高速加工技术教程

1、1,机械制造技术基础,第3章 切削与磨削原理 Cutting and Grinding Theory,2,1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。 Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。,尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/min。,3.7.1 高速加工概述,高速加工定义,3,3.7.1 高速加工概述,4,高速加工的切削速度范围,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异,车削： 700-7000 m/min 铣削： 300-6000 m/min 钻削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s,高速加工切削速

2、度范围随加工方法不同也有所不同,3.7.1 高速加工概述,5,加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量 工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义,高速加工的特点,3.7.1 高速加工概述,6,高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。 与高速加工密切相关的技术主要有： 高速加工刀具与磨具制造技术； 高速主轴单元制造技术； 高速进给单元制造技术； 高速加工在线检测与控制技术； 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。 此外高速切削与磨削机理的研究，对于

3、高速切削的发展也具有重要意义。,3.7.1 高速加工概述,高速加工的关键技术,7,3.7.2 高速加工机床与刀具,高速主轴 采用电动主轴（电机与主轴作成一体） 主轴轴承 高速进给系统 高速CNC系统 高刚度的床体结构 切屑处理和温控系统 安全装置和实时监控系统,8,3.7.2 高速加工机床与刀具,高速主轴 陶瓷轴承高速主轴结构,9,采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似； 采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4； 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力； 陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度； 陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失； 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。 采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； 轴承转速特征值（= 轴径（mm）转速（r/min）较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.51106。,陶瓷轴承高速主轴结构特征,3.7.2 高速加工机床与刀具,10,回转精度高，液体静压轴承回转误差在0.2m以下，空气静压轴承回转误差在0.05m以下； 功率损失小； 液体静压轴承转速特征值可达1106，空气静压轴

4、承转速特征值可达3106 。 空气静压轴承承载能力较小。,3.7.2 高速加工机床与刀具,11,电磁铁绕组通过电流 I0，对转子产生吸力 F，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图3-32）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置,位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。 控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。,3.7.2 高速加工机床与刀具,12,3.7.2 高速加工机床与刀具,磁浮轴承主轴结构,13,主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。 转速特征值可达4106。 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。,磁浮轴承主轴特点,3.7.2 高速加工机床与刀具,14,自检测磁悬浮轴承系统,为检测转子位移，需使用位移

5、传感器，使轴承系统轴向尺寸加大，动态性能下降，制造成本增高。由此提出利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。 工作原理：转子发生位移时，电磁铁线圈的自感应系数也要发生变化，即电磁铁线圈的自感应系数是转子位移 x 的函数，相应的电磁铁线圈的端电压（或电流）也是位移 x 的函数。将电磁铁线圈的端电压（或电流）检测出来并作为系统闭环控制的反馈信号，通过控制器调节转子位移，使其工作在平衡位置上（图3-32）。 脉宽调制信号（PWM）经驱动电磁铁产生磁场。从控制电磁铁提取PWM载波电压中包含了转子位移信息。提取的信号经全波整流后，由低通滤波器变为转子的低频位移信号。PID将此信号转变为控制信号，经功率放大后控制电磁铁，形成闭环控制。,3.7.2 高速加工机床与刀具,15,3.7.2 高速加工机床与刀具,16,3.7.2 高速加工机床与刀具,高速加工刀具的材料 涂层刀具 陶瓷刀具 聚晶金刚石（PCD）刀具 立方氮化硼（CBN）刀具 聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具,高速回转刀具与机床接口形式,高速加工刀具结构 整体式 机夹式,17,3.7.2 高速加工机床与刀具,18,金刚石与CBN晶体结构相似，每一

6、个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,3.7.2 高速加工机床与刀具,19,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。 天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。 天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。 天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,3.7.2 高速加工机床与刀具,20,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。 在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。 聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000 。

7、 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。 用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。 金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,3.7.2 高速加工机床与刀具,21,聚晶金刚石应用实例,3.7.2 高速加工机床与刀具,22,较高的硬度和耐磨性： CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。, PCBN切削性能,聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 1970年问世,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）,3.7.2 高速加工机床与刀具,23,良好的化学稳定性 1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于

8、金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。 良好的导热性 CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。 较低的摩擦系数 CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,3.7.2 高速加工机床与刀具,24,加工HRC45以上的硬质材料 例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。, PCBN刀具应用,金属软化效应 用PCBN切削淬硬钢，工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图3-38），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,3.7.2 高速加工机床与刀具,25, PCBN刀具应用实例,3.7.2 高速加工机床与刀具,26,航空航天： 带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。 镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 汽车工业：,高速加工的应用,3.7.3 高速加工应用领域,采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产（图3-51）,模具制造： 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍（图3-52，图3-53 ）。,仪器仪表： 精密光学零件加工。,27,专用机床 5轴4工序 = 20轴（3万件/月） 刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）,1,2,3,4,钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔,表面和内侧倒棱,高速钻孔,高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）,图3-33 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）,返回,3.7.3 高速加工应用领域,28,返回,3.7.3 高速加工应用领域,29, 对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。,返回,3.7.3 高速加工应用领域,

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