高速切削-課件 (21)

1、1.引言引言2.高速加工的定義高速加工的定義3.高速加工的特點和應用高速加工的特點和應用4.4.高速加工和傳統(tǒng)加工的區(qū)別高速加工和傳統(tǒng)加工的區(qū)別5.高速加工的關鍵技術高速加工的關鍵技術切削加工的發(fā)展方向是高速切削加工，高速加切削加工的發(fā)展方向是高速切削加工，高速加工技術工技術(High Speed Machining, HSM)(High Speed Machining, HSM)被認為被認為是是2121世紀最有發(fā)展前途的先進制造技術之一世紀最有發(fā)展前途的先進制造技術之一最早在飛機制造業(yè)受到重視最早在飛機制造業(yè)受到重視近幾年高速加工技術已廣泛用于模具工業(yè)近幾年高速加工技術已廣泛用于模具工業(yè)可廣

2、泛用于汽車工業(yè)和國防工業(yè)可廣泛用于汽車工業(yè)和國防工業(yè) 被加工材料都有一個臨界切削速度，在臨界速度之被加工材料都有一個臨界切削速度，在臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，當切削速度達到普通切削速度的當切削速度達到普通切削速度的5-65-6倍時，切削刃口倍時，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損亦減小的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損亦減小 以主軸轉速界定：主軸轉速以主軸轉速界定：主軸轉速8000r/min8000r/min以切削速度和進給速度界定：切削速度和進給以切削速度和進給速度界定：切削速度和進給速度為普通切

3、削的速度為普通切削的5-105-10倍倍轉速特征值轉速特征值(Dn(Dn= =軸徑軸徑(mm)(mm)轉速轉速(r/min)(r/min)達到達到0.5-2000.5-20010106 6采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速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(xiàn)代加工技術和加工表面質量的現(xiàn)代加工技術車削：車削：700-7000 m/min銑削：銑削：300-6000 m/min鉆削：鉆削：200-1100 m/min高速加工的切削速度范圍高速加工的切削速度范圍高速加工的切削速度范圍高速加工的

4、切削速度范圍1000-7000800-3000100-1000500-20002000-90003001000-4000主軸最高轉速：主軸最高轉速：10000-150000r/min10000-150000r/min主軸功率從主軸功率從0.5kW0.5kW到到80kW80kW、轉矩從、轉矩從0.1N.m0.1N.m到到300N.m300N.m坐標軸加工最高速：坐標軸加工最高速：30-60m/min30-60m/min，快速移動：，快速移動：70-80m/min,70-80m/min,最高最高120m/min120m/min換刀時間：換刀時間：3-5s3-5s，最快，最快0.7-1.5s 0.7

5、-1.5s 西班牙西班牙 EURO2000EURO2000高速立式高速立式龍門加工中心龍門加工中心,8000r/min,8000r/min,可用于大型模具等可用于大型模具等 德國德國ROEDERS,ROEDERS,42000rpm,適適合如手機模具加工合如手機模具加工日本日本 公司公司的立式加工中心的立式加工中心NV5000, 14,000rpm成都寧江機床成都寧江機床 NJ-5HMC40NJ-5HMC40五五軸聯(lián)動加工中心軸聯(lián)動加工中心 , , 40000r/min ,40000r/min ,可用于葉片、可用于葉片、葉輪、模具等加工葉輪、模具等加工 加工效率高，材料去除率是常規(guī)的加工效率高，

6、材料去除率是常規(guī)的3-53-5倍倍 刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小，和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)減小，切削力降低減小，切削力降低大概大概30%-90%30%-90% 刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部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變形小，有效地提高了加工精度 刀具壽命長（高速切削刀具）。刀具受力小，刀具壽命長（高速切削刀具）。刀具

7、受力小，受熱影響小，破損的機率很小，磨損慢受熱影響小，破損的機率很小，磨損慢 工件表面質量好。軸向和徑向切深小，工件粗工件表面質量好。軸向和徑向切深小，工件粗糙度小糙度小; ;切削度高，機床激振頻率遠高于工藝切削度高，機床激振頻率遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，系統(tǒng)振動很小，表面質量好系統(tǒng)的固有頻率，系統(tǒng)振動很小，表面質量好 橫向切削力很小，有利于加工細筋和薄壁，壁橫向切削力很小，有利于加工細筋和薄壁，壁厚甚至可厚甚至可1mm1 10.233 0.05 0.05軸承鋼軸承鋼, ,多多孔石墨孔石墨成本很高成本很高, ,剛性剛性較差較差, ,轉速和回轉轉速和回轉精度很高精度很高精密磨削，銑精密磨削，銑削

8、、雕刻、微小削、雕刻、微小孔鉆削及拋光等孔鉆削及拋光等 磁浮軸承磁浮軸承高速主軸高速主軸4 40.20.2合金鋼合金鋼成本很高成本很高, ,結構復結構復雜雜, ,剛性好剛性好, ,轉速和回轉速和回轉精度高轉精度高加工加工中心中心 油霧潤滑油霧潤滑: :以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，將其輸送到需要潤滑的位置起到潤并混入空氣流中，將其輸送到需要潤滑的位置起到潤滑和冷卻雙重作用滑和冷卻雙重作用油氣潤滑方式：壓縮空氣將微量的潤滑油精確地供給油氣潤滑方式：壓縮空氣將微量的潤滑油精確地供給每一套主軸軸承每一套主軸軸承 ，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾

9、道間形，微小油滴在滾動和內(nèi)、外滾道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣帶走軸承運轉所產(chǎn)生的成彈性動壓油膜，而壓縮空氣帶走軸承運轉所產(chǎn)生的部分熱量部分熱量 噴注潤滑方式：用較大流量的恒溫油噴注潤滑方式：用較大流量的恒溫油( (每個軸承每個軸承3-3-4L/min)4L/min)噴注到主軸軸承，實現(xiàn)潤滑冷卻。采用排油泵噴注到主軸軸承，實現(xiàn)潤滑冷卻。采用排油泵強制排油，而非自然回流。還要采用高精度恒溫油箱強制排油，而非自然回流。還要采用高精度恒溫油箱( (油溫變動油溫變動0.5)0.5)去重法去重法: :電機的轉子兩端設計有去重盤，進行整體動平電機的轉子兩端設計有去重盤，進行整體動平衡時衡時, ,由自動平

10、衡機在轉子的去重盤處切去不平衡量由自動平衡機在轉子的去重盤處切去不平衡量增重法增重法: :電機轉子的兩端設計有平衡盤，平衡盤的圓周電機轉子的兩端設計有平衡盤，平衡盤的圓周方向設計有均勻分布的螺紋孔，進行整體動平衡時，方向設計有均勻分布的螺紋孔，進行整體動平衡時，在螺紋孔內(nèi)擰入螺釘，以螺釘?shù)臄Q入深度和周向位置在螺紋孔內(nèi)擰入螺釘，以螺釘?shù)臄Q入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量來平衡主軸組件的偏心量 平衡校正機在線平衡校正向高速大功率和低速大轉矩方向發(fā)展向高速大功率和低速大轉矩方向發(fā)展向高精度、高剛度方向發(fā)展向高精度、高剛度方向發(fā)展向精確定向（準停）方向發(fā)展向精確定向（準停）方向發(fā)展向快速起、停方

11、向發(fā)展向快速起、停方向發(fā)展向超高速方向發(fā)展向超高速方向發(fā)展向標準化方向發(fā)展向標準化方向發(fā)展線性滾動導軌代替滑動導軌，移動速度、摩擦線性滾動導軌代替滑動導軌，移動速度、摩擦阻力、動態(tài)響應，甚至阻尼都發(fā)生了質變。阻力、動態(tài)響應，甚至阻尼都發(fā)生了質變。導軌的基本要求：導向精度高、剛度大、耐磨、導軌的基本要求：導向精度高、剛度大、耐磨、運動靈活和平穩(wěn)運動靈活和平穩(wěn)導軌偶合面的結構形式：導軌表面耐磨塑料層；導軌偶合面的結構形式：導軌表面耐磨塑料層；導軌接觸面強迫潤滑；滾動導軌；液體靜壓導導軌接觸面強迫潤滑；滾動導軌；液體靜壓導軌；氣浮導軌；空氣靜壓導軌等軌；氣浮導軌；空氣靜壓導軌等直線電機驅動直線電機驅

12、動快速、精密、高精度和耐用。快速、精密、高精度和耐用。顯著減少摩擦力、間隙和磨損等機械傳動的影響顯著減少摩擦力、間隙和磨損等機械傳動的影響獲得一致高精度的位移運動、動態(tài)位移和精確定位獲得一致高精度的位移運動、動態(tài)位移和精確定位快速行程可達到快速行程可達到60m/min60m/min。直線電動機進給驅動系統(tǒng)直線電動機進給驅動系統(tǒng)1 1導軌系統(tǒng)導軌系統(tǒng) 2 2籠型繞組二次側籠型繞組二次側3 3三相繞組一次側三相繞組一次側 4 4直線行程測量系統(tǒng)直線行程測量系統(tǒng) 性性 能能 伺服電機伺服電機滾珠絲杠滾珠絲杠 直線驅動直線驅動 定位精度定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重復定位精度重復

13、定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度最大加速度(g) 12 210 壽命壽命(h) 600010000 50000高速切割的加工中心，高速切割的加工中心，其其X、Y、Z三軸的移動三軸的移動部件的質量均較傳統(tǒng)的部件的質量均較傳統(tǒng)的結構為輕，且均采用直結構為輕，且均采用直線電機驅動。線電機驅動。高速切削的一個主要問題是刀具磨損，與普通高速切削的一個主要問題是刀具磨損，與普通切削相比，高速切削時刀具與工件的接觸時間切削相比，高速切削時刀具與工件的接觸時間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，

14、切削過程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨切削過程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機理與普通切削有很大區(qū)別。損機理與普通切削有很大區(qū)別。由于高速切削時離心力和振動的影響，刀具必由于高速切削時離心力和振動的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設計刀具須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設計刀具時，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、時，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強度、剛度和精度等方面因素。強度、剛度和精度等方面因素。以鍍膜的和未鍍膜的硬質合金、金屬陶瓷、氧以鍍膜的和未鍍膜的硬質合金、金屬陶瓷、氧化鋁基或氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立化鋁基或氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立方氮

15、化硼為主。方氮化硼為主。新的鍍膜材料和鍍膜方法將提高刀具的抗磨損新的鍍膜材料和鍍膜方法將提高刀具的抗磨損性性, ,成倍提高刀具的使用壽命。成倍提高刀具的使用壽命。刀具材料與工件材料相適應也是提高刀具壽命刀具材料與工件材料相適應也是提高刀具壽命的重要因素。的重要因素。刀具材料種類刀具材料種類 合金合金 高速鋼高速鋼 硬質合金硬質合金 陶瓷陶瓷 天然天然 聚晶金剛石聚晶金剛石 聚晶立方氮聚晶立方氮工具鋼工具鋼 W18Cr4V YG6 Si3N4 金剛石金剛石 PCD 化硼化硼 PCBN材料性能材料性能 硬度硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV40

16、00抗彎強度抗彎強度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa導熱系數(shù)導熱系數(shù) 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化學惰性化學惰性 低低 惰性大惰性大 惰性小惰性小 惰性小惰性小 惰性大惰性大 耐磨性耐磨性 低低 低低 較高較高 高高 最高最高 最高最高 很高很高 一般精度一般精度 Ra0.8 高精度高精度 Ra=0.4-0.2加工質量加工質量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 I

17、T5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削可替代磨削加工對象加工對象低速加低速加工一般工一般鋼材、鋼材、鑄鐵鑄鐵一般鋼一般鋼材、鑄材、鑄鐵粗、鐵粗、精加工精加工一般鋼一般鋼材、鑄材、鑄鐵粗、鐵粗、精加工精加工高硬度高硬度鋼材精鋼材精加工加工硬質合金、銅、硬質合金、銅、鋁有色金屬及其鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高合金、陶瓷等高硬度材料硬度材料淬火鋼、冷硬淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合鑄鐵、高溫合金等難加工材金等難加工材料料較高的硬度和耐較高的硬度和耐磨性：切削耐磨材磨性：切削耐磨材料時，其耐磨性為料時，其耐磨性為硬質合金刀具的硬質合金刀具的5050倍，涂層硬質合金倍，涂層硬質合金刀具的刀具的3030倍

18、，陶瓷倍，陶瓷刀具的刀具的2525倍倍高的熱穩(wěn)定性：高的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具金剛石刀具500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 溫度/BN100BN20陶瓷硬質合金PCBN刀具高溫硬度良好的化學穩(wěn)定性良好的化學穩(wěn)定性: 1200-1300: 1200-1300與鐵系材料不發(fā)生與鐵系材料不發(fā)生化學反應；化學反應；20002000才與碳發(fā)生化學反應；對各種材料才與碳發(fā)生化學反應；對各種材料粘結、擴散作用比硬質合金小的多。化學穩(wěn)定性優(yōu)于粘結、擴散作用比硬質合金小的多?；瘜W穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料

19、金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料良好的導熱性良好的導熱性: : 導熱性僅次于金剛石，導熱系數(shù)為導熱性僅次于金剛石，導熱系數(shù)為1300W/m1300W/m，是硬質合金的，是硬質合金的2020倍，陶瓷的倍，陶瓷的3737倍，且隨倍，且隨溫度升高而增加。刀尖處溫度低，刀具磨損少，加工溫度升高而增加。刀尖處溫度低，刀具磨損少，加工精度高精度高較低的摩擦系數(shù)較低的摩擦系數(shù): :與不同材料間的摩擦系數(shù)為與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1-0.1-0.30.3（硬質合金為（硬質合金為0.4-0.60.4-0.6），且隨切削速度的提高而），且隨切削速度的提高而減小。切削變形和切削力小，加工表面質量高減小。切削變形

20、和切削力小，加工表面質量高刀柄結構傳遞機床精度和切削力刀柄結構傳遞機床精度和切削力, ,是高速切削是高速切削時的關鍵部件時的關鍵部件, , 須滿足下列要求：須滿足下列要求：很高的幾何精度和裝夾重復精度很高的幾何精度和裝夾重復精度很高的裝夾剛度很高的裝夾剛度高速運轉時安全可靠高速運轉時安全可靠刀柄主軸拉桿漲套間隙主軸拉桿刀柄定位端面配合錐面HSK刀柄傳統(tǒng)刀柄1:107:24高速主軸的前端由于高速主軸的前端由于離心力的作用會使主離心力的作用會使主軸膨脹軸膨脹 為為保證高速下仍有可靠的接保證高速下仍有可靠的接觸定位，需很大的過盈量來觸定位，需很大的過盈量來抵消主軸軸端的膨脹，抵消主軸軸端的膨脹，這這

21、需需拉桿產(chǎn)生很大的預緊拉力，拉桿產(chǎn)生很大的預緊拉力，也也不利不利于于換刀，還會使主軸換刀，還會使主軸膨脹，影響主軸前軸承膨脹，影響主軸前軸承德國阿亨大學機床研究室專為高速機床主軸開發(fā)的德國阿亨大學機床研究室專為高速機床主軸開發(fā)的一種刀軸聯(lián)結結構，已被一種刀軸聯(lián)結結構，已被DINDIN標準化標準化HSKHSK短錐刀柄錐度短錐刀柄錐度110110，比標準的，比標準的7/247/24錐短錐短錐柄部分采用薄壁結構，錐度配合的過盈量較小，錐柄部分采用薄壁結構，錐度配合的過盈量較小，對刀柄和主軸端部關鍵尺寸的公差帶特別嚴格對刀柄和主軸端部關鍵尺寸的公差帶特別嚴格短錐有嚴格的公差和彈性薄壁，在拉桿軸向拉力的

22、短錐有嚴格的公差和彈性薄壁，在拉桿軸向拉力的作用下，短錐有一定的收縮，刀柄短錐和端面很容易作用下，短錐有一定的收縮，刀柄短錐和端面很容易與主軸相應結合面緊密接觸，聯(lián)結精度和剛度很高與主軸相應結合面緊密接觸，聯(lián)結精度和剛度很高主軸高速旋轉時，盡管主軸端會產(chǎn)生擴張，短錐的主軸高速旋轉時，盡管主軸端會產(chǎn)生擴張，短錐的收縮得到部分伸張，仍能與主軸錐孔保持良好的接觸，收縮得到部分伸張，仍能與主軸錐孔保持良好的接觸，主軸轉速對聯(lián)結剛度影響小主軸轉速對聯(lián)結剛度影響小 重量減少約重量減少約5050 重復使用時裝夾和重復使用時裝夾和定位精度高定位精度高 剛度高，并可傳送剛度高，并可傳送大的轉矩大的轉矩 裝夾力隨

23、轉速升高裝夾力隨轉速升高而加大而加大與現(xiàn)在的主軸端面結構和刀柄不兼容與現(xiàn)在的主軸端面結構和刀柄不兼容制造精度要求較高，結構復雜，成本較高制造精度要求較高，結構復雜，成本較高( (刀刀柄價格是普通標準柄價格是普通標準7:247:24刀柄的刀柄的1.5-21.5-2倍倍) )錐度配合過盈量較小，極限轉速比錐度配合過盈量較小，極限轉速比KMKM結構低結構低常用的錐形夾頭靈活性好，適用于不同的刀具常用的錐形夾頭靈活性好，適用于不同的刀具直徑，但可傳遞的扭矩有限且裝夾精度很低直徑，但可傳遞的扭矩有限且裝夾精度很低提高裝夾精度和剛度需采用其他方法，目前常提高裝夾精度和剛度需采用其他方法，目前常用的有用的有

24、收縮夾頭收縮夾頭液壓膨脹夾頭液壓膨脹夾頭力膨脹夾頭力膨脹夾頭利用材料熱脹冷縮的原理，把刀具裝人刀柄時，利用材料熱脹冷縮的原理，把刀具裝人刀柄時，先用輔助系統(tǒng)把刀柄孔加熱，使之膨脹，待刀先用輔助系統(tǒng)把刀柄孔加熱，使之膨脹，待刀具插入刀柄后進行冷卻，刀具就被穩(wěn)當?shù)貖A持具插入刀柄后進行冷卻，刀具就被穩(wěn)當?shù)貖A持在刀柄內(nèi)在刀柄內(nèi)優(yōu)點優(yōu)點: :精度高，剛性大精度高，剛性大缺點缺點: :操作不便，每次裝夾須對刀柄進行加熱操作不便，每次裝夾須對刀柄進行加熱和冷卻，易引起刀柄的熱疲勞和變形和冷卻，易引起刀柄的熱疲勞和變形 再加熱再加熱 冷卻冷卻 固定固定 常溫常溫 加熱加熱 裝卡裝卡插入刀插入刀具具卡座的先卡座

25、的先端部分加端部分加熱。熱。刀具柄比刀具柄比卡座內(nèi)徑卡座內(nèi)徑大大因熱膨脹系因熱膨脹系數(shù)不同，將數(shù)不同，將刀具取出。刀具取出。冷卻，卡座冷卻，卡座的內(nèi)徑收縮的內(nèi)徑收縮。適用于不同柄粗的立適用于不同柄粗的立銑銑刀刀（333232） ）規(guī)規(guī)格化格化（BTBT、 、SKSK、 、HSKHSK、 、UTSUTS） ）重型重型細長型細長型液壓膨脹夾頭液壓膨脹夾頭(a) (a) 外徑脹套夾頭外徑脹套夾頭 (b) (b) 內(nèi)徑脹套夾頭內(nèi)徑脹套夾頭1 1推動活塞的螺栓推動活塞的螺栓 2 2活塞活塞 3 3液壓腔液壓腔 4 4膨脹薄壁膨脹薄壁刀柄孔的周圍是一個液壓腔，刀具插入刀刀柄孔的周圍是一個液壓腔，刀具插入刀

26、柄后，用螺栓推動油腔頂部的活塞使刀柄柄后，用螺栓推動油腔頂部的活塞使刀柄孔內(nèi)結膨脹，從而夾緊刀具孔內(nèi)結膨脹，從而夾緊刀具優(yōu)點優(yōu)點: :精度高，剛性大，操作方便精度高，剛性大，操作方便缺點缺點: :對刀具的尺寸公差要求較嚴，過松時，對刀具的尺寸公差要求較嚴，過松時，可能達不到應有的夾持力可能達不到應有的夾持力 (a) (a) 夾頭孔制成三棱夾頭孔制成三棱(b) (b) 受力后夾頭孔呈圓形受力后夾頭孔呈圓形刀柄的孔呈三棱形，在裝夾刀具時，先用輔助刀柄的孔呈三棱形，在裝夾刀具時，先用輔助裝置在三棱孔的三個頂點施加預先調整好的力，裝置在三棱孔的三個頂點施加預先調整好的力，使刀柄孔變形成圓，然后把刀具插入刀柄，再使刀柄孔變形成圓，然后把刀具插入刀柄，再除去變形外力，刀柄孔彈性回復，刀具就被夾除去變形外力，刀柄孔彈性回復，刀具就被夾持在孔內(nèi)持在孔內(nèi)優(yōu)點優(yōu)點: :裝夾精度高，操作簡單，結構緊湊，造裝夾精度高，操作簡單，結構緊湊，造價較低價較低缺點缺點: :需備有一個輔助的加力裝置需備有一個輔助的加力裝置保證刀具運動軌跡光滑平穩(wěn)，并使刀具載荷均保證刀具運動軌跡光滑平穩(wěn)，并使刀具載荷均勻勻a）擺線加工）擺線加工 b）賽車線