機(jī)械制造過程高速切削工藝

第七講高速切削機(jī)床與工藝 機(jī)碩1007班 陳琛Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.1一.高速切削加工的定義

高速切削加工技術(shù)中的“高速”是一個(gè)相對(duì)概念。對(duì)于不同的加工方法和工件材料與刀具材料，高速切削加工時(shí)應(yīng)用的切削速度并不相同。如何定義高速切削加工，至今還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前沿用的高速切削加工定義主要有以下五種：Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.21）1978年，CIRP切削委員會(huì)提出以線速度（500~700）m/min的切削速度加工為高速切削加工。2）對(duì)銑削加工而言，從刀具夾持裝置達(dá)到平衡要求時(shí)的速度來定義高速切削加工。根據(jù)ISO1940標(biāo)準(zhǔn)，主軸轉(zhuǎn)速高于8000r/min為高速切削加工。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.33）德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所提出以高于（5~10）倍的普通切削速度的切削加工定義為高速切削加工。

4）從主軸設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，以沿用多年的DN值（主軸軸承孔直徑D與主軸最大轉(zhuǎn)速N的乘積）來定義高速切削加工。DN值達(dá)（5~2000）xmm．r/min時(shí)為高速切削加工。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.4

5）從刀具和主軸的動(dòng)力學(xué)角度來定義高速切削加工。這種定義取決于刀具振動(dòng)的主模式頻率，它在ANSI/ASME標(biāo)準(zhǔn)中用來進(jìn)行切削性能測(cè)試時(shí)選擇轉(zhuǎn)速范圍。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.5

因此，高速切削加工不能簡(jiǎn)單地用某一具體的切削速度值來定義。根據(jù)不同的切削條件，具有不同的高切削速度范圍。目前，加工鋁合金已達(dá)到2000－7500m/min；鑄鐵為900－5000m/min；鋼為600－3000m/min；耐熱鎳基合金達(dá)500m/min；鈦合金達(dá)150－1000m/min；纖維增強(qiáng)塑料為2000－9000m/min。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.6二.高速切削的歷史

美國(guó)于1960年前后開始進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)。1977年美國(guó)在一臺(tái)帶有高頻電主軸的加工中心上進(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)，其主軸轉(zhuǎn)速可以在1800~18000r/min范圍內(nèi)無級(jí)變速，工作臺(tái)的最大進(jìn)給速度為7.6m/min。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.7 在德國(guó)，1984年國(guó)家研究技術(shù)部組織了以Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所為首，包括41家公司參加的兩項(xiàng)聯(lián)合研究計(jì)劃，全面而系統(tǒng)地研究了高速切削機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)以及相關(guān)技術(shù)。他們?nèi)〉昧藝?guó)際公認(rèn)的高水平研究成果，并在德國(guó)工廠廣泛應(yīng)用，獲得了好的經(jīng)濟(jì)效益。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.8 日本與20世紀(jì)60年代就著手高速切削機(jī)理的研究，日本廠商現(xiàn)已成為世界上高速機(jī)床的主要提供者。我國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開始研究高速切削，但由于各種條件限制，進(jìn)展緩慢。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.9三.高速切削加工基礎(chǔ)

高速切削加工切屑形成

根據(jù)工件材料和切削條件的不同，切削時(shí)通常形成四種類型的切屑：連續(xù)切屑、節(jié)狀切屑、單元切屑、崩碎切屑。高速切削時(shí)，特別是自動(dòng)化加工中，切屑的類型非常重要，長(zhǎng)的連綿不斷的連續(xù)切屑，纏繞工件或刀具，損壞工件和刀具表面，傷害操作者，無法正常切削，甚至損壞機(jī)床。周期性的節(jié)狀或單元切屑，會(huì)造成高速切削力的高頻變化，從而影響加工精度與表面粗糙度和刀具壽命。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.10Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.11四.高速切削的優(yōu)點(diǎn)

1、隨切削速度的大幅度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高5~10倍。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～6倍，甚至更高。同時(shí)機(jī)床快速空程速度的大幅度提高，也大大減少了非切削的空行程時(shí)間，從而極大地提高了機(jī)床的生產(chǎn)率。

2、刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)減小，切削力降低大概30%~90%。同時(shí)，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質(zhì)量。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.12

3、刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。

4、工件表面質(zhì)量好。工件粗糙度好，其次切削線速度高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動(dòng)很小，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。

5、高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動(dòng)的切屑所帶走，可進(jìn)行高速干切削，不用冷卻液，減少了對(duì)環(huán)境的污染，能實(shí)現(xiàn)綠色加工。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.13

6、可完成高硬度材料和硬度高達(dá)hrc40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速、大進(jìn)給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工的3~6倍，而且獲得十分高的表面質(zhì)量，基本上不用鉗工拋光。

7、降低成本。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.14五.高速切削機(jī)床的技術(shù) 高速電主軸單元

機(jī)電一體化的主軸，即所謂電主軸?，F(xiàn)代化的主軸是電機(jī)與主軸有機(jī)地結(jié)合成一體，采用電子傳感器來控制溫度，自有的水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使得主軸在高速下成為“恒溫”；又由于使用油霧潤(rùn)滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使得主軸可以免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、高精度。由于采用了機(jī)電一體化的主軸，減去了皮帶輪、齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，其主軸轉(zhuǎn)速就可以輕而易舉地達(dá)到0～42000r/min，甚至更高。不僅如此，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，造價(jià)下降，精度和可靠性提高，甚至機(jī)床的成本也下降了。噪聲、振動(dòng)源消除，主軸自身的熱源也消除了。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.15Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.16 電主軸是通過交流變頻調(diào)速和矢量控制來實(shí)現(xiàn)主軸的寬調(diào)速的.它的優(yōu)點(diǎn)不僅是簡(jiǎn)化了主傳動(dòng)結(jié)構(gòu),減少主傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,而且降低了功耗,提高了實(shí)現(xiàn)更高主軸速度和加減速度的能力,從而也可實(shí)現(xiàn)定角度的快速準(zhǔn)停功能,這對(duì)高速加工機(jī)床是十分重要的。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.17六.高速切削加工工藝技術(shù)高速切削工藝是成功進(jìn)行高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。選擇不當(dāng)，會(huì)使刀具磨損加劇，完全達(dá)不到高速加工的目的。高速切削工藝技術(shù)包括切削參數(shù)、切削路徑、刀具材料及刀具幾何參數(shù)的選擇等。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.18 1.切削參數(shù)的選擇

在高速切削加工中，必須對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行選擇，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移動(dòng)的方向和切削過程（順銑還是逆銑）等．Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.19 2.切削路徑的優(yōu)化選擇

①走刀方向的優(yōu)化在走刀方向的選擇上，以曲面平坦性為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，確定不同的走刀方向選取方案；對(duì)于曲率變化大的曲面以最大曲率半徑方向?yàn)樽顑?yōu)進(jìn)給方向，對(duì)曲率變化小的曲面，以單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)為原則選擇走刀方向。

②刀位軌跡生成按照刀位路徑盡可能簡(jiǎn)化，盡量走直線，路徑盡量光滑的要求選擇加工策略，選擇合適的插補(bǔ)方法，保證加工面殘留高度的要求，采用過渡圓弧的方法處理加工干涉區(qū)，這樣在加工時(shí)就不需要減速，提高加工效率。

③柔性加減速和斷刀的幾率。選取合適的加減速方式，減少啟動(dòng)沖擊，保持機(jī)床的精度，減少刀具顫振。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.20 3.刀具材料的選擇

①切削刀具材料與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配，主要指刀具與工件材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等力學(xué)性能相匹配。

②切削刀具材料與加工對(duì)象的物理性能匹配，土要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗熱沖擊能力等物理參數(shù)要相匹配。

③切削刀具材料與加工對(duì)象的化學(xué)性能匹配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)性能相匹配。

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4.干式（準(zhǔn)干式）切削技術(shù)

高速加工中不采用切削液或采用微量的切削液可以帶來大量的好處,降低切削過程對(duì)環(huán)境的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成本、降低切削過程對(duì)環(huán)境的危害、提高切屑的回收利用率等。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.22 5.加工誤差綜合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

高速切削加工中誤差產(chǎn)生的主要原因有伺服系統(tǒng)的滯后、加減速引起的滯后、插補(bǔ)周期引起的形狀誤差、數(shù)控系統(tǒng)的輪廓誤差等。

目前采用的補(bǔ)償技術(shù)有：溫度補(bǔ)償、象限補(bǔ)償、絲杠誤差補(bǔ)償、使用非均勻有理B樣條插補(bǔ)、納米插補(bǔ)、加減速預(yù)測(cè)及控制伺服電機(jī)最佳加減速轉(zhuǎn)矩、進(jìn)行前瞻性控制、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、刀具中心點(diǎn)及半徑補(bǔ)償、沖擊控制等。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.23七.高速機(jī)床

1.高速車床

高速車床需要有相當(dāng)?shù)拇蠊β矢采w粗加工范圍。所以，必須采用新觀念設(shè)計(jì)機(jī)床，以滿足高速加工時(shí)機(jī)床的剛性要求，特別重要的是直接驅(qū)動(dòng)和較松的支撐頂尖，以消除巨大的軸向力。高速車床的卡盤/工作區(qū)應(yīng)該完全被罩起來，保護(hù)罩應(yīng)該使用彈性的和能夠吸收能量的夾層結(jié)構(gòu)。

在設(shè)計(jì)或選擇車床主軸時(shí)采用結(jié)構(gòu)緊湊的主軸結(jié)構(gòu)，在主軸轉(zhuǎn)速允許的條件下盡量選大直徑。高速車削加工中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是工件的夾緊方法，要開發(fā)用于高速車床的專用卡盤。Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.24Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.25

2.高速鉆床

高速鉆床屬于粗加工。具有立式和臥式主軸的工作臺(tái)式和龍門式鉆床都可以用做高速鉆床。高速鉆削要求主軸有足夠高的轉(zhuǎn)速，切削速度大于100m/min；穩(wěn)定性好，特別是動(dòng)剛度高?？焖俟ヂ菁y還要求快速反轉(zhuǎn)、定位和速度控制。在高速鉆削加工中，內(nèi)冷鉆頭需要高壓、大流量切削液以及很細(xì)的過濾器。

Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.26Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPro.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.273.高速銑床

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4.高速車銑床

車銑床是集車、銑功能于一體的機(jī)床，或者說是在車床上加上高速銑頭而形成的具有車、銑功能的機(jī)床，使機(jī)床具有更大的加工范圍。這種機(jī)床可以車削為主，也可以以銑削為主。

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5.高速虛擬軸機(jī)床

虛擬軸機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，還有很多優(yōu)異的性能。虛擬軸機(jī)床實(shí)際上是一個(gè)空間并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)，用了基于Stewart平臺(tái)原理的并