shù)：HSSWC基合金TiC(N)Al2O3PCBN Si3N4PCD抗熱震性：HSSWC合金Si3N4PCBNPCDTiC(N)合金Al2O3切削刀具與加工對象的物理性能匹配問題主要是指刀具與工件材料的加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱較好的刀具材料，以使切削熱得以迅速傳出而降低切削溫度。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5-9

37、倍。由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，故刀具切削部分溫度低。金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。因此，金剛石刀具不會產(chǎn)生很大的熱變形。CBN導(dǎo)熱性高于高速鋼和硬質(zhì)合金。 CBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)隨切削溫度的提高逐漸增加，可導(dǎo)致刀尖處切削溫度的降低。加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱較好的刀具材料，以使切削熱得PCBN的耐熱性可達(dá)到1200-1500，比金剛石的耐熱性(700-800)幾乎高一倍。高速切削加工時(shí)切削溫度高，其刀具的失效主要取決于刀具材料的熱性能。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金屬的最高速度主要受限于刀具材料的耐熱性，要求刀具材料的熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧

38、化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性強(qiáng)。PCBN的耐熱性可達(dá)到1200-1500，比金剛石的耐熱性切削刀具材料與加工對象的化學(xué)性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學(xué)親和性、化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散和溶解等化學(xué)性能參數(shù)要相匹配?？拐辰Y(jié)溫度高低(與鋼)為：PCBN陶瓷硬質(zhì)合金HSS?？拐辰Y(jié)溫度高低(與鎳基合金)：陶瓷PCBN硬質(zhì)合金金剛石HSS抗氧化溫度高低為：陶瓷PCBN硬質(zhì)合金金剛石HSS。擴(kuò)散強(qiáng)度大小(對鋼鐵)為：金剛石Si3N4PCBNAl2O3。擴(kuò)散強(qiáng)度大小(對鈦)為：Al2O3PCBNSiCSi3N4金剛石。刀具材料元素在鋼(未淬硬)中溶解度的大小順序?yàn)?在1027)：SiC Si3N4WC基合金

39、PCBNTiNTiCAl2O3ZrO2切削刀具材料與加工對象的化學(xué)性能匹配問題主要是指刀具材料與工高速切削刀具材料的合理選擇刀 具高硬鋼耐熱合金鈦合金高溫合金鑄鐵純鋼高硅鋁合金FRP復(fù)材料PCDPCBN陶瓷刀具涂層硬質(zhì)合金TiC(N)基合金高速切削刀具材料的合理選擇刀 具高硬鋼耐熱鈦合金高溫合金鑄金剛石刀具的選用 金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金。在切削有色金屬時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十甚至幾百倍。天然金剛石刀具是目前超精密切削加工領(lǐng)域中最主要的刀具。金剛石刀具有車刀、銑刀和鏜刀等品種。80以上的PCD刀具用于加工汽車和摩托車行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞，這些件材料含硅量

40、較高(12%以上)。金剛石刀具可在V2000-5000 m/min、f10-40 m/min條件下加工纖維增強(qiáng)塑料。金剛石刀具的選用 PCD粒徑為10-25 m的PCD刀具適合于加工Si含量大于12的鋁合金(V=300-1500 m/min)及硬質(zhì)合金；PCD粒徑為8-9 m的PCD刀具適合于加工Si含量小于12的鋁合金(V=500-3500 m/min)及通用非金屬材料；PCD粒徑為4-5m的PCD刀具適合于切削加工FRP、木材或純鋁等材料。金剛石的熱穩(wěn)定性比較差，切削溫度達(dá)到800時(shí)，就會失去其硬度，金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料。PCD粒徑為10-25 m的PCD刀具適合于加工Si含量大立方氮化硼刀具的選用 立方氮化硼刀具既能勝任淬硬鋼(HRC 45-65)、軸承鋼(HRC 60-62)、高速鋼(HRC62)、工具鋼(HRC 57-60)、冷硬鑄鐵的高速半精車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工。目前已有多個(gè)品種不同CBN含量的PCBN刀具已用于車刀、鏜刀、銑刀等。被加工材料的硬度越高越能體現(xiàn)PCBN刀具的優(yōu)越性，是實(shí)現(xiàn)以車代磨的最佳刀具之一。立方氮化硼刀具的選用 立方氮化硼刀具的選用 CBN含量越高，PCBN的硬度和耐磨性就越高。CBN顆粒顆粒尺寸越大，其抗機(jī)械