高速切削簡介課件

高速切削簡介高速切削簡介1金屬切削原理影響切削溫度的主要因素一、切削用量1切削速度：=CvVxX=0.26~0.412進(jìn)給量：=Cff0.143切削深度：=Capap0.04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，選大切深和進(jìn)給量比選高切削速度有利。金屬切削原理一、切削用量1切削速度：=Cv2金屬切削原理影響刀具耐用度的主要因素泰勒公式金屬切削原理泰勒公式3高速切削的概念和基本原理

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(jìn)行切削加工的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。高速切削理論是1931年4月德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出的。1931年德國物理學(xué)家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”——對應(yīng)于一定的工件材料存在一個(gè)臨界切削速度，此點(diǎn)切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。高速切削的概念和基本原理高速切削技術(shù)，是以比常規(guī)高數(shù)倍的切4Salomom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5薩洛蒙曲線薩洛蒙曲線6

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)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

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7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5～10倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000r/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8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/min

鑄鐵最高達(dá)2000m/min鉆削100～200m/min，攻絲100m/min淬硬鋼(35～65HRC)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：9高速與超高速切削速度范圍

10100100010000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：700-7000m/min銑削：300-6000m/min鉆削：200-1100m/min磨削：50-300m/s高速與超高速切削速度范圍1010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3～5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11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1～2等級。高速切削可加工硬度HRC45～65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12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)100-180cm3/min。鎳合金、鈦合金加工，切削速度達(dá)200-1000m/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。高速切削的應(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13高速切削加工的應(yīng)用航空航天：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)：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)用航空航天：鋁合金整體結(jié)構(gòu)件的高速切削14高速切削加工的應(yīng)用注塑模具高速切削加工的應(yīng)用注塑模具15高速切削加工的應(yīng)用

標(biāo)志性建筑物高速切削加工的應(yīng)用標(biāo)志性建筑物16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17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)18b）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粗銑→3半19

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20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21AMOIⅡⅢ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(diǎn)I剪切滑移II前刀面擠壓摩擦III后刀面擠壓摩擦AMOIⅡⅢ金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖通常切削速度下22高速切削的特點(diǎn)減少傳遞給工件的熱量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剪切角增大切削熱大部分由切屑快速帶走避免積屑瘤的產(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)切削的剪切角高速切削的特點(diǎn)減少傳遞給工件的熱量切屑和接觸面之間的接觸區(qū)23帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑3-3切屑種類帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑3-3切屑種類24高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征25高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征26直角自由切削斜角自由切削自由切削:只有主切削刃參加切削，而副切削刃不參加切削。金屬切削原理直角自由切削斜角自由切削自由切削:金屬切削原理27高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征28高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征29高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征30高速切削加工切屑形成特征Machinedsurfacemicro-waveamplitudeAandroughnessRa高速切削加工切屑形成特征31高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征32高速切削加工切屑形成特征ChipsegmentationdegreeGsandroughnessRa1.切削速度在200m/min之前，切屑分離度從0.84μm快速增大到1.85μm2.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1.切削速度在200m/min之前33高速切削加工切屑形成特征ChipsizesandroughnessRa1.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工切屑形成特征1.Ts/ac與Ra變化類似，切削速34高速切削加工切屑形成特征結(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1.鋸齒狀切屑導(dǎo)致加工表面微小波紋，35高速切削加工切屑形成特征結(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2.鋸齒切屑造成表面粗糙度不受切屑分36高速切削加工切屑形成特征結(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0.39米到1.85μm，試圖利用高速切削代替磨削的情況下，這可能會導(dǎo)致嚴(yán)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3.在目前的研究切削參數(shù)下，鋸齒切屑37高速切削加工切屑形成特征文獻(xiàn)2高速切削加工切屑形成特征38高速切削加工切屑形成特征文獻(xiàn)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(dá)式，用材料性能，未變形切屑厚度與刀具前角三者來表達(dá)，并基于尺寸分析和數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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從連續(xù)光滑的切削到周期性的鋸齒狀切屑39高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征40高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征41高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征42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(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43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)動的“內(nèi)裝電機(jī)”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(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，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。高速主軸系統(tǒng)高速主軸為滿足上述性能要求，結(jié)構(gòu)上44高速切削的關(guān)鍵技術(shù)超高速的主軸部件在超高速數(shù)控機(jī)床中，幾乎無一例外地采用了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式。即采用無外殼電機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)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(jī)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(jī)架四個(gè)主要部分，這四個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)動力學(xué)性能和穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)超高速電主軸結(jié)構(gòu)

高速切削的關(guān)鍵技術(shù)超高速的主軸部件超高速電主軸結(jié)構(gòu)45高速電主軸高速電主軸46Z軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機(jī)床電主軸

Z軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機(jī)床電主軸47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30－60m/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(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48面向高速切削的切削機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的要求主軸轉(zhuǎn)速n進(jìn)給速度vf高進(jìn)給速度：>20m/min

高進(jìn)給加速度：>0.5g面向高速切削的切削機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的要求主軸轉(zhuǎn)速n進(jìn)給速度49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，具有單位面積推力大、可產(chǎn)生高速運(yùn)動以及機(jī)械結(jié)構(gòu)不需維護(hù)等明顯優(yōu)點(diǎn)?？焖龠M(jìn)給系統(tǒng)(3)高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展50面向高速切削的直線電機(jī)直線進(jìn)給電機(jī)位置測量系統(tǒng)機(jī)床滑臺初級線圈次級線圈導(dǎo)軌技術(shù)指標(biāo)：vf>75m/mina=1-7g面向高速切削的直線電機(jī)直線進(jìn)給電機(jī)位置測量系統(tǒng)機(jī)床滑臺初級線51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52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53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。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54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)難加工材料和新型材料加工的需要：隨著科學(xué)技術(shù)55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削加工技術(shù)的56

高速切削通常使用的刀具材料有以下幾種：（1）硬質(zhì)合金涂層刀具高速切削的刀具系統(tǒng)

高速切削通常使用的刀具材料有以下幾種：高速切削的刀具系統(tǒng)57（2）陶瓷刀具（2）陶瓷刀具58（3）聚晶金剛石刀具高速切削簡介課件59（4）立方氮化硼刀具（4）立方氮化硼刀具60

結(jié)束語

高速切削加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)，具有巨大的潛力。它的發(fā)展和應(yīng)用，帶動整個(gè)制造業(yè)效益的提高和技術(shù)進(jìn)步，因此，大力發(fā)展和推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù)，對建設(shè)現(xiàn)代化的制造業(yè)強(qiáng)國，具有重大的意義。結(jié)束語61高速切削簡介高速切削簡介62金屬切削原理影響切削溫度的主要因素一、切削用量1切削速度：=CvVxX=0.26~0.412進(jìn)給量：=Cff0.143切削深度：=Capap0.04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，選大切深和進(jìn)給量比選高切削速度有利。金屬切削原理一、切削用量1切削速度：=Cv63金屬切削原理影響刀具耐用度的主要因素泰勒公式金屬切削原理泰勒公式64高速切削的概念和基本原理

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(jìn)行切削加工的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。高速切削理論是1931年4月德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出的。1931年德國物理學(xué)家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”——對應(yīng)于一定的工件材料存在一個(gè)臨界切削速度，此點(diǎn)切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。高速切削的概念和基本原理高速切削技術(shù)，是以比常規(guī)高數(shù)倍的切65Salomom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66薩洛蒙曲線薩洛蒙曲線67

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)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

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68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5～10倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000r/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69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/min

鑄鐵最高達(dá)2000m/min鉆削100～200m/min，攻絲100m/min淬硬鋼(35～65HRC)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：70高速與超高速切削速度范圍

10100100010000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：700-7000m/min銑削：300-6000m/min鉆削：200-1100m/min磨削：50-300m/s高速與超高速切削速度范圍1071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3～5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72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1～2等級。高速切削可加工硬度HRC45～65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73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)100-180cm3/min。鎳合金、鈦合金加工，切削速度達(dá)200-1000m/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。高速切削的應(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74高速切削加工的應(yīng)用航空航天：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)：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)用航空航天：鋁合金整體結(jié)構(gòu)件的高速切削75高速切削加工的應(yīng)用注塑模具高速切削加工的應(yīng)用注塑模具76高速切削加工的應(yīng)用

標(biāo)志性建筑物高速切削加工的應(yīng)用標(biāo)志性建筑物77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78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)79b）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粗銑→3半80

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81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82AMOIⅡⅢ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(diǎn)I剪切滑移II前刀面擠壓摩擦III后刀面擠壓摩擦AMOIⅡⅢ金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖通常切削速度下83高速切削的特點(diǎn)減少傳遞給工件的熱量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剪切角增大切削熱大部分由切屑快速帶走避免積屑瘤的產(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)切削的剪切角高速切削的特點(diǎn)減少傳遞給工件的熱量切屑和接觸面之間的接觸區(qū)84帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑3-3切屑種類帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑3-3切屑種類85高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征86高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征87直角自由切削斜角自由切削自由切削:只有主切削刃參加切削，而副切削刃不參加切削。金屬切削原理直角自由切削斜角自由切削自由切削:金屬切削原理88高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征89高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征90高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征91高速切削加工切屑形成特征Machinedsurfacemicro-waveamplitudeAandroughnessRa高速切削加工切屑形成特征92高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征93高速切削加工切屑形成特征ChipsegmentationdegreeGsandroughnessRa1.切削速度在200m/min之前，切屑分離度從0.84μm快速增大到1.85μm2.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1.切削速度在200m/min之前94高速切削加工切屑形成特征ChipsizesandroughnessRa1.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工切屑形成特征1.Ts/ac與Ra變化類似，切削速95高速切削加工切屑形成特征結(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1.鋸齒狀切屑導(dǎo)致加工表面微小波紋，96高速切削加工切屑形成特征結(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2.鋸齒切屑造成表面粗糙度不受切屑分97高速切削加工切屑形成特征結(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0.39米到1.85μm，試圖利用高速切削代替磨削的情況下，這可能會導(dǎo)致嚴(yán)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3.在目前的研究切削參數(shù)下，鋸齒切屑98高速切削加工切屑形成特征文獻(xiàn)2高速切削加工切屑形成特征99高速切削加工切屑形成特征文獻(xiàn)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(dá)式，用材料性能，未變形切屑厚度與刀具前角三者來表達(dá)，并基于尺寸分析和數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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從連續(xù)光滑的切削到周期性的鋸齒狀切屑100高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征101高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征102高速切削加工切屑形成特征高速切削加工切屑形成特征103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(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104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)動的“內(nèi)裝電機(jī)”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(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，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。高速主軸系統(tǒng)高速主軸為滿足上述性能要求，結(jié)構(gòu)上105高速切削的關(guān)鍵技術(shù)超高速的主軸部件在超高速數(shù)控機(jī)床中，幾乎無一例外地采用了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式。即采用無外殼電機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)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(jī)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(jī)架四個(gè)主要部分，這四個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)動力學(xué)性能和穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)超高速電主軸結(jié)構(gòu)

高速切削的關(guān)鍵技術(shù)超高速的主軸部件超高速電主軸結(jié)構(gòu)106高速電主軸高速電主軸107Z軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機(jī)床電主軸

Z軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機(jī)床電主軸108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30－60m/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(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109面向高速切削的切削機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的要求主軸轉(zhuǎn)速n進(jìn)給速度vf高進(jìn)給速度：>20m/min

高進(jìn)給加速度：>0.5g面向高速切削的切削機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的要求主軸轉(zhuǎn)速n進(jìn)給速度110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