高速切削及其关键技术-毕业论文.doc

高速切削及其关键技术摘要：高速切削加工是先进制造技术的重要组成部分，近净形毛坯 通过高速机床一次装夹加工是制造业的发展趋势，高速机床不仅要有 高的主轴转速和进给速度，而且还需要有高的运动加速度，介绍了高 速切削加工的概念和优越性；研究了国外高速机床的技术发展与应用， 以及我国高速机床的发展现状和趋势；分析了高速切削机床、高速切 削刀具、CNC控制系统等实现高速切削必需的关键技术的发展现状， 并探讨了高速切削技术应用领域和高速机床发展趋势关键词：高速切削；机床；关键技术1高速切削的概念高速切削(High Speed Machining简称HSM)概念的起源可以追溯到20世纪 20年代末,德国切削物理学家Carl . J . Salomon博士 1929年进行的超高速切削 模拟试验，并于1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削的设 想Salomon指出：在常规的切削范围内(见图1中的区域A),切削温度随着切 削速度的增人而提高但是，当切削速度增人到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并指出之值与工件材料的种类有关，对于每一种工 件材料，存在一个速度范围(见图1中的区域B),由于切削温度太高，高于刀 具材料所允许的最高温度，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个范 围被称之为“死谷”。

但是当切削速度进一步提高，超过这个速度范围后，切削 温度反而降低，同时切削力也会大幅度降低他认为对于一些工件材料应该有一 个临界的切削速度，在该切削速度下切削温度最高在高速切削h(进行切削，有 可能用现有的刀具进行，从而大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率几 乎每一种金屌材料都有临界切削速度，只是不同材料的速度值不同而己［I_5L切削速度G图1切削速度变化与切削温度之间的关系高速切削是一个和对的概念由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速 切削范围，所以很难就高速切削的速度范围给出确切的定义目前沿用的高速切 削加工的定义主要有以下几种(1 ) 1978年，，CIRP(国际生产工程研究院)切削委员会提出的以线速度 500〜7000m/idn的切削速度进行加工为高速切削加工2) 对铣削加工而言，以刀具夹持装置达到平衡要求时的速度来定义高述 切削加工根据IS01940标准，主轴转速高8000 r/min为高速切削加工3) 德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研宂所(PTW)提出将高于普通 切削速度5〜10倍的切削加工定义为高速切削加工4) 从主轴设计的观点，，以Dn值(主轴轴径或主轴轴承内径尺寸D与主 轴最大转速n的乘积)来定义高速切削加工。

值达(5〜2 000) xl(T时为高速切削加工5) 从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工这种定义取决于刀 具振动的主模式频率因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义切削条件 不同，，高速切削速度范围亦不同1992年在CTRP会议上发表了不冋材料大致 可行的和发展的切削速度范围，，如图2所示可以说，目前各国的切削速度仅 在高速阶段，尚未达CIRP所界定的超高速切削阶段圈2不m r.件材料的切削速度范m2高速切削的优越性现代产业和工程领域都需要应用机械，这些机械几乎没有不经过切削加工 的，即使没有直接经过切削加工，但其生产过程中所使用的模具、夹具等仍少不 丫要求切削加工随着科学技术的发展，对切削加工提出了越來越高的要求，如 对加工效率、加工精度和表而质量的要求，高速切削正是适应这种需求而发展起 来的加工技术目前，高速切削加工技术己在汽车、飞机、模具、轻工和信息等 产业部门得到非常广泛的应用，并取得了巨大的技术与经济效益高速切削加工 技术为机械制造企业快速响应市场信息提供了强有力的支持，其发展与应用是现 代制造业发展的必然趋势高速切削速度比常规切削速度几乎高出一个数量级，其切削机理与常规切削 不同。

由于切削机理的改变，而使高速切削加工呈现出许多自身的优势与传统 的切削加工方法相比，高速切削具有无可比拟的优越性，主要表现在：(1) 切削力低由于切削速度高，导致剪切变形区狭窄、剪切角增人、变形 系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小、切削力降低尤其是法向切 削力，比常规切削低30%〜90%刀具耐用度可提高70%，特别适合细长件、薄壁 类以及刚性差的工件加工2) 热变形小在高速切削时，90%〜95%以上的切削热来不及传给工件就被 高速流出的切屑带走，工件累计热量极少，工件基木上保持冷态，因而不会由于温升导致热变形，特别适合加工易热变形的零件3) 材料切除率高由于切削速度的大幅度提高，进给速度可提高到普通切 削速度的5〜10倍，这样单位时间内的材料切除率可以大大增加故高速切削适 用于材料切除率要求大的场合如汽车、模其和航空航天等制造领域同时机床 快速空行程速度大幅度提高，这大大减少了非切削的空行程吋间，从而极大地提 高了机床的生产率4) 加工精度高由于高切削速度和高进给率，使机床的激振频率远高于“机 床-工件-刀具”系统的固有频率，工件处于平稳振动切削状态，这就使零件加工 能够获得较高的表面加工质量。

高速切削加工获得的零件表面加工质量几乎可与 磨削相比，且残余应力很小，故可以省去高速切削后的精加工工序5) 降低加工成本高速切削可以降低加工成本的主要原因包括：单件零件 加工时间缩短；许多零件在常规加工时，需要粗、半精、精加工工序，有时加工 后还需进行手工研磨，而使用高速切削可使工件加工集中在一道工序中完成这 样可以使加工成本大为降低，加工周期大为缩短6) 高速切削可以加工难加工的材料例如，航空和动力部门火量采用的镍 基合金、钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击，加工中容易硬化，切削温 度高，刀具磨损严重如果采用高速加工，不但可以大幅度提高生产率，而且可 以有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量3高速切削技术的发展根据Salomon的高速切削理论，当切削速度超过被切削材料临界切削速度时, 切削温度不再随切削速度的提高而上升,切削抗力减小，刀具使用寿命延长,且以 高切削速度、高切削精度、高进给速度与加速度为主要特征.美国于1960年前后开始进行超高速切削试验，试验将刀具装在加农炮里，从 滑台上射向工件，或将工件作炮弹射向固定的刀具［Hd2］1977年，在一台带有 高频电主轴的加工中心上进行了高速切削试验。

1984年，德WW家研究技术部 组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所和41家公司参加的两项 联合研宄计划，全面、系统地研究了超高速切削机床、刀具控制系统以及相关的 工艺技术，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了较 好的经济效益日本于20世纪60年代就着手超高速切削机理的研究，日本学者 发现在超高速切削时，绝人部分切削热被切屑带走,工件基本保持冷态，其切屑比 常规切屑热得多日本工业界善于吸收各国的研宄成果并及时应用到新产品开发 中去，尤其在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现在己经跃居世界领先 地位中国高速切削加工技术研究起步较晚20世纪80年代以来对高速切削刀具 寿命与切削力，高速切削机理，高速硬切削和切屑形成机理，钛合金高速铣削、薄 壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面温度，高速主轴系统和快速进给系 统，高温合金的高速切削等进行了初步研究并取得了令人鼓舞的成就近年来，航空、汽车、模具等制造行业都不同程度地开始推广应用高速 切削加工技术，模具行业和航空工业应用较多九五”、“十五”期间，中国高速、高效切削机床基础理论和数控技术的 研究水平有了大幅度提高，加工中心主轴转速普遍提高到8000r/min，最高可达 12000r/min ,数控车床的主轴最高转速提高到6000r/min ,快速进给速度最高达 40m/min，换刀时间减少到1. 5s。

2005年的北京机床展览会CTMT2005以高效率、高精度为主旋律，所展出的国外展品基本都是高速数控机床机床最高主轴转速普遍从1999年8000〜12 000r/min提高到18000〜24000r/min现在加工中心主轴转速一般20000〜 32000r/min，快进速度为30〜120m/min，换刀时间3〜5s齿轮机床的主轴转速 也己提高9000〜12000 1/111^目前己有主轴最高转速150000r/min，快速进给 达120m/min ,换刀吋间为0. 7〜1. 5s的坐标磨削加工中心国外高速机床,转速 为20000〜150000r/min,主轴功率10〜40kW,高速磨床的切削速度达到120m/s , 进给工作台加速度达25〜50m/f进给速度高达30〜120m/min超高速切削代 表了机床高效、高精度、高柔性的发展方向，将越來越成为切削技术和机床的发 展主流＞15]4高速切削的关键技术4.1高速切削加工机床高速机床是实现高速切削加工的前提和关键，具有高精度的高转速主轴，具 冇控制精度高的高轴进给速度和进给加速度的轴向进给系统，又是高速机床的关 键所在4.2高速切削刀具高速切削刀具是实现高速切削加工的又一个关键技术。

必须研宂开发新型刀 具材料与刀具结构，以适应高速切削加工的需要4.3 CNC控制系统高速切削加工要求CNC控制系统K有快速数据处理能力和高功能化特性，以 保证在高速切削时,特别是4-5坐标联动切削加工复杂曲面轮廓时，仍具有良好 的加工性能需要32位微处理器，可能还要采用多处理器，要具冇高速插补及 程序块处理，以及冇铲的超前处理能力较强的超前处理能力用于预防刀具轨迹 偏移与避免高速下突发事故5高速切削的应用目前，高速切削己经不是实验室里的技术了，它更多的是应用于以下几个方 面：(1) 飞机、航天生产及工具、模具制造中用于加工轻质合金、钢及铸铁等大 切削量、长时间加工应用2) 对表而质量要求较高的精密特种工件加工，如精密机件、光学件及压缩 机件等3) 机、航空、仪表及汽车工业中需要低切削力的薄壁工件加工4) 加工时不能承受临界频率的应用，如精密机械、光学工业5) 要求低切削热量的工件，如精密机械及镁合金6结束语高速切削加工技术是一项高新制造技术它在自身发展的同时，也带动了其 相关技术的研宄与发展虽然目前有许多问题有待于研究与解决，但基于人们对 努力提高生产效率与质量这一主题的渴求，高速切削加工及其相关技术的研宄将 会继续深入，新的更高速、超高速机床、刀具的研究与应用，必将对机械制造的 行业产生重要而深远的影响。

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