高速加工技術(shù)

高速加工技術(shù)第1頁(yè)/共93頁(yè)切削加工的發(fā)展方向是高速切削加工，高速加工技術(shù)(HighSpeedMachining,HSM)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的先進(jìn)制造技術(shù)之一最早在飛機(jī)制造業(yè)受到重視近幾年高速加工技術(shù)已廣泛用于模具工業(yè)可廣泛用于汽車(chē)工業(yè)和國(guó)防工業(yè)引言第2頁(yè)/共93頁(yè)高速加工的定義

高速加工和Salomon曲線(xiàn)高速加工的定義高速加工的切削速度范圍高速加工中心的技術(shù)參數(shù)第3頁(yè)/共93頁(yè)1931年德國(guó)切削物理學(xué)家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了“Salomom曲線(xiàn)”被加工材料都有一個(gè)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，當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5-6倍時(shí)，切削刃口的溫度開(kāi)始隨切削速度增大而降低，刀具磨損亦減小高速加工和Salomon曲線(xiàn)

第4頁(yè)/共93頁(yè)以主軸轉(zhuǎn)速界定：主軸轉(zhuǎn)速≥8000r/min以切削速度和進(jìn)給速度界定：切削速度和進(jìn)給速度為普通切削的5-10倍轉(zhuǎn)速特征值(Dn=軸徑(mm)×轉(zhuǎn)速(r/min))達(dá)到0.5-200×106采用超硬材料的刀具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)高速加工定義第5頁(yè)/共93頁(yè)

高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異◎車(chē)削：700-7000m/min◎銑削：300-6000m/min◎鉆削：200-1100m/min

高速加工切削速度范圍隨加工方法不同有所不同高速加工的切削速度范圍第6頁(yè)/共93頁(yè)高速加工的切削速度范圍1000-7000800-3000100-1000500-20002000-90003001000-4000第7頁(yè)/共93頁(yè)高速加工中心的主要技術(shù)參數(shù)主軸最高轉(zhuǎn)速：10000-150000r/min主軸功率從0.5kW到80kW、轉(zhuǎn)矩從0.1N.m到300N.m坐標(biāo)軸加工最高速：30-60m/min，快速移動(dòng)：70-80m/min,最高120m/min換刀時(shí)間：3-5s，最快0.7-1.5s第8頁(yè)/共93頁(yè)西班牙EURO2000高速立式龍門(mén)加工中心,8000r/min,可用于大型模具等德國(guó)ROEDERS,42000rpm,適合如手機(jī)模具加工第9頁(yè)/共93頁(yè)日本MoriSeiki(森精機(jī)

)公司的立式加工中心NV5000,14,000rpm成都寧江機(jī)床NJ-5HMC40五軸聯(lián)動(dòng)加工中心,40000r/min,可用于葉片、葉輪、模具等加工第10頁(yè)/共93頁(yè)鋁合金的高速切削第11頁(yè)/共93頁(yè)主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)示例第12頁(yè)/共93頁(yè)坐標(biāo)軸快速移動(dòng)示例第13頁(yè)/共93頁(yè)坐標(biāo)軸高速加工示例第14頁(yè)/共93頁(yè)高速加工的特點(diǎn)和應(yīng)用第15頁(yè)/共93頁(yè)加工效率高，材料去除率是常規(guī)的3-5倍刀具切削狀況好，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，剪切變形區(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%-90%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，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度刀具壽命長(zhǎng)（高速切削刀具）。刀具受力小，受熱影響小，破損的機(jī)率很小，磨損慢高速加工的特點(diǎn)第16頁(yè)/共93頁(yè)工件表面質(zhì)量好。軸向和徑向切深小，工件粗糙度小;切削度高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，系統(tǒng)振動(dòng)很小，表面質(zhì)量好橫向切削力很小，有利于加工細(xì)筋和薄壁，壁厚甚至可<1mm高速切削刀具熱硬性好，且切削熱大部分被切屑帶走，可進(jìn)行高速干切削，實(shí)現(xiàn)綠色加工可完成高硬度材料和硬度高達(dá)HRC40-62淬硬鋼的加工，Ra0.4，加工效率是EDM的3-6倍高速加工的特點(diǎn)第17頁(yè)/共93頁(yè)瑞士Fraisa

HX銑刀加工高硬度材料第18頁(yè)/共93頁(yè)高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車(chē)公司）與最終尺寸差值/mm加工時(shí)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高速加工的加工時(shí)間★對(duì)于復(fù)雜型面模具，模具精加工費(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本第19頁(yè)/共93頁(yè)航空航天汽車(chē)工業(yè)模具制造其它高速加工的應(yīng)用第20頁(yè)/共93頁(yè)帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工，材料去除率達(dá)100-180cm3/min。鎳、鈦合金加工，切削速度達(dá)200-1000m/min高速加工在航空航天業(yè)中的應(yīng)用第21頁(yè)/共93頁(yè)高速銑削客機(jī)機(jī)艙地板桁條第22頁(yè)/共93頁(yè)應(yīng)用于汽缸體、汽缸蓋、差速器殼、連桿、變速箱殼、轉(zhuǎn)向節(jié)及其它多種零件的生產(chǎn)流水線(xiàn)采用高速加工中心和專(zhuān)用機(jī)床組成高速柔性生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)平面加工：鋁件—高速加工中心；鑄鐵件、鋼件—數(shù)控銑床中、小孔系，螺孔—高速加工中心；不規(guī)則及小型平面銑削—高速加工中心。

重要的特殊表面加工（鏜缸孔、曲軸孔、凸輪軸孔、長(zhǎng)油孔）—柔性專(zhuān)機(jī)或組合機(jī)床高速加工在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用第23頁(yè)/共93頁(yè)高速加工在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用5軸×4工序=20軸（3萬(wàn)件/月）剛性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固定不變）1234鉆孔表面倒棱內(nèi)側(cè)倒棱鉸孔表面和內(nèi)側(cè)倒棱高速鉆孔1臺(tái)1軸1工序（3萬(wàn)件/月）柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變）汽車(chē)輪轂螺栓孔高速加工實(shí)例（日產(chǎn)公司）專(zhuān)用機(jī)床高速加工中心第24頁(yè)/共93頁(yè)高速加工在模具制造中應(yīng)用高速模具加工的過(guò)程1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修傳統(tǒng)模具加工的過(guò)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手工磨修電極制造第25頁(yè)/共93頁(yè)汽車(chē)車(chē)門(mén)外覆蓋件模具的高速加工高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工的時(shí)間比較：傳統(tǒng)加工：50H.，鉗工修復(fù)：90H.，總計(jì)；140H.HSM：16H.5M.，手工修復(fù)：15H.，總計(jì)：37.5H.模具尺寸：1400x1200x600mm模具重量：2500kg毛坯材料：GGG30(相當(dāng)于HT300)材料硬度：HB240第26頁(yè)/共93頁(yè)照相機(jī)按紐勺子反射鏡高速加工塑料模具第27頁(yè)/共93頁(yè)高速加工塑料模具型腔第28頁(yè)/共93頁(yè)連桿鉗子高速加工鍛造模具第29頁(yè)/共93頁(yè)加工場(chǎng)景高速加工橡膠輪胎模第30頁(yè)/共93頁(yè)壓鑄模吸塑模高速加工其他模具第31頁(yè)/共93頁(yè)高速加工的應(yīng)用—電極加工石墨電極薄壁銅電極第32頁(yè)/共93頁(yè)高速加工在復(fù)雜曲面加工中的應(yīng)用氣輪機(jī)葉片鈦合金人造關(guān)節(jié)第33頁(yè)/共93頁(yè)高速加工的加工精度高、表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率很高，在模具工業(yè)中的應(yīng)用效果非常好，符合現(xiàn)代制造技術(shù)“高效率、高精度和高度自動(dòng)化”的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景電火花成形加工對(duì)一些尖角、窄槽、深小孔和過(guò)于復(fù)雜的型腔表面的精密加工還是有用的高速加工還不能完全代替電火花成形加工，兩者應(yīng)該揚(yáng)長(zhǎng)避短，相輔相成高速加工與電火花加工的比較第34頁(yè)/共93頁(yè)高速加工的一次性設(shè)備投資比較大，并不是所有企業(yè)都能承受高速加工以其巨大的優(yōu)勢(shì)沖擊傳統(tǒng)的電加工工藝，特別是對(duì)模具工業(yè)而言,大規(guī)模設(shè)備更新的時(shí)代即將到來(lái)高速加工與電火花加工的比較第35頁(yè)/共93頁(yè)高速主軸單元制造技術(shù)高速進(jìn)給單元制造技術(shù)高速加工刀具技術(shù)高速加工的機(jī)理研究高速加工在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)高速加工的加工工藝其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加工的排屑技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等高速加工的關(guān)鍵技術(shù)第36頁(yè)/共93頁(yè)高速主軸單元的要求回轉(zhuǎn)精度高，剛性好動(dòng)平衡性很高能傳遞足夠的力矩和功率能承受高的離心力有良好的熱穩(wěn)定性，帶有準(zhǔn)確的測(cè)溫裝置和高效的冷卻裝置通常采用主軸電機(jī)一體化的電主軸部件，實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)第37頁(yè)/共93頁(yè)電主軸概述電主軸省去了帶輪或齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，提高了傳動(dòng)效率電主軸的剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、快速響應(yīng)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的轉(zhuǎn)速和加、減速度及定角度的快速準(zhǔn)停（C軸控制），調(diào)速范圍寬電主軸的基本參數(shù)：套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等第38頁(yè)/共93頁(yè)世界上著名的電主軸生產(chǎn)廠家：瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司德國(guó)：GMN公司，F(xiàn)AG公司美國(guó)：Precise公司意大利：Gamfior公司，F(xiàn)oemat公司日本：NSK公司，Koyo公司瑞典：SKF公司高速主軸系統(tǒng)第39頁(yè)/共93頁(yè)適合小孔鉆削電主軸單元第40頁(yè)/共93頁(yè)電主軸的高速軸承技術(shù)精密滾動(dòng)軸承精密角接觸陶瓷球軸承精密圓柱滾子軸承

靜壓軸承液體靜壓空氣靜壓磁浮軸承第41頁(yè)/共93頁(yè)滾動(dòng)軸承電主軸角接觸陶瓷球軸承精密角接觸陶瓷球軸承第42頁(yè)/共93頁(yè)陶瓷軸承高速主軸陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸陶瓷球軸承冷卻水出口冷卻水入口陶瓷角接觸球軸承高速電主軸結(jié)構(gòu)第43頁(yè)/共93頁(yè)

采用C或B級(jí)精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類(lèi)似采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4,GCr15鋼圈與鋼球相比，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；陶瓷彈性模量比鋼高50%，軸承剛度更高；熱膨脹系數(shù)只有軸承剛的25%；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(zhǎng)。陶瓷軸承高速電主軸結(jié)構(gòu)特征第44頁(yè)/共93頁(yè)采用電動(dòng)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)2×106?；剞D(zhuǎn)精度可達(dá)0.5μm陶瓷軸承高速電主軸特點(diǎn)第45頁(yè)/共93頁(yè)靜壓軸系高速電主軸瑞士IBGA公司的水介質(zhì)靜壓電主軸第46頁(yè)/共93頁(yè)

靜壓軸承工作原理第47頁(yè)/共93頁(yè)靜壓軸承對(duì)軸頸圓度誤差的均化作用第48頁(yè)/共93頁(yè)靜壓軸系特點(diǎn)軸承間隙內(nèi)介質(zhì)壓強(qiáng)由外部供給，忽略主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)壓效應(yīng)，承載能力不受主軸轉(zhuǎn)速的影響，實(shí)現(xiàn)任何轉(zhuǎn)速下液／氣體摩擦，具有設(shè)計(jì)所需的承載能力；適應(yīng)性好，壽命長(zhǎng)主軸浮起后是純液／氣體摩擦，起動(dòng)摩擦阻力小，主軸旋轉(zhuǎn)后軸線(xiàn)偏移量比軸頸軸套的加工誤差小得多具有很高而且穩(wěn)定的剛性，運(yùn)轉(zhuǎn)精度比較高需要一套壓力供油/氣裝置，所以設(shè)備成本高，體積大。適合于調(diào)速范圍和載荷變化大的精密設(shè)備第49頁(yè)/共93頁(yè)

回轉(zhuǎn)精度高液體靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在0.2μm以下空氣靜壓軸承回轉(zhuǎn)誤差在0.05μm以下

功率損失小轉(zhuǎn)速特征值高液體靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)1×106空氣靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)3×106剛性：液體靜壓軸承承載剛度好，空氣靜壓軸承承載能力較小靜壓軸系高速主軸結(jié)構(gòu)特征第50頁(yè)/共93頁(yè)內(nèi)裝式雙半球空氣軸承高速電主軸第51頁(yè)/共93頁(yè)磁浮軸承高速電主軸電磁鐵繞組通過(guò)電流I0，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力F，與轉(zhuǎn)子重量平衡，轉(zhuǎn)子處于懸浮平衡位置。轉(zhuǎn)子受擾動(dòng)后，偏離平衡位置。傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位移，將位移信號(hào)送至控制器。控制器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，經(jīng)功放變換為控制電流，改變吸力方向，使轉(zhuǎn)子重回平衡位置位移傳感器常為非接觸式(5-7個(gè))，對(duì)其靈敏度和可靠性要求較高控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜，磁懸浮軸承成本較高（一套售價(jià)約1萬(wàn)美元）放大器電磁鐵（定子）傳感器轉(zhuǎn)子磁懸浮軸承工作原理控制器第52頁(yè)/共93頁(yè)前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器磁浮軸承高速主軸磁浮軸承高速電主軸第53頁(yè)/共93頁(yè)磁懸浮軸承電主軸瑞士IBGA公司的磁懸浮電主軸磁懸浮軸承磁懸浮軸承高頻電動(dòng)機(jī)松刀用液壓裝置HSK-E刀柄水套冷卻第54頁(yè)/共93頁(yè)主軸由兩個(gè)徑向和兩個(gè)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)4×106?；剞D(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)0.2μm。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(duì)冷卻系統(tǒng)性能要求較高。磁浮軸承電主軸特點(diǎn)第55頁(yè)/共93頁(yè)試比較精密高速電主軸的特征

轉(zhuǎn)速特征值

(=軸徑(mm)×轉(zhuǎn)(r/min))回轉(zhuǎn)精度/μm軸承材料特點(diǎn)應(yīng)用滾珠軸承高速主軸

0.5-1

0.5陶瓷珠,如Si3N4

成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度受限制各種高速加工機(jī)床和加工中心等液體靜壓軸承高速主軸>1

<0.2軸承鋼成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,剛性較好,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度高高速磨削、銑削等加工等空氣靜壓軸承高速主軸

>30.05

軸承鋼,多孔石墨成本很高,剛性較差,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度很高精密磨削，銑削、雕刻、微小孔鉆削及拋光等

磁浮軸承高速主軸

4

0.2合金鋼成本很高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,剛性好,轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度高

加工中心第56頁(yè)/共93頁(yè)電主軸的潤(rùn)滑技術(shù)油霧潤(rùn)滑:以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)油霧器將油液霧化并混入空氣流中，將其輸送到需要潤(rùn)滑的位置起到潤(rùn)滑和冷卻雙重作用油氣潤(rùn)滑方式：壓縮空氣將微量的潤(rùn)滑油精確地供給每一套主軸軸承

，微小油滴在滾動(dòng)和內(nèi)、外滾道間形成彈性動(dòng)壓油膜，而壓縮空氣帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量

噴注潤(rùn)滑方式：用較大流量的恒溫油(每個(gè)軸承3-4L/min)噴注到主軸軸承，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑冷卻。采用排油泵強(qiáng)制排油，而非自然回流。還要采用高精度恒溫油箱(油溫變動(dòng)±0.5℃)第57頁(yè)/共93頁(yè)電主軸的動(dòng)平衡去重法:電機(jī)的轉(zhuǎn)子兩端設(shè)計(jì)有去重盤(pán)，進(jìn)行整體動(dòng)平衡時(shí),由自動(dòng)平衡機(jī)在轉(zhuǎn)子的去重盤(pán)處切去不平衡量增重法:電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端設(shè)計(jì)有平衡盤(pán)，平衡盤(pán)的圓周方向設(shè)計(jì)有均勻分布的螺紋孔，進(jìn)行整體動(dòng)平衡時(shí)，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(lái)平衡主軸組件的偏心量

第58頁(yè)/共93頁(yè)電主軸的動(dòng)平衡平衡校正機(jī)在線(xiàn)平衡校正第59頁(yè)/共93頁(yè)高速電主軸的發(fā)展趨勢(shì)向高速大功率和低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展向高精度、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)展第60頁(yè)/共93頁(yè)高速進(jìn)給單元制造技術(shù)線(xiàn)性滾動(dòng)導(dǎo)軌代替滑動(dòng)導(dǎo)軌，移動(dòng)速度、摩擦阻力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)，甚至阻尼都發(fā)生了質(zhì)變。導(dǎo)軌的基本要求：導(dǎo)向精度高、剛度大、耐磨、運(yùn)動(dòng)靈活和平穩(wěn)導(dǎo)軌偶合面的結(jié)構(gòu)形式：導(dǎo)軌表面耐磨塑料層；導(dǎo)軌接觸面強(qiáng)迫潤(rùn)滑；滾動(dòng)導(dǎo)軌；液體靜壓導(dǎo)軌；氣浮導(dǎo)軌；空氣靜壓導(dǎo)軌等直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)快速、精密、高精度和耐用。顯著減少摩擦力、間隙和磨損等機(jī)械傳動(dòng)的影響獲得一致高精度的位移運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)位移和精確定位快速行程可達(dá)到60m/min。第61頁(yè)/共93頁(yè)直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與滾珠絲桿間接驅(qū)動(dòng)第62頁(yè)/共93頁(yè)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1－導(dǎo)軌系統(tǒng)2－籠型繞組二次側(cè)3－三相繞組一次側(cè)4－直線(xiàn)行程測(cè)量系統(tǒng)第63頁(yè)/共93頁(yè)

性能伺服電機(jī)＋滾珠絲杠直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重復(fù)定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10壽命(h)6000～1000050000直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較第64頁(yè)/共93頁(yè)運(yùn)動(dòng)部件輕量化和進(jìn)給控制精密化高速切割的加工中心，其X、Y、Z三軸的移動(dòng)部件的質(zhì)量均較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為輕，且均采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第65頁(yè)/共93頁(yè)高速切削的刀具系統(tǒng)高速切削的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損，與普通切削相比，高速切削時(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。由于高速切削時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設(shè)計(jì)刀具時(shí)，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強(qiáng)度、剛度和精度等方面因素。第66頁(yè)/共93頁(yè)刀具材料以鍍膜的和未鍍膜的硬質(zhì)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性,成倍提高刀具的使用壽命。刀具材料與工件材料相適應(yīng)也是提高刀具壽命的重要因素。第67頁(yè)/共93頁(yè)刀具材料種類(lèi)

合金高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷天然

聚晶金剛石

聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗彎強(qiáng)度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化學(xué)惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低較高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6IT7-8IT5-6

可替代磨削加工對(duì)象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料普通與超硬刀具材料性能與用途對(duì)比第68頁(yè)/共93頁(yè)天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，硬度范圍為HV8000-12000，相對(duì)密度為3.48-3.56。是各向異性的單晶體，晶體取向不同，硬度及耐磨性也不相同。耐磨性極好，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達(dá)0.01μm。耐熱性為700-800℃，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，硬度喪失。價(jià)格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤(pán)等。

天然金剛石刀具第69頁(yè)/共93頁(yè)不存在各向異性，硬度略低于天然金剛石，為HV6500-8000價(jià)格便宜，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在大部分場(chǎng)合代替天然金剛石用CVD(化學(xué)氣相沉積)可將聚晶金剛石作成涂層金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因?yàn)榻饎偸械奶荚嘏c鐵元素有很強(qiáng)的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴(kuò)散，使金剛石刀具很快磨損聚晶金剛石刀具第70頁(yè)/共93頁(yè)較高的硬度和耐磨性：切削耐磨材料時(shí)，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500040003000200010000硬度/HV02004006008001000

溫度/℃BN100BN20陶瓷硬質(zhì)合金PCBN刀具高溫硬度聚晶立方氮化硼刀具第71頁(yè)/共93頁(yè)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(duì)各種材料粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小的多。化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料良好的導(dǎo)熱性:導(dǎo)熱性?xún)H次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/m·℃，是硬質(zhì)合金的20倍，陶瓷的37倍，且隨溫度升高而增加。刀尖處溫度低，刀具磨損少，加工精度高較低的摩擦系數(shù):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。切削變形和切削力小，加工表面質(zhì)量高聚晶立方氮化硼刀具第72頁(yè)/共93頁(yè)刀柄結(jié)構(gòu)刀柄結(jié)構(gòu)傳遞機(jī)床精度和切削力,是高速切削時(shí)的關(guān)鍵部件,須滿(mǎn)足下列要求：很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度很高的裝夾剛度高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)安全可靠第73頁(yè)/共93頁(yè)HSK刀柄與傳統(tǒng)刀柄結(jié)構(gòu)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第74頁(yè)/共93頁(yè)標(biāo)準(zhǔn)刀柄在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的不足高速主軸的前端由于離心力的作用會(huì)使主軸膨脹為保證高速下仍有可靠的接觸定位，需很大的過(guò)盈量來(lái)抵消主軸軸端的膨脹，這需拉桿產(chǎn)生很大的預(yù)緊拉力，也不利于換刀，還會(huì)使主軸膨脹，影響主軸前軸承第75頁(yè)/共93頁(yè)德國(guó)阿亨大學(xué)機(jī)床研究室專(zhuān)為高速機(jī)床主軸開(kāi)發(fā)的一種刀軸聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，已被DIN標(biāo)準(zhǔn)化HSK短錐刀柄錐度1∶10，比標(biāo)準(zhǔn)的7/24錐短錐柄部分采用薄壁結(jié)構(gòu)，錐度配合的過(guò)盈量較小，對(duì)刀柄和主軸端部關(guān)鍵尺寸的公差帶特別嚴(yán)格短錐有嚴(yán)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與主軸相應(yīng)結(jié)合面緊密接觸，聯(lián)結(jié)精度和剛度很高主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，盡管主軸端會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)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，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)聯(lián)結(jié)剛度影響小HSK刀柄第76頁(yè)/共93頁(yè)HSK刀柄第77頁(yè)/共93頁(yè)HSK圓錐空心柄重量減少約50％重復(fù)使用時(shí)裝夾和定位精度高剛度高，并可傳送大的轉(zhuǎn)矩裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而加大第78頁(yè)/共93頁(yè)與現(xiàn)在的主軸端面結(jié)構(gòu)和刀柄不兼容制造精度要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高(刀柄價(jià)格是普通標(biāo)準(zhǔn)7:24刀柄的1.5-2倍)錐度配合過(guò)盈量較小，極限轉(zhuǎn)速比KM結(jié)構(gòu)低HSK刀柄缺點(diǎn)第79頁(yè)/共93頁(yè)接裝刀具的模塊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提高裝夾精度和剛度需采用其他方法，目前常用的有收縮夾頭液壓膨脹夾頭力膨脹夾頭第80頁(yè)/共93頁(yè)收縮夾頭利用材料熱脹冷縮的原理，把刀具裝人刀柄時(shí)，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(jìn)行冷卻，刀具就被穩(wěn)當(dāng)?shù)貖A持在刀柄內(nèi)優(yōu)點(diǎn):精度高，剛性大缺點(diǎn):操作不便，每次裝夾須對(duì)刀柄進(jìn)行加熱和冷卻，易引起刀柄的熱疲勞和變形第81頁(yè)/共93頁(yè)使用流程⑤再加熱④冷卻?固定①常溫②加熱③裝卡插入刀具卡座的先端部分加熱。刀具柄比卡座內(nèi)徑大因熱膨脹系數(shù)不同，將刀具取出。冷卻，卡座的內(nèi)徑收縮。第82頁(yè)/共93頁(yè)☆適用于不同柄粗的立銑刀（φ3～φ32）☆規(guī)格化（BT、S