高速加工技术讲座.ppt

工程技术讲座,高速加工技术High Speed Machining Technology,封面,1,哈尔滨工业大学(威海)贾宝贤,教材及参考书：,高速切削加工技术,作者：艾兴 主编 出版：国防工业出版社,教材：,参考书:,高速加工理论与应用,作者：（德）舒尔茨，（德）阿贝勒，何宁出版：科学出版社,高速切削与五轴联动加工技术,作者：褚辉生出版社：机械工业出版社,一、高速切削技术的概念与特征,二、高速切削技术的特点及应用,三、高速切削的关键技术,四、高速切削机理,五、高速切削技术的现状以及发展趋势,概要,概要目录,3,高速加工技术：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，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。高速切削（High-speed Cutting）：采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。,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800010000 r/min。,高速加工的概念与特征,4,20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并获得专利，简称HSM。,萨洛蒙,5,萨洛蒙曲线,1931年C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”,6,曲线-萨洛蒙,7,结论,萨洛蒙结论,在切削速度达到一个临界值之后的一个范围内，切削速度增加，则切削温度下降。,8,高速加工发展,1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达15004500m/min）德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益,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,日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已成为世界上超高速机床的主要提供者,9,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异,车削(Turing)：700-7000 m/min 铣削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：50-300 m/s 镗削（Boring）：35-75m/min,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min铜(Cu)：900-5000 m/min钢(Steel)：500-2000 m/min灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min钛(Ti)：100-1000m/min,高速加工切削速度的范围,10,11,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1）,不同材料,由于刀具、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。ISO1940规定主轴转速大于8000r/min的加工形式为高速切削。现阶段一般把主轴转速在10000r/min以上的加工形式视为高速切削。,主轴转速-高速,12,事实上，HSM不是简单意义上的高切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。,3.HSM意义,13,一、高速切削技术的概念与特征,二、高速切削技术的特点及应用,三、高速切削关键技术,四、高速切削机理,五、高速切削技术的现状以及发展趋势,概要,概要目录,14,15,切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。工件受力变形小，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，可提高加工精度 动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工 环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染,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,1.高速加工特点,高效率,高质量,低消耗,高精度,3高1低,16,效率高！,17,主轴转速高，进给速度快，单位时间内的材料去除量反而增加了。因此，加工效率也相应提高了。,高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于,去除率增加,18,机床主轴转速高 当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万转，更高的可达到6、7万转以上。进给速度快 通常快速空行程4060米/分,更快的可达80100米/分,以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。,瑞士机床为例,19,精度高！,20,对于同样的切削层参数，由于高速带来突变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工。,切削层-受力,21,质量高！,22,一方面，高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率远远高于切削工艺系统的高阶固有频率。,另一方面，由于传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小。加工表面质量显著提高。,两方面,23,低消耗！,24,高速加工机床振动小、噪声低、少用或不用切削液，也符合环保要求。,高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而机床的主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。,低能耗原理,25,速切削用在,26,27,2.高速加工应用,铝、铜合金的高速切削加工,铝、铜合金的强度和硬度相对较低，导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获得好的加工表面质量。切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合金、金刚石镀层硬质合金以及PCD等。,不同材料的高速加工,28,2.高速加工应用,表2 PCD刀具切削铝、铜合金实例,PCD刀具切削铝、铜合金实例,29,2.高速加工应用,铸铁与钢高速切削加工,不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。,铸铁与钢高速切削加工,30,难加工材料的高速切削加工,钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等，采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果,软材料的高速切削加工,如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的,难加工材料的高速切削加工,图,31,32,航空航天,大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000 m/min,航空航天,（超）高速切削应用于航空航天工业的大型柔性件加工，提高工效10倍。,对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生 产效率和产品质量，降低制造成本,例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。,33,航空航天,图4 高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）（米克朗公司）,图5 增压器叶轮实物,航空航天,34,2.高速加工应用,图6 高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）,薄壁样件,汽车制造业,汽车发动机及其配件的高速切削加工,汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工,汽车制造业,高速加工中心组成柔性生产线(FTL),例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min；,35,36,汽车工业,采用高速NC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,汽车工业,汽车车门外覆盖件模具的高速加工,高速加工与传统数控加工的时间比较：传统加工：50H.，钳工修复：90H.，总计；140H.HSM：16.5H.，手工修复：15H.，总计：31.5H.,模具尺寸：1400 x1200 x600mm模具重量：2500kg毛坯材料：GGG30(相当于HT300)材料硬度：HB240,汽车车门外覆盖件模具,37,模具加工业,模具加工业,淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工质量和效率，可取代电火花加工,EDM电极加工，提高电火花加工质量和效率，减少后续加工工序,快速样件制造，比快速原型制造技术效率高、质量好,应用于精密模具的加工，可实现淬火钢模具加工“一次过”，直接达到级精度及接近镜面的表面质量。,38,39,模具制造,采用高速铣削代替传统电火花成形加工，效率提高3-5倍,模具制造,1毛坯 2粗铣 3半精铣 4热处理5电火花加工6精铣 7手工磨修,电极制造,传统模具加工的过程,两种模具加工过程比较,照相机,按纽,勺子,反射镜,高速加工塑料模具,40,连杆,钳子,高速加工锻造模具,41,加工场景,模具材料从铸铁到铸钢、铸铝和合金铸钢，塑料的轮胎型芯,用传统方法(手工)需十几道工序,时间20 d 以上采用超高速铣削,转速18000 rpm,ap=2mm,vf=10m/min,时间24h,高速加工橡胶轮胎模,42,压铸模,吸塑模,高速加工其他模具,43,高速加工的应用电极加工,石墨电极,薄壁铜电极,高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成,高速加工与电火花加工的比较,高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有企业都能承受高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工艺，特别是对模具工业而言,大规模设备更新的时代即将到来,高速加工与电火花加工的比较,47,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。,仪器仪表,精密光学零件高速加工,仪器仪表,48,干切系指不使用冷却液的切削技术 准干切则指使用最少量冷却液的切削技术 目前准干切多指“最小量润滑技术”（Minimal Quantity LubricationMQL），此法将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，进行有效润滑，可大大减小刀具工件及刀具切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、避免粘接、提高加工表面质量的作用 准干切因使用润滑液量很小（一般为0.030.2L/h，仅为湿切冷却液用量的几万分之一），不会产生污染,基本概念,干切削与准干切削,一、高速切削技术的概念与特征,二、高速切削技术的特点及应用,三、高速切削的关键技术,四、高速切削机理,五、高速切削技术的现状以及发展趋势,概要,概要目录,49,高速切削加工系统,50,51,关键技术-拓扑图,一）高速切削的装备条件,52,材料？结构？参数？磨损？,主轴？轴承？进给系统？驱动系统？实时监控系统？,装备,53,54,1.高速加工机床技术,高速加工中心列表,55,Modern 2412立式加工中心（美国）,1.高速加工机床技术,图片Modern 2412,56,DMU60T5轴高速加工中心（德国）,1.高速加工机床技术,图片德国,57,东芝高速立式加工中心（日本）,1.高速加工机床技术,图片日本,噪音小启停性能良好,足够的刚性和回转精度,先进的润滑冷却系统可靠的主轴检测系统,大功率,结构紧凑总质量小,热稳定性良好,主轴系统,高速切削对主轴系统的要求：,(1)主轴系统,58,为了提高机床的主轴静态和动态精度，必须减少各主轴部件的制造误差及装备误差，更重要的是，应尽可能减少主轴系统中的误差源，尽可能缩短主轴传动链的长度。借助电气传动技术，主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式“电主轴”应运而生。由于主要采用交流高频电动机，故又称“高频主轴”。,电主轴来因,59,电动机定子通过冷却套固装在电主轴壳体中，其转子就是机床的主轴，电主轴箱体就是电动机座。,主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有出盘和测速、测角传感器，主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定加工中心可换刀柄。,电主轴工作原理：,60,高速主轴电动机的冷却系统结构示意图：,61,在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。国际上著名的电主轴生产厂家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-UP公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的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。中国：洛阳轴承研究所、广州机床研究所。,电主轴公司,62,一些常见的电主轴,63,适合小孔钻削,电主轴单元,陶瓷轴承,磁悬浮轴承,(2)高速主轴常用轴承,64,陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（440、440C）及不锈钢。,陶瓷轴承,65,66,陶瓷轴承高速主轴,4.高速机床技术,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,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。,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力 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,陶瓷轴承电主轴,磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染。,磁悬浮轴承,67,磁悬浮轴承电主轴,68,69,电磁铁绕组通过电流，对转子产生吸力，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图19）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，并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，经功率放大器变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。,磁浮轴承高速主轴,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）。,磁浮轴承高速主轴,70,磁浮轴承主轴结构,磁浮轴承主轴结构,71,磁浮轴承主轴特点,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,72,自检测磁浮轴承系统,为检测转子位移，需使用位移传感器，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21）。,自检测磁浮轴承系统,73,4.高速加工机床技术,从电磁铁中提取PWM载波电压中包含转子位移信息，经全波整流后，由低通滤波器变为转子低频位移信号,PID将此信号转变为控制信号，经功放后控制电磁铁，形成闭环控制,自检测磁浮轴承系统控制原理,74,液体（气体）静压轴承,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；转速特征值：液体静压轴承转速特征值可达1106，空气静压轴承转速特征值可达3106。空气静压轴承承载能力较小。,静压轴承,瑞士IBGA公司的水介质静压电主轴,高速电主轴静压轴系,75,内装式双半球空气轴承高速电主轴,76,比较精密高速电主轴的特点,77,高速电主轴的发展趋势,1.向高速大功率和低速大转矩方向发展2.向高精度、高刚度方向发展3.向精确定向（准停）方向发展4.向快速起、停方向发展5.向超高速方向发展6.向标准化方向发展,78,(3)高速进给系统,79,80,要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等等。,对高速机床进给驱动系统的要求,对高速进给驱动系统的要求,传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛，但其在高速场合下具有下列缺点：,系统刚度低，动态特性差。高速下热变形严重。噪声大，寿命低，不易检验维修。,传统滚珠丝杠副缺点,1)滚珠丝杠,81,滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。,滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，长采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。,滚珠丝杠螺母副结构,82,提高系统刚度。丝杠采用中空结构，并进行预拉伸处理；底稿丝杠的支撑刚度；优化滚珠滚道接触状态；提高系统的接触刚度。增大丝杠螺母的导程和螺纹头数，提高运动精度。强制冷却，减小热变形。可将循环冷却液通入其内部。采用新型螺母结构。例如减小滚珠直径，钢珠中空。采用新材料制造滚珠。例如陶瓷。对螺母预紧力进行控制。可以使用压电陶瓷。采用螺母旋转丝杠不动的运动方案。采用双电动机驱动结构。使其分别驱动丝杠和螺母。,针对滚珠丝杠副传动的优化措施：,83,高速滚珠丝杠螺母副制造困难，成本较高。速度和加速度的提高有较大限制。进给行程有限（42m）。全闭环时系统稳定性较差。,与传统的滚珠丝杠副结构相比，直线电动机高速进给系统有诸多优点。,滚珠丝杠副传动仍然存在问题：,84,直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置，是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。它代替了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统 其最大的特点是从电动机到工作台之间的一切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使工作台的加/减速提高到传统机床的1020倍，速度提高34倍。,2)直线伺服电动机,85,定子,初级,转子,次级,旋转磁场,平磁场,直线伺服电动机工作原理：,86,直线伺服电动机分为短初级和短次级两种形式,87,直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。,通电绕组,初级,永磁铁,次级,同步式,88,感应式与同步式最大的区别是在定件上用不同点的绕组取代同步式的永磁铁，且每个绕组中的每一匝都是短路的。通电后在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力推动工作台做直线运动。,感应式,89,位置测量系统,机床滑台,初级线圈,次级线圈,导轨,加速度大。直线电机的启动推力大，结构简单重量轻，运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可高达（210）g。滚珠丝杠工作台从静止到25m/min，需时0.5s，而直线电动机驱动工作台从静止到75m/min，只需0.05s。,速度高。直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动，其最大进给速度以达到150m180m/min。,直线电机优点,90,定位精度高。直线电机进给系统常用光栅尺作为工作台的位置测量元件，并且采用闭环控制，通过反馈，对工作台的位移精度进行精确的控制，因而刚度高，定位精度高达0.10.01微米。行程不受限制。直线电机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级（工作台）就可运动到哪里，对整个系统的刚度不会有任何影响。例如，最近美国Cincinnati Milacron公司为航空工业生产了一台大型高速加工中心，主轴转速60,000 r/min，主电机功率80Kw。直线电机，X轴行程长达46 m，工作台最高进给速度60 m/min，快速行程100 m/min，加速度2 g。,直线电机优点,91,直线电机缺点,92,1、控制系统相对复杂。在直接驱动下，所有干扰（如外界载荷的变化、摩擦力等）不经任何缓冲就直接反作用到于控制器，给控制系统的稳定性带来影响，增加了控制难度。2、永磁直线电机的动子和定子存在很强的磁吸引力，装配难度大。3、端部效应（End effect）是直线电机特有的现象，主要由电枢的有限长度引起；它不像旋转电机那样形成环形闭合结构，直线电机的两个端部是“断开的”，导致端部磁路发生衰减和畸变，引起推力波动。4、由于直线电机结构的特殊性，要有隔磁、防水、防尘、缓冲防撞等保护措施。作为垂直驱动轴使用时，在突然断电或出现故障的情况下，要有紧急刹车措施，防止动子掉下发生事故，比如采用导轨锁紧装置，反向电流加载保护等措施。,93,3)多腿机床,电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，有两种驱动和控制方式：,（1）普通变频器标量驱动控制 以IBAG公司的HFK90S型电主轴用的普通变频器为例说明。这类驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。,优点：价格便宜。缺点：起速时输出功率不稳定，不能满足低速大转矩要求，也不具备主轴的准停和C轴控制功能。应用：高速工作范围电主轴，如磨削、销孔钻削等。,(4)电主轴的电动机,94,（2）矢量控制驱动器驱动控制 以IBAG公司的HFK250电主轴的矢量控制驱动器为例说明。其特性为低速端恒转矩驱动以及中、高速端的恒功率驱动。,这种驱动方式又有开环和闭环控制两种。在闭环工作方式下可通过主轴上的位置传感器来实现位置和速度反馈，并实现主轴准停和C轴控制功能。,矢量控制,95,96,高速机床CNC系统高的进给速率要求CNC系统有很高的内部数据处理速率，而且还应有较大的程序存储量。高速机床床身、立柱和工作台在降低运动部件惯量的同时，保持基础支承部件高的静刚度、动刚度和热刚度。高速机床切屑处理和冷却系统通常采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作。高速机床安全装置要有足够大的密封工作空间，刀具破损时的安全防护，灵活的控制系统。,(4)高速机床其他系统,97,五轴高速加工中心,强制冷却风管,图片,2.高速切削刀具？,98,高硬度，高强度，高耐磨性。高韧度，高抗冲击性。高热硬性，高化学稳定性。高抗热冲击性。,对高速切削刀具的要求：,99,高速切削常用刀具种类：,100,101,(1)高速加工刀具材料,102,刀具材料性能与用途对比,103,刀具材料的耐磨性与断裂韧性,陶瓷,立方氮化硼,金刚石,超硬材料,三种刀具,104,105,金刚石与CBN晶体结构相似，每一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。,原子结构,优点：刃锋利，能切下极薄切屑，冷硬现象少，摩擦系数低，无积屑瘤。,缺点：热稳定性差，强度低，脆性大，对振动敏感，只适用于微量切削。,1)金刚石刀具,106,天然金刚石价格昂贵，使用较少。人造金刚石是通过合金触媒作用，在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的金刚石。,天然单晶金刚石刀具,整体人造聚晶金刚石刀具,金刚石复合刀片,金刚石刀具有三种：,107,108,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。,天然金刚石,109,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。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。,聚晶金刚石,110,聚晶金刚石应用实例,聚晶金刚石应用实例,金刚石与铁有极强的化学亲和力，故不适用于黑色金属加工。,金刚石刀具仅适用于微量切削条件。,金刚石热稳定性低，切削温度超过700至800摄氏度时，会完全失去其硬度。,使用金刚石刀具时应注意：,111,特点：热稳定性好，化学惰性大，摩擦系数低。,应用：淬硬钢、高温合金、冷硬铸铁。,成分：锡、铅、锑以及他们的氮化物。,2)氮化硼刀具(CBN),112,立方氮化硼复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的立方氮化硼。,整体聚晶立方氮化硼刀具,立方氮化硼复合刀片,立方氮化硼刀具有两种：,113,114,聚晶立方氮化硼（PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride）,较高硬度和耐磨性：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,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图13）,聚晶立方氮化硼,115,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。,PCBN切削性能,116,加工HRC45以上的硬质材料：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 切削淬硬钢，当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图15），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,PCBN刀具应用,117,PCBN刀具应用实例,PCBN刀具应用实例,优点：化学性好，耐氧化，不易粘结，加工表面粗糙度小。,缺点：强度低、韧性差。,3)陶瓷刀具,118,前者最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧度差。80年代进入刀具市场的氮化硅陶瓷相比具有高的强度和韧性，在加工铸铁及镍基合金时取得良好效果，其代表牌号是Sialon。,AlO基陶瓷,氮化硅陶瓷,陶瓷刀具有两种：,119,涂层刀具,120,CVD指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。PVD指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。,化学气象沉积法（CVD）-硬质合金,物理气象沉积法（PVD）-高速钢,涂层刀具有两种：,121,TiC 硬度高，抗磨损性好。,TiN 与金属亲和力小，湿润性好。,AlO 高温下热稳定性良好。,常用涂层材料：,122,各种刀具适应的工件材料,123,124,典型高速回转刀具可分为整体式和机夹式两类，小直径铣刀一般采用整体制造，大直径刀具常用机夹式。高转速的切削对刀具直径公差和刀具动平衡要求很高，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时直接装夹即可；而机夹式更换刀片或者刀片换位后需要进行动平衡才能继续使用，所以高速切削更常用整体式刀具。高速回转刀具结构设计应力求简单，确保安全，刀齿尽量采用短切削刃、经过优化设计的几何角度，并有良好的断屑能力。,(2)高速回转刀具结构,125,整体式铣刀,机夹式铣刀,铣刀图片,126,(3)高速加工刀具刀柄,传统的锥形夹头具有灵活性好等优点，适用于不同的刀具直径。但它可传递的转矩有限，而且装夹精度很低。,127,传统镗铣加工通常使用7:24锥柄接口。这种接口主轴端面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和连接刚度下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速换刀和机床的小型化。目前高速加工多采用HSK（德国阿亨大学机床研究所开发）接口标准。HSK是专门为高转速机床开发的新型刀机接口，并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等 6 种形式。HSK是一种小锥度（1:10）的空心短锥柄，使用时端面和锥面同时接触（过定位），从而形成高的接触刚性。,(3)高速加工刀具刀柄,128,刀柄结构图,129,几种常用HSK刀柄图,锥形夹头,收缩夹头,液压膨胀夹头,力膨胀夹头,刀具与刀柄的连接：,130,利用材料热膨胀收缩的原理，把刀具装入刀柄时先用辅助系统将刀柄孔加热膨胀，插入刀具后使之冷却。,优点：精度高、刚性大。缺点：操作不便，易引起刀柄热疲劳变形。,收缩夹头,131,使用流程,再加热,冷却固定,常温,加热,装卡,插入刀具,卡座的先端部分加热。,刀具柄比卡座内径大,因热膨胀系数不同，将刀具取出。,冷却，卡座的内径收缩。,适用于不同柄粗的立铣刀（332）规格化（BT、SK、HSK、UTS）,重型,细长型,收缩夹头,在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后用螺栓推动油腔顶部的的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。,优点：精度高，刚性大，操作方便。缺点：对刀具尺寸要求严，过松时可能达不到应有的夹持力。,液压膨胀夹头,134,力膨胀夹头，刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性恢复，刀具就被加持在孔内。,优点：精度高，操作简单，结构紧凑，造价低。缺点：需要一个辅助的加力装置。,力膨胀夹头,135,HSK和BT刀柄的结构特点,137,图17 HSK刀柄与BT刀柄加工效果的比较,加工效果的比较图,138,转角处理 刀具轨迹间的圆滑连接 顺直切削路径 轨迹排布优化 尖角处提前减速,平缓切入切出，路径间的平滑连接 确保切削负载、金属去除率恒定，精加工余量均匀 减少刀具换向、跳转 安全性（无过载、无干涉）,三）高速加工路径规划,Z平面切削（等高线）,螺旋进给提高表面光洁度,螺旋进给加工孔,小直径铣刀螺旋进给加工槽,螺旋进给加工平面,内圆角均匀过渡,高速进给路径,139,140,转角处理,由于机床数控系统响应特性、机床硬件动态特性及传动系统间隙等诸多因素影响，刀具高速运动到转角处可能发生前冲和振颤，越过工件实际轮廓，导致轨迹畸变。,转角处理,141,对策：,工件外轮廓转角处刀具运动路径采用圆滑过渡（图23）,修改产品模型，直线转角轮廓改为圆角过渡 采用小直径铣刀（图24）,对策：,142,图25 轨迹顺直微调（赛车线加工）与回转（摆线）加工,轨迹顺直微调与回转加工（避免尖角处载荷突变）,轨迹顺直微调,143,刀具轨迹圆滑连接,直线移刀改为圆弧曲线移刀,采用回转环切路径,刀具轨迹圆滑连接,144,在不同的 Z 向高度上连接移刀,图28 在不同的 Z 向高度上连接移刀,在不同的 Z 向高度上连接移刀,145,刀具轨迹合理排布,刀具轨迹合理排布,146,平行行切,Z向等高,组合优化,图30 铝合金凸形旋钮路径规划,铝合金凸形旋钮路径,147,切入与切出,点钻式切入（类似于钻孔的固定循环）斜线及之字形切入 水平轮廓切向切入切出 曲面切向切入切出（图31）,图31 曲面切向的切入与切出,图32 刀具螺旋切入工件,螺旋式切入（图32）,切入与切出,148,转角处提前减速,图33 CATIA加工转角减速参数设定界面,转角处提前减速,一、高速切削技术的概念与特征,二、高速切削技术的特点及应用,三、高速切削的关键技术,四、高速切削机理,五、高速切削技术的现状以及发展趋势,概要,概要目录,149,高速切削机理,高速切削机理,切削力；切削热。,150,1.切削力,在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低；,高速切削力下降的解释：,1）剪切断裂：发生在加工过程中不稳定的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化。,延展材料随着塑性变形而发生应变硬化,151,不稳定性的解释,2）不稳定性的解释：当变形缓慢时，上述过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加。这是传统速度切削时切削力的情况。然而如果切削速度足够快，使应变来不及发生，变形就只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度的切削力。此即高速切削时切削力下降的原因。,152,突变滑移和绝热剪切,3）突变滑移和绝热剪切：在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散。这个不稳定过程导致突变条件产生，称为突变滑移。随着切削温度的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的滑移区。因为特定滑移区的软化，发生附加滑移，最终得到完全剪切。,153,高速切削力下降原因,4）高速切削力下降原因：,5）其他原因：,切削速度高，切屑流出的速度加快，改善了切屑与刀具前面之间的摩擦，切屑流出阻力减小，剪切区变形减小，从而使切削力减小。,高速切削比普通切削快得多，发生突变滑移和绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而高速切削力下降。,154,2.切削热,高速切削功的消耗：,1）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需能量2）剪切区的剪切变形功3）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功4）切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功,155,切屑成形模型,切削热的产生,切削角的变化和减少切削热,切削模型,156,产生的热：,形成新生表面消耗的功：成为工件和切屑所增加的内能 剪切变形功和动量改变消耗的功：大部分变为基本变形区的热量，小部分形成新生表面的内能 前后刀面的摩擦功产生的热：变为第二