現(xiàn)代加工技術(shù)-第二章切削加工及刀具-先進(jìn)切削-高速切削

1、現(xiàn)代加工技術(shù),第二章 切削加工及刀具,2.1 切削機(jī)理 2.2 先進(jìn)切削,第二章 切削加工及刀具,2.1 切削機(jī)理 2.2 先進(jìn)切削 2.2.1 高速切削加工 2.2.2 精密與超精密切削 2.2.3 振動切削加工,2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技術(shù)的概念與特征 二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 四、高速切削機(jī)理 五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,高速加工的概念與特征,高速加工技術(shù)： 高速加工包括高速切削和高速磨削。 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動的自動化制造設(shè)備，極大地提高材料的去除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。 高速切削（Hi

2、gh-speed Cutting）：采用比常規(guī)速度高得多的切削速度進(jìn)行加工的一種高效新工藝方法。,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800010000 r/min。,高速加工的概念與特征,高速加工的產(chǎn)生和發(fā)展 20世紀(jì)20年代末，德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙（Carl Salomon）博士進(jìn)行了超高速模擬實(shí)驗(yàn)，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并獲得專利，簡稱HSM。,高速加工的概念與特征,Salomon博士的理論：切削速度對切削溫度的影響,高速切削的創(chuàng)始人：德國博士Dr

3、. Carl J. Salomon,1931,切削速度與切削溫度的關(guān)系圖（薩洛蒙曲線）,在切削速度達(dá)到一個臨界值之后的一個范圍內(nèi)，切削速度增加，則切削溫度下降。,高速加工的概念與特征,高速加工的產(chǎn)生和發(fā)展 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 1960年前后美國空軍和Lockheed飛機(jī)公司研究了用于輕合金材料的超高速銑削（切削速度達(dá)15004500m/min） 德國，全面而系統(tǒng)研究超高速切削機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)以及相關(guān)工藝技術(shù)，并廣泛應(yīng)用，獲得好的經(jīng)濟(jì)效益 日本在超高速切削機(jī)床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)已成為世界上超高速機(jī)床的主要提

4、供者,高速加工的概念與特征,高速加工切削速度的范圍 高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異 鋁合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 銅(Cu)：900-5000 m/min 鋼(Steel)：500-2000 m/min 灰鑄鐵(Gray cast iron)：800-3000 m/min 鈦(Ti)：100-1000m/min 高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同 車削(Turing)：700-7000 m/min 銑削(Milling)：300-6000 m/min 鉆削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：

5、50-300 m/s 鏜削（Boring）：35-75m/min,高速加工的概念與特征,高速加工切削速度的范圍 由于刀具、工件材料和加工工藝的多樣性，對高速切削不可能用一個確定的速度指標(biāo)來定義。 ISO1940規(guī)定主軸轉(zhuǎn)速大于8000r/min的加工形式為高速切削?，F(xiàn)階段一般把主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的加工形式視為高速切削。,七種典型工件材料的高速切削速度范圍,2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技術(shù)的概念與特征 二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 四、高速切削機(jī)理 五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn) 加工效率高：進(jìn)給

6、率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力?。狠^常規(guī)切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。工件受力變形小，適于加工薄壁件和細(xì)長件 切削熱小：加工過程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點(diǎn)低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件，可提高加工精度 動力學(xué)特性好：刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動，可獲得好的表面粗糙度 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬鋼鐵件，在一定條件下可取代磨削加工或某些特種加工 環(huán)保：可實(shí)現(xiàn)“干切”和“準(zhǔn)干切”，避免冷卻液污染,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn),高效率,高質(zhì)量,低消耗,高

7、精度,14,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn) 加工效率高 高速切削條件下，雖然切削深度和厚度小，但由于 機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高 當(dāng)前主流的高速加工設(shè)備主軸轉(zhuǎn)數(shù)已經(jīng)普遍超過2萬轉(zhuǎn)，更高的可達(dá)到6、7萬轉(zhuǎn)以上。 進(jìn)給速度快 通?？焖倏招谐?060米/分,更快的可達(dá)80100米/分 主軸轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給速度快，單位時間內(nèi)的材料去除量反而增加了。因此，加工效率也相應(yīng)提高了。,瑞士機(jī)床為例,以瑞士MIKRON公司生產(chǎn)HSM-700高速銑床為例，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)42000r/min，是普通銑削轉(zhuǎn)速的幾十倍，加工效率自然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通銑削加工。,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn) 精度高 對于同樣的切

8、削層參數(shù)，由于高速帶來突變滑移減少硬化阻力，使得高速切削的單位切削力明顯減小。這對減小振動和偏差非常重要，也使工件在切削過程的受力變形顯著減小。特別有利于提高薄壁細(xì)筋件等剛性差零件的高速精密加工。 質(zhì)量高 一方面，高速切削的力值及其變化幅度小，與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于切削工藝系統(tǒng)的高階固有頻率。 另一方面，由于傳入工件的切削熱的比例大幅度減少，加工表面受熱時間短、切削溫度低，因此熱影響區(qū)和熱影響程度都較小。加工表面質(zhì)量顯著提高。,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn) 低消耗 高速切削時，單位功率所切削的切削層材料體積顯著增大。由于采用較小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而機(jī)

9、床的主軸、導(dǎo)軌的受力就小，機(jī)床的精度壽命長，同時刀具壽命也延長了。 高速加工機(jī)床振動小、噪聲低、少用或不用切削液，也符合環(huán)保要求。,高速切削技術(shù)的優(yōu)勢： 材料去除率大大增加，加工時間成倍降低，提高生產(chǎn)率； 切削力可降低30%，降低切削變形； 9598%的切削熱被切屑帶走，降低工件溫升和熱變形； 高速銑削頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率（一般在500Hz以下），切削平穩(wěn)、光潔； 可高效加工難加工材料； 縮短工藝路線和切削時間，可降低加工成本。,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的應(yīng)用,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的應(yīng)用 不同材料的高速加工鋁、銅合金 鋁、銅合金

10、的強(qiáng)度和硬度相對較低，導(dǎo)熱性好，適于進(jìn)行高速切削加工，不僅可以獲得高的生產(chǎn)率，還可以獲得好的加工表面質(zhì)量。 切削鋁、銅合金可選用的刀具材料有硬質(zhì)合金、金剛石鍍層硬質(zhì)合金以及PCD等。,表2 PCD刀具切削鋁、銅合金實(shí)例,PCD刀具切削鋁、銅合金實(shí)例,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的應(yīng)用 不同材料的高速加工鑄鐵與鋼 不僅可以獲得高的加工效率和好的表面質(zhì)量，還可以對淬硬鋼和冷硬鑄鐵進(jìn)行切削加工，實(shí)現(xiàn)以切代磨。,24,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的應(yīng)用 不同材料的高速加工鈦合金、鎳合金、硬質(zhì)合金和高溫合金等 采用合適的PCD或PCBN刀具進(jìn)行高速切削可以獲得較好的效果 不同材料的高

11、速加工軟材料 如橡膠、塑料、木頭等，高速切削加工表面極為光潔，這對于普通切削加工是很難做到的,圖,27,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 汽車制造業(yè) 高速加工中心組成柔性生產(chǎn)線(FTL) 例如：國內(nèi)如一汽大眾捷達(dá)轎車自動生產(chǎn)線，由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動機(jī)及傳動器等高速生產(chǎn)線組成，年產(chǎn)轎車能力15萬輛，制造節(jié)拍1150輛/min； 汽車發(fā)動機(jī)及其配件的高速切削加工 汽車覆蓋件及零件模具的高速切削加工,29,航空航天,圖4 高速加工薄壁樣件（厚度0.1mm） （米克朗公司）,圖5 增壓器葉輪實(shí)物,航空航天,30,圖6 高速加工薄壁樣件（壁厚0.1mm，高度20mm）,高速切削

12、技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 航空航天 大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件適于采用高速加工，材料去除率達(dá)100-180cm3/min。 鎳合金、鈦合金高速加工，切削速度達(dá)200-1000 m/min 對一些“整體制造法”零件，高速切削大大提高生 產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本 例如：波音公司在生產(chǎn)波音F-15戰(zhàn)斗機(jī)時，采用“整體制造法”，飛機(jī)零件數(shù)量減少了42%，用高速銑削代替組裝方法得到大型薄壁構(gòu)件，減少了裝配等工藝過程。 （超）高速切削應(yīng)用于航空航天工業(yè)的大型柔性件加工，提高工效10倍,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,模具加工業(yè) 淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工質(zhì)量和效率，可

13、取代電火花加工 應(yīng)用于精密模具的加工，可實(shí)現(xiàn)淬火鋼模具加工“一次過”，直接達(dá)到級精度及接近鏡面的表面質(zhì)量。 快速樣件制造，比快速原型制造技術(shù)效率高、質(zhì)量好 EDM電極加工，提高電火花加工質(zhì)量和效率，減少后續(xù)加工工序,照相機(jī),按紐,勺子,反射鏡,高速加工塑料模具,33,加工場景,模具材料從鑄鐵到鑄鋼、鑄鋁和合金鑄鋼，塑料的輪胎型芯,用傳統(tǒng)方法(手工) 需十幾道工序, 時間20 d 以上 采用超高速銑削, 轉(zhuǎn)速18000 rpm , ap=2mm , vf =10m/min ,時間24h,高速加工橡膠輪胎模,34,高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用,電極加工 儀器儀表 精密光學(xué)零件高速加工,石墨電極,薄壁銅

14、電極,2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技術(shù)的概念與特征 二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 四、高速切削機(jī)理 五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,高速切削加工系統(tǒng),37,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),關(guān)鍵技術(shù)-拓?fù)鋱D,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備,材料？結(jié)構(gòu)？參數(shù)？磨損？,主軸？軸承？進(jìn)給系統(tǒng)？驅(qū)動系統(tǒng)？實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)？,41,Modern 2412立式加工中心（美國）,42,DMU60T5軸高速加工中心（德國）,DMG 數(shù)控加工中心（德國）,44,東芝高速立式加工中心（日本）,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求,噪音小 啟停性能良好,足夠的剛性 和回轉(zhuǎn)精度,先

15、進(jìn)的潤滑冷卻系統(tǒng) 可靠的主軸檢測系統(tǒng),大功率,結(jié)構(gòu)緊湊 總質(zhì)量小,熱穩(wěn)定性良好,主軸系統(tǒng),高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求 為了提高機(jī)床的主軸靜態(tài)和動態(tài)精度，必須減少各主軸部件的制造誤差及裝備誤差，更重要的是，應(yīng)盡可能減少主軸系統(tǒng)中的誤差源，盡可能縮短主軸傳動鏈的長度。借助電氣傳動技術(shù)，主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式“電主軸”應(yīng)運(yùn)而生。由于主要采用交流高頻電動機(jī)，故又稱“高頻主軸”。,電動機(jī)定子通過冷卻套固裝在電主軸殼體中，其轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸，電主軸箱體就是電動機(jī)座。,主軸轉(zhuǎn)速通過電動機(jī)的變頻調(diào)速與矢量控制裝置來改變。在主軸的后部安裝有出盤和測速、測角傳

16、感器，主軸前端外伸部分的內(nèi)錐孔和端面用于安裝和固定加工中心可換刀柄。,電主軸工作原理,47,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求,在國外，電主軸已成為一種機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品。 國際上著名的電主軸生產(chǎn)廠家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-UP公司，德國的GMN公司和FAG公司，美國的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FORMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司。 中國：洛陽軸承研究所、廣州機(jī)床研究所。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求 高速主軸常用軸承：陶瓷軸承、磁懸浮軸承,陶瓷球軸承具有耐溫高

17、、轉(zhuǎn)速高、壽命長、絕緣的特點(diǎn),且其本身具有自潤滑性，常用的陶瓷球材料有氧化鋯（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有軸承鋼（GCR15）和不銹鐵（440、440C）及不銹鋼。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求,采用電動主軸（電機(jī)與主軸作成一體）； 軸承轉(zhuǎn)速特征值（= 軸徑（mm）轉(zhuǎn)速（r/min）較普通鋼軸承提高1.2 2倍，可達(dá)0.51106。,與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點(diǎn)是： 陶瓷球密度減小60%，可大大降低離心力 彈性模量比鋼高50%，使軸承具有更高剛度 陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失 陶瓷耐磨性好，軸承壽命長,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備

18、 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求 高速主軸常用軸承：磁懸浮軸承 主軸由兩個徑向和兩個軸向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約0.1mm。 剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。 轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4106。 回轉(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達(dá)0.2m。 機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復(fù)雜；又由于發(fā)熱多，對冷卻系統(tǒng)性能要求較高,磁懸浮軸承（Magnetic Bearing）是利用磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中,使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。磁感應(yīng)線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉(zhuǎn)子的重量就固定在運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上，利用幾乎是無負(fù)載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉(zhuǎn)子懸空。機(jī)械磨

19、損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染。,52,磁懸浮軸承電主軸,53,54,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求 高速主軸常用軸承：液體（氣體）靜壓軸承 回轉(zhuǎn)精度高 液體靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在0.2m以下，空氣靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在0.05m以下； 功率損失??； 轉(zhuǎn)速特征值： 液體靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)1106，空氣靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)3106 。 空氣靜壓軸承承載能力較小。,瑞士IBGA公司的水介質(zhì)靜壓電主軸,56,57,精密高速電主軸的特點(diǎn)比較,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速切削對主軸系統(tǒng)的要求 主軸高速電主軸的發(fā)展趨勢 向高速大功率和低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展 向高精

20、度、高剛度方向發(fā)展 向精確定向（準(zhǔn)停）方向發(fā)展 向快速起、停方向發(fā)展 向超高速方向發(fā)展 向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),1、裝備 高速進(jìn)給系統(tǒng) 高速度（60120m/min） 高加速度（普通機(jī)床12g，最高可達(dá)210g） 高靜態(tài)、動態(tài)精度 高安全性、低成本,要求不僅僅能夠達(dá)到高速運(yùn)動，而且要求瞬時達(dá)到高速、瞬時準(zhǔn)停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。 高速進(jìn)給系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)、滾動元件導(dǎo)向技術(shù)、高速測量與反饋控制技術(shù)和其他周邊技術(shù)，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術(shù)等。 目前常用的高速進(jìn)給系統(tǒng)有三種主要的驅(qū)動方式：高速滾珠絲杠、直線電動機(jī)和虛擬軸機(jī)構(gòu)。和高速進(jìn)

21、給系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的還有工作臺（拖板）、導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)制造技術(shù)等等。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具 是影響高速切削的關(guān)鍵因素 高速切削刀具的特點(diǎn)：高質(zhì)量、高價格,1、使用小直徑球頭銑刀精加工。刀具直徑10mm； 2、使用細(xì)晶粒涂層硬質(zhì)合金刀具，硬度、韌性都好； 3、TiAlN涂層(頂層) 和 TiCN （下層）多層涂覆，耐高速高熱磨損效果更好； 4、刀具直徑隨著工件硬度上升而減小，切削速度隨著工件硬度上升而降低。,保護(hù)刀具,1、提高刀具剛度，盡可能縮短刀具長度； 2、做好刀具系統(tǒng)的動平衡； 3、適當(dāng)潤滑和冷卻可以提高加工表面質(zhì)量，但是容易損壞刀具?？梢圆捎酶汕邢鳎碉L(fēng)去除切屑。切屑不僅帶走大部分

22、切削熱，而且硬度增加，必須及時清走； 4、減少切削載荷變化，避免沖擊； 5、選擇合適的切削速度和進(jìn)給速度等參數(shù)。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具 高速切削刀具要解決的問題 1、刀具成本 2、刀具耐用度 3、適合于刀具的切削工藝參數(shù) 解決方法 1、發(fā)展高速切削國產(chǎn)涂層刀具、刀柄； 2、針對刀具本身性能的差異、模具材料的差異、機(jī)床的差異等進(jìn)行實(shí)際工藝試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)；參考刀具生產(chǎn)廠的參數(shù)，還必須自己驗(yàn)證,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 硬質(zhì)合金Carbide - 高硬度、抗磨損，一般晶體尺寸為0.6 - 0.9 m，超細(xì)為0.4 - 0.6 m 。 金屬陶瓷Cermet 金屬與陶瓷

23、混合，比硬質(zhì)合金較硬但同時較脆，宜用于鋼及鑄鐵切削。 陶瓷Ceramic - 高硬度，抗高溫、較脆， 宜車削，不宜銑削。 立方氮化硼CBN 硬度僅次于金剛石，抗磨損，較脆，但比陶瓷較軔，宜用于硬鋼切削。 金剛石PCD 硬度最高，因?qū)﹁F性活躍，不宜用于鋼切削；溫度宜低，否則其化學(xué)特性會產(chǎn)生碳氧化，宜用于非鐵屬，如鋁、鎂、銅等。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 刀具材料特性,硬度： 金剛石PCD立方氮化硼PCBNAl2O3基Si3N4基TiC(N)基硬質(zhì)合金WC基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金高速鋼HSS； 抗彎強(qiáng)度： HSSWC基TiC(N)基Si3N4基Al2O3基PCDPCBN； 斷裂韌性：

24、 HSSWC基TiC(N)基PCBNPCDSi3N4基Al2O3基； 耐熱性： PCD700800；PCBN14001500；陶瓷11001200；TiC(N)基9001100；超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金WC基800900；HSS600700。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 硬質(zhì)合金刀具 硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用的最為廣泛，發(fā)展很快。 硬質(zhì)合金刀具有良好的綜合切削性能，用于高速切削刀具的硬質(zhì)合金材料主要是質(zhì)量優(yōu)良的細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒的材料結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度可達(dá)到3000N/mm24000N/mm，紅硬性可達(dá)到800-900。 由于采用先進(jìn)的成形工藝、燒結(jié)技術(shù)、納米技術(shù)、超細(xì)技術(shù)，硬質(zhì)合金刀具近幾年不斷涌

25、現(xiàn)出新的牌號，使硬質(zhì)合金刀具更具有切削的針對性。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 硬質(zhì)合金刀具涂層,涂層材料: TiN、TiCN、TiAlCN、 TiAlN,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 陶瓷刀具 陶瓷刀具有氧化鋁基Al2O3和氮化硅基Si3N4兩大類，紅硬性可達(dá)到1100-1200， 切削速度可達(dá)到800m/min。 主要應(yīng)用于鑄鐵零件的加工，如汽車制造業(yè)中發(fā)動機(jī)氣缸體缸孔、制動轂、輪轂的粗加工、半精加工和精加工。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 金屬陶瓷刀具 金屬陶瓷刀具是以TiC為基體,添加TiN或TiCN為主要成份，使其抗彎強(qiáng)度提高，具有耐磨

26、損性、耐熱裂紋性好等優(yōu)點(diǎn)，其紅硬性可達(dá)到900-1100。 金屬陶瓷與鋼的親和力小，可滿足高速、高精度加工的要求。 主要用于鋼和鑄鐵工件的半精加工和精加工。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 立方氮化硼刀具 立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼(PCBN)，其硬度可達(dá)35004500HV，紅硬性可達(dá)到1400 1500，在1000多度的高溫下仍能保持其硬度和良好的切削性能，切削速度達(dá)到8002000m/min，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到800012000r/min。 主要用于發(fā)動機(jī)缸體等鑄鐵類零件和氣門閥座等粉末冶金零件的半精和精加工序中。 CBN刀具還可用于加工淬硬工件，實(shí)現(xiàn)以車代磨。,高速切

27、削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具 較高的硬度和耐磨性 PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。 高的熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具 良好的化學(xué)穩(wěn)定性 1200-1300與鐵系材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；2000 才與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對各種材料粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小的多?；瘜W(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料。 良好的導(dǎo)熱性 PCBN導(dǎo)熱性僅次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/m，是硬質(zhì)合金

28、的20倍，陶瓷的37倍，且隨溫度升高而增加。這一特性使PCBN刀具刀尖處溫度降低，減少刀具磨損，提高加工精度。 較低的摩擦系數(shù) PCBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1-0.3（硬質(zhì)合金為0.4-0.6），且隨切削速度的提高而減小。這一特性使切削變形和切削力減小，加工表面質(zhì)量提高。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具 應(yīng)用：加工HRC45以上的硬質(zhì)材料 例如各種淬硬鋼（工具鋼、合金鋼、模具鋼、軸承鋼等），鑄鐵（釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵、高磷鑄鐵等），高溫合金，硬質(zhì)合金，粉末金屬表面噴涂（焊）材料等。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀具材料 金剛石刀具 有

29、天然金剛石，聚晶金剛石（PCD），人工合成單晶金剛石，金剛石涂層。 金剛石刀具其硬度可達(dá)600010000HV，切削速度可達(dá)到8000m/min，紅硬性可達(dá)到700800，加工鋁制工件及有色金屬時壽命極高。,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀柄 目前使用較為廣泛的刀柄主要有： HSK刀柄：在高轉(zhuǎn)速、高離心率的情況下，HSK刀柄與主軸的結(jié)合更緊密、剛性好。（3萬rpm） 熱脹刀柄：熱脹式刀柄具有高剛性、高同心度的性能特點(diǎn)，同心度達(dá)0.003mm以下。,重復(fù)定位精度由傳統(tǒng)7:24的錐度刀柄2.5m提高到1m,BT、HSK及KM刀柄結(jié)構(gòu)和性能比較,BT刀柄： 錐度為7:24； HSK刀柄：錐度為

30、1:10,高速切削的關(guān)鍵技術(shù),2、高速切削刀具刀柄,斜錐形(ISO, BT, CAT) 剛度較差 軸精度差 不適于高速加工(外部夾取) 廣泛應(yīng)用,中空杯形(HSK) 優(yōu)良的動/靜態(tài)剛 軸向精度和徑向精度都很準(zhǔn)確 十分適于高速加工(內(nèi)部夾取),2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技術(shù)的概念與特征 二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 四、高速切削機(jī)理 五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,高速切削機(jī)理,高速切削中切屑的產(chǎn)生 高速切削不斷增加的摩擦阻力導(dǎo)致切屑和刀具的接觸區(qū)域的溫度升高。 接觸區(qū)域的溫度可能高達(dá)工件材料的熔點(diǎn)。 切屑在接近熔點(diǎn)的液體狀態(tài)下起到了潤滑效果，因此，減低了

31、摩擦系數(shù)。 區(qū)域摩擦力的降低，減小了對切屑流動的阻礙，從而導(dǎo)致對切屑的壓力減小和切削力降低。 流動切屑的一個重要特征就是切屑橫截面積減小和剪切角增大，切屑明顯的扭曲。,高速切削機(jī)理,高速切削中切屑的產(chǎn)生 切屑扭曲變形的增大導(dǎo)致切屑與前刀面的接觸區(qū)域減少。 切屑與前刀面接觸面積的減少使得傳遞至切削刀具的熱量減少。 產(chǎn)生的絕大部分熱量都被傳遞給切屑，來不及傳遞給切削刀具和工件，因此工件溫度低。 工件溫度低和切削力低導(dǎo)致零件精度和表面質(zhì)量提高。,切削速度與表面質(zhì)量的關(guān)系(德國漢諾威大學(xué)實(shí)驗(yàn)),鑄鐵,鋁,切削速度與切削力的關(guān)系(德國漢諾威大學(xué)實(shí)驗(yàn)),2.2.1 高速切削加工,一、高速切削技術(shù)的概念與特

32、征 二、高速切削技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 三、高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 四、高速切削機(jī)理 五、高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,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，我國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、加工表面粗糙度以及高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。 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態(tài)變化規(guī)律、硅鋁合金高速鉆削和銑削數(shù)據(jù)庫等。 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)、北京航空航天大學(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,高速切削技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,高速切削加工在國內(nèi)的研究與應(yīng)用 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、