高速切削加工技術

LOGOADDYOURSUBTITLEHERE高速切削加工技術2021/5/91高速切削的概念和基本原理

高速切削技術，是以比常規(guī)高數倍的切削速度對零件進行切削加工的一項先進制造技術。高速切削理論是1931年4月德國物理學家Carl.J.Salomon提出的。1931年德國物理學家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”——對應于一定的工件材料存在一個臨界切削速度，此點切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。2021/5/92Salomom的理論與實驗結果，引發(fā)了人們極大的興趣，并由此產生了“高速切削（HSC）”的概念。他指出，在常規(guī)切削速度范圍內，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。對每一種工件材料都存在一個速度范圍，在該速度范圍內，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“死谷”。2021/5/93

Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應區(qū)非鐵金屬2021/5/94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的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質量的現代加工技術。以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的5～10倍。以主軸轉速界定：高速加工的主軸轉速≥10000r/min2021/5/95高速切削是個相對的概念，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外專家尚無共識。2021/5/96雖然由于實驗條件的限制，當時無法付諸實踐，但這個思想給后人一個非常重要的啟示，即如能越過這個“死谷”，在高速區(qū)工作，有可能用現有刀具材料進行高速切削，切削溫度與常規(guī)切削基本相同，從而可大幅度提高生產效率。2021/5/97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鋁及其合金達到2000-4000m/min，最高達7500m/min耐熱合金達90-500m/min；鈦合金達150-1000m/min2021/5/98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/s2021/5/99自從Salomon提出高速切削的概念以來，高速切削技術的發(fā)展經歷了高速切削理論的探索、應用探索、初步應用和較成熟應用等四個階段。現已在生產中得到了一定的推廣應用。特別是20世紀80年代以來，各工業(yè)發(fā)達國家投入了大量的人力和物力，研究開發(fā)了高速切削設備及相關技術，20世紀90年代以來發(fā)展更迅速。美、德、法等國處于領先地位，英、日、瑞士等國亦追蹤而上2021/5/910高速切削已成為當今制造業(yè)中一項快速發(fā)展的新技術，在工業(yè)發(fā)達國家，高速切削正成為一種新的切削加工理念。人們逐漸認識到高速切削是提高加工效率的關鍵技術。2021/5/911高速切削的特點隨切削速度提高，單位時間內材料切除率增加，切削加工時間減少，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，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應力和熱變形，提高加工精度，適合于熱敏感材料的加工。2021/5/912高速切削的特點轉速的提高，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，滿足加工質量的要求，加快產品開發(fā)周期，大大降低制造成本。2021/5/913航空航天：帶有大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構件加工，材料去除率達100-180cm3/min。鎳合金、鈦合金加工，切削速度達200-1000m/min

汽車工業(yè)：采用高速數控機床和高速加工中心組成高速柔性生產線，實現多品種、中小批量的高效生產。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：精密光學零件加工。高速加工的應用2021/5/914高速切削的應用領域由于高速切削加工具有高生產效率，減少切削力，提高加工精度和表面質量，降低生產成本并且可加工高硬材料等許多優(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)中廣泛應用。使上述行業(yè)的產品質量明顯提高，成本大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢，取得了重大的經濟效益。對提高切削加工技術的水平，推動機械制造技術的進步也具有深遠的意義。2021/5/915表面和內側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、孔徑、孔型可變）

汽車輪轂螺栓孔高速加工實例（日產公司）2021/5/916b）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2021/5/917

采用高速加工縮短模具制作周期（日產汽車公司）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成本。2021/5/918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2021/5/919目前高速切削工藝主要在車削和銑削，各類高速切削機床的發(fā)展將使高速切削工藝范圍進一步擴大，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。隨著市場競爭的進一步加劇，世界各國的制造業(yè)都將更加積極地應用高速切削技術完成高效高精度生產。高速切削的加工工藝方法2021/5/920高速切削加工在國內的研究與應用我國高速切削加工技術研究起步較晚，20世紀80年代初期，我們切削加工研究組結合陶瓷刀具材料的研究，比較系統(tǒng)地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削（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，建立了有關切削力、切削溫度模型、刀具磨損與破損理論、加工表面質量變化規(guī)律等。2021/5/921高速切削加工在國內的研究與應用

2021/5/922高速切削加工在國內的研究與應用20世紀90年代后，我們先后相繼研究了模具高速切削加工技術與策略、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、加工表面粗糙度以及高速切削數據庫技術等。2021/5/923北京理工大學研究了高速切削的刀具壽命與切削力沈陽工業(yè)學院和重慶大學研究了高速切削機理天津大學和大連理工大學研究了高速硬切削機理上海交通大學與有關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態(tài)變化規(guī)律、硅鋁合金高速鉆削和銑削數據庫等。2021/5/924廣東工業(yè)大學研究了高速主軸系統(tǒng)和快速進給系統(tǒng)東北大學研究了高速磨削技術成都工具研究所研究了高速切削刀具的發(fā)展和產業(yè)化等盡管我國高速切削加工技術的研究還有待于全面深入，但通過我國科技工作者的艱苦努力，高速切削加工和高速切削機床的基礎理論研究取得了令人鼓舞的成就，對促進我國高速切削加工技術的發(fā)展起到了重大作用。2021/5/925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)基硬質合金(金屬陶瓷)、涂層刀具和超細晶粒硬質合金刀具的性能、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。2021/5/926幾乎所有國際知名的工具廠商都在國內設立了或獨資或合資企業(yè)，除陶瓷刀具外，各種高速、高精度和高可靠性的金剛石、立方氮化硼、TiC(N)基硬質合金(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)、刀具制造工藝技術、刀具安全技術等還處于初步階段，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)和產業(yè)體系。2021/5/927我國高速切削加工技術最早應用于轎車工業(yè)，二十世紀八十年代后期，相繼從德國、美國、法國、日本等國引進了多條具有先進水平的轎車數控自動化生產線，如從德國引進的具有九十年代中期水平的一汽大眾捷達轎車和上海大眾桑塔納轎車自動生產線，其中大量應用了高速切削加工技術。生產線所用刀具材料以超硬刀具為主，依靠進口。采用PCBN、Si3N4基陶瓷、金屬陶瓷、TiCN涂層刀具加工高強度鑄鐵件，銑削速度達2200m/min；采用PCD、超細硬質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80－240m/min；采用Si3N4基陶瓷、TiCN涂層刀具加工精鍛結構鋼件，車削速度達200m/min。2021/5/928近年來，我國航天、航空、汽輪機、模具等制造行業(yè)引進了大量加工中心和數控鏜銑床，都不同程度地開始推廣應用高速切削加工技術，其中模具行業(yè)應用較多。例如上海某模具廠，高速銑削高精度鋁合金模具型腔，半精銑采用主軸轉速18000rpm，切削深度2mm，進給速度5m/min；精銑采用20000rpm，切削深度0.2mm，進給速度8m/min，加工周期為6h，質量完全滿足客戶要求。2021/5/929高速切削加工研究體系及關鍵技術2021/5/930高速加工雖具有眾多的優(yōu)點，但由于技術復雜，且對于相關技術要求較高，使其應用受到限制。

與高速加工密切相關的技術主要有：

◎高速加工刀具與磨具制造技術；

◎高速主軸單元制造技術；

◎高速進給單元制造技術；

◎高速加工在線檢測與控制技術；

◎其他：如高速加工毛坯制造技術，干切技術，高速加工的排屑技術、安全防護技術等。此外高速切削與磨削機理的研究，對于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。2021/5/931高速切削加工的關鍵技術高速主軸系統(tǒng)高速主軸系統(tǒng)是高速切削技術最重要的關鍵技術之一。目前主軸轉速在15000-30000rpm的加工中心越來越普及，已經有轉速高達100000-150000rpm的加工中心。高速主軸由于轉速極高，主軸零件在離心力作用下產生振動和變形，高速運轉摩擦熱和大功率內裝電機產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)要求結構緊湊、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)。

2021/5/932高速主軸系統(tǒng)高速主軸為滿足上述性能要求，結構上幾乎全部是交流伺服電機直接驅動的“內裝電機”集成化結構，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實現升降速。為此，將主軸電機和主軸合二為一，制成電主軸，實現無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，是高速主軸單元的理想結構。軸承是決定主軸壽命和負荷容量的關鍵部件。為了適應高速切削加工，高速切削機床的主軸設計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術。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。2021/5/933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，隨著主軸轉速的提高，進給速度也必須大幅度地提高。目前切削進給速度一般為30－60m/min，最高達120m/min，要實現并準確控制這樣高的進給速度，對機床導軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺結構等提出了新的要求。高速加工機床必須實現快速的進給加減速才有意義。為了適應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軌，直線滾動導軌中球軸承與鋼導軌之間接觸面積很小，其摩擦系數僅為槽式導軌的1/20左右。而且，使用直線滾動導軌后，“爬行”現象可大大降低；(2)高速進給機構采用的是小螺距大尺寸高質量滾珠絲杠，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.2021/5/934快速進給系統(tǒng)(3)高速進給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數字化、智能化和軟件化，使伺服系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)在A/D一D/A轉換中不會有丟失或延遲現象。高速切削機床正開始采用全數字交流伺服電機和控制技術，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，高速進給機構通常采用碳纖維增強復合材料。(5)為提高進給速度，更先進、更高速的直線電機已經發(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4

5倍，采用直線電機驅動，具有單位面積推力大、可產生高速運動以及機械結構不需維護等明顯優(yōu)點。2021/5/935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，要求刀具應具有很高的可靠性。并要求刀具的壽命高，質量一致性好，切削刃的重復精度高。如果刀具可靠性差，將會增加換刀時間，降低生產率。刀具可靠性差還將產生廢品，損壞機床與設備，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用的關鍵技術之一。在選擇高速切削刀具時，除需要考慮刀具材料的可靠性外，還應考慮刀具的結構和夾固的可靠性。2021/5/936高的耐熱性、抗熱沖擊性能和良好的高溫力學性能。切削速度的增大，往往會導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。2021/5/937刀具應具有很好的斷屑、卷屑和排屑性能。切削塑性材料時切屑的折斷與卷曲，常常是決定數控加工能否正常進行的重要因素。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。2021/5/938刀具材料應能適應難加工材料和新型材料加工的需要：隨著科學技術的發(fā)展，對工程材料提出了愈來愈高的要求，各種高強度、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能適應難加工材料和新型材料加工的需要。同時，由于可持續(xù)發(fā)展的要求，還要求高速切削時不污染環(huán)境。2021/5/939高速切削刀具材料刀具材料對高速切削加工技術的發(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基硬質合金刀具（金屬陶瓷）、涂層刀具和和超細硬質合金刀具等。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基硬質合金刀具和涂層刀具等適于高速加工鋼及其合金。超細晶粒硬質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。2021/5/9402021/5/941高速切削刀具結構高速切削刀具結構主要有整體和鋃齒兩類。鋃齒刀具主要采用機夾結構。高速回轉刀具由于高速引起離心力作用，會造成刀體和刀片夾緊結構破壞以及刀片破裂或甩掉，所以刀體和夾緊結構必須有高的強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。高速回轉刀具必須進行動平衡，以滿足平衡品質的要求。2021/5/942高速切削刀具結構2021/5/943高速切削加工刀具結構特點高速切削對刀具系統(tǒng)的要求高速回轉刀具的結構特點7:24錐度的工具系統(tǒng)高速切削旋轉刀具的刀柄結構—HSK系統(tǒng)

2021/5/944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關鍵部件，它傳遞機床的動力和精度。刀柄一端是機床主軸，另一端是刀具。高速切削加工時既要保證加工精度，又要保證高的生產率，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精度，(2)很高的裝夾剛度，(3)高速運轉時安全可靠。2021/5/945高速回轉刀具的結構特點刀體材料：為了減輕所承受的離心力的作用，刀體材料的設計應減輕質量，選用比重小、強度高的刀體材料。如高強度鋁合金刀體，碳素纖維增強塑料刀桿。刀體結構：刀體結構應盡量避免貫通式刀槽，減少尖角，防止應力集中，盡量減少機夾零件的數量。刀體的結構應對稱于回轉軸，使重心通過刀具軸線。刀片和刀座的夾緊、調整結構應盡可能消除游隙，并且要求重復定位性好。2021/5/946高速回轉刀具的結構特點刀具(片)的夾緊方式：要求刀體結構和刀片夾緊結構可靠。刀體與刀片之間的連接配合要封閉，刀片夾緊機構要有足夠的夾緊力。可轉位刀片應有中心螺釘孔，保證刀具精確定位和高速旋軸時的可靠。刀座、刀片的夾緊力方向最好與離心力方向一致。刀具的動平衡：用于高速切削的回轉刀具必須經過動平衡測試，并應達到ISO1940/1規(guī)定的平衡質量等級。2021/5/947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、DIN、BT等都屬此類。剛性不足：不能實現與主軸端面和內錐面同時定位。當拉力增大4-8倍時，聯結的剛度可提高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半徑與轉速的增大而增大。因此，要保證這種聯結在高速下仍有可靠的接觸，需有一個很大的過盈量來抵消高速旋轉時主軸軸端的膨脹。

ATC(自動換刀)的重復精度不穩(wěn)定：每次自動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)2021/5/948

軸向尺寸不穩(wěn)定：主軸高速轉動時因受離心力的作用內孔會增大，使刀具軸向尺寸發(fā)生變化，在拉桿拉力的作用下，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床小型化。

主軸的膨脹還會引起刀具及夾緊機構質心的偏離，從而影響主軸的動平衡。標準的7:24錐柄較長，很難實現全長無間隙配合，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，影響結構的動平衡。2021/5/9497:24錐度的工具系統(tǒng)(如：BT、ISO等)

2021/5/9507:24錐度的工具系統(tǒng)(如：BT、ISO等)

2021/5/951高速切削刀柄系統(tǒng)針對這些問題，為提高刀具與機床主軸的連接剛性和裝夾精度，適應高速切削加工技術發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了刀柄與主軸內孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩大類：一類是對現有7:24錐度刀柄進行的改進性設計，如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設計的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。2021/5/952高速切削旋轉刀具的刀柄結構——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：(1)重量減少約50％；(2)重復使用時裝夾和定位精度高；(3)剛度高，并可傳遞大的力矩；(4)裝夾力隨轉速升高而增大。2021/5/953HSK型刀柄的結構形式

2021/5/954刀柄類型HSKBT結合部位銷面＋端面錐度夾緊力傳遞方式簡夾簡夾刀具HSK-63BBT40基徑Φ38mmΦ44.5mm柄部形式空心柄實心柄牽引力3.5KN12.1KN夾緊力10.5KN12.1KN過盈量3-10

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錐度1:107:24HSK和BT刀柄的結構特點2021/5/955高速切削加工的安全防護與實時監(jiān)控系統(tǒng)高速切削加工的速度相當高，當主軸轉速達40000rpm時，若有刀片崩裂，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：機床操作者及機床周圍現場人員的安全保障；避免機床、刀具、工件及有關設施的損傷；識別和避免可能引起重大事故的工況。在機床結構方面，機床設有安全保護墻和門窗。刀片，特別是抗彎強度低的材料制成的機夾刀片，除結構上防止由離心力作用下產生飛離傾向的保證外，還要作極限轉速的測定。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，機床功率監(jiān)測亦可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉速監(jiān)測以判別切削參數與進給系統(tǒng)間關系；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。2021/5/956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)基硬質合金、超細晶粒硬質合金等。高速加工用刀具材料必須根據所加工的工件和加工性質來選擇，除需要滿足技術要求外，還應滿足經濟性的要求。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。2021/5/957CBN和陶瓷刀具能勝任淬硬鋼(HRC45-65)、軸承鋼(HRC60-62)、高速鋼(HRC

62)、工具鋼(HRC57-60)和冷硬鑄鐵等的高速精車加工，可實現以車代磨；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合金中含鈷量增多，其強度和韌性增加，硬度降低，適合于粗加工；含鈷量減少時，其硬度及耐磨性增加，適合于精加工。但普通硬質合金刀具只適合于在較低的切削速度范圍內(100-200m/min)切削加工。2021/5/958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、彈性模量、導熱系數、熱膨脹系數、抗熱沖擊性能等物理性能參數要相匹配。耐熱溫度：PCD700℃-800℃、PCBN1200℃-1500℃、陶瓷1100℃-1200℃、TiC(N)合金900℃-1100℃、WC超細晶粒合金為800℃-900℃導熱系數：PCD>PCBN>WC合金>TiC(N)合金>HSS>Si3N4>Al2O3熱脹系數：HSS>WC基合金>TiC(N)>Al2O3>PCBN>Si3N4>PCD抗熱震性：HSS>WC合金>Si3N4>PCBN>PCD>TiC(N)合金>Al2O32021/5/959加工導熱性差的工件時，應采用導熱較好的刀具材料，以使切削熱得以迅速傳出而降低切削溫度。金剛石的導熱系數為硬質合金的1.5-9倍。由于導熱系數及熱擴散率高，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比硬質合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。因此，金剛石刀具不會產生很大的熱變形。CBN導熱性高于高速鋼和硬質合金。CBN刀具的導熱系數隨切削溫度的提高逐漸增加，可導致刀尖處切削溫度的降低。2021/5/960PCBN的耐熱性可達到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高、導熱性好、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊性強。2021/5/961切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配問題主要是指刀具材料與工件材料化學親和性、化學反應、擴散和溶解等化學性能參數要相匹配?？拐辰Y溫度高低(與鋼)為：PCBN>陶瓷>硬質合金>HSS。抗粘結溫度高低(與鎳基合金)：陶瓷>PCBN>硬質合金>金剛石>HSS抗氧化溫度高低為：陶瓷>PCBN>硬質合金>金剛石>HSS。擴散強度大小(對鋼鐵)為：金剛石>Si3N4>PCBN>Al2O3。擴散強度大小(對鈦)為：Al2O3>PCBN>SiC>Si3N4>金剛石。刀具材料元素在鋼(未淬硬)中溶