1、第第4 4讲讲 高速加工技术高速加工技术 本节要点本节要点高速加工的概念与特征高速加工的概念与特征高速加工的切削速度范围高速加工的切削速度范围高速加工的切削理论高速加工的切削理论高速切削加工的优点和应用高速切削加工的优点和应用高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术高速磨削加工高速磨削加工高速加工技术：高速加工技术：采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自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，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。加工质量的现代制造加工技术。超高速加工包括
2、超高速加工包括超高速切削超高速切削和和超高速磨削超高速磨削。超高速切削超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常规速度采用比常规速度采用比常规速度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。高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。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：以切削速度和进给速度界定：以切削速度和进给速度界定：以切削速度和进给速度界定：高速加工的高速加工的高速加工的高速加工的切削速度和进给速度切削速度和进给速度切削速度和进给速度切削速度和进给速度为普通切削
3、的为普通切削的为普通切削的为普通切削的5 51010倍。倍。倍。倍。以主轴转速界定：高速加工的以主轴转速界定：高速加工的以主轴转速界定：高速加工的以主轴转速界定：高速加工的主轴转速主轴转速主轴转速主轴转速 10000 r/min10000 r/min。高速加工的概念与特征高速加工的概念与特征 高速加工切削速度范围因不同的高速加工切削速度范围因不同的高速加工切削速度范围因不同的高速加工切削速度范围因不同的工件材料工件材料工件材料工件材料而异而异而异而异 车削(Turing)：700-7000 m/min 铣削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-11
4、00 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高速加工切削速度范围随高速加工切削速度范围随高速加工切削速度范围随加工方法加工方法加工方法加工方法不同也有所不同不同也有所不同不同也有所不同不同也有所不同 1.高速加工切削速度的范围高速加工切削速度的范围铝合金(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德
5、国切削物理学家德国切削物理学家Carl SalmonCarl Salmon 博士博士19291929年进行了超高速年进行了超高速模拟实验。模拟实验。2.切削理论的提出切削理论的提出切削适应区 图1 Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切 削 温 度/切削适应区非铁金属图图2 切削速度变化和切削温度的关系切削速度变化和切削温度的关系 在在在在1931 1931 年年年年4 4 月，根据实验曲线，提出著
6、名的月，根据实验曲线，提出著名的月，根据实验曲线，提出著名的月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线”和高速切削理论。和高速切削理论。和高速切削理论。和高速切削理论。切削力低切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；3.3.高速加工的特点高速加工的特点材料切除率高材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；图 3 加工零件高精度高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小；减少工序减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（One pass machining）。A为高速切削加
7、工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程 图图4 热传导对比图热传导对比图热变形小热变形小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走；图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：主轴功率：13 KW 进给速度：最高进给速度：最高40 m/min 定位精度：定位精度：0.008 mm 重复定位精度：重复定位精度：0.005mm高速加工技术的发展与应用高速加工技术的发展与应用图图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心系列高速五轴联动小型立式加工中心图图9 HSM400加工极
8、高表面光洁度的硬钢加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件、铝、铜、塑料工件图图7 HSM800图图8 HSM600高速切削加工应用高速切削加工应用（1）航空航天领域。）航空航天领域。大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。图10 波音公司的波音公司的F15F15战斗机的起动减速板战斗机的起动减速板铝合金整体零件：u 整体零件“掏空”，切除量大u 零件有薄壁，要求小 切削力u 小直径刀具u 较长的刀具悬伸图11 高速铣削典型工件（2 2）汽车制造。）汽车制造。）汽车制造。）汽车制造。专用机床专用机床5轴轴4工序工序=20轴（轴（3万件万件/月
9、月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）定不变）1234钻孔钻孔 表面倒棱表面倒棱 内侧倒棱内侧倒棱 铰孔铰孔表面和内侧倒棱表面和内侧倒棱高速钻孔高速钻孔高速加工中心高速加工中心1台台1轴轴1工序（工序（3万件万件/月）月）柔性（零件、孔数、孔径、柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）孔型可变）图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）（3 3）模具制造。）模具制造。）模具制造。）模具制造。图13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值与最终尺寸差值/mm加工时间加工时间 100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方
10、法高速切削高速切削少量手工精修少量手工精修b）高速模具加工的过程高速模具加工的过程图14 两种模具加工过程比较1硬化毛坯硬化毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4精铣精铣 5手工磨修手工磨修 a）传统模具加工的过程传统模具加工的过程1毛坯毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4热处理热处理 5电火花加工电火花加工6精铣精铣 7手工磨修手工磨修 电极制造生产剃须刀的石墨电极生产剃须刀的石墨电极生产球形柄用的铜电极生产球形柄用的铜电极 图图15 高速切削加工电火花加工用工具电极高速切削加工电火花加工用工具电极 （4）难加工材料领域。）难加工材料领域。硬金属材料（HRC5562），可代替磨削，精度可达IT
11、5IT6级，粗糙度可达0.21um。（5）超精密微细切削加工领域。）超精密微细切削加工领域。粗铣整体铝板；粗铣整体铝板；精铣去口；精铣去口；钻钻680个直径为个直径为3mm的小孔。的小孔。时间为时间为32min。图16 高速切削加工医用药盒高速切削加工医用药盒高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术 1.高速主轴 高速化指标：dm n值，至少达到1106 电主轴：电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气体静压轴承、液体静压轴承。陶瓷球轴承图1
12、7 陶瓷轴承高速主轴密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口q 陶瓷轴承高速主轴结构前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图18 磁浮轴承高速主轴q 磁浮轴承主轴结构磁浮轴承主轴结构放大器电磁铁（定子）传感器转子 图19 磁悬浮轴承工作原理控制器 2.2.快速进给系统快速进给系统伺服电动机伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副；大导程高速精密滚珠丝杠副；直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。线电动机的进给系统。3 3 基座基座 4 4 磁性轨
13、道磁性轨道 5 5 直线电机直线电机 6 6 直线导轨直线导轨7 7 直线光栅直线光栅 8 8 平台平台 9 9 接口电缆接口电缆 10 10 防护罩防护罩 图图20 20 结构图结构图 3.3.高性能的高性能的CNC控制系统控制系统图图21 六杆机床（六杆机床（并联机床结构）并联机床结构）4.4.先进的机床结构先进的机床结构图22 德国HSK型刀柄及其联接结构5.高速切削的刀具系统高速切削的刀具系统工件材料工件材料最佳前角数值最佳前角数值最佳后角数值最佳后角数值铝合金铝合金12151315铜材铜材051216铸铁铸铁012铜合金铜合金816纤维强化复合材料纤维强化复合材料2015 20 刀具
14、角度选择：刀具角度选择：表表1 超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值磨削(Grinding):借助于砂轮表面大量磨粒作切削刃去除材料的一种方法。磨削速度（Grinding speed）:指砂轮表面磨粒在工件材料上进行刻划切削的运动速度，通常就是砂轮周边的回转线速度，单位m/s。高速磨削(High-speed grinding)：磨削速度在100 m/s以上。超高速磨削(Super high-speed grinding):150 m/s以上即常规速度五倍以上的高速磨削。高速磨削加工高速磨削加工1.高速主轴 高速磨削关键技术高速磨削关键技术图23 高速主轴动平衡系统1-信号传送单元 2-紧固发兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴 2.高速磨床结构 图24 直线电机驱动高速平面磨床3.高速磨削砂轮1）要求：砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的磨削力，必须考虑高速离心力作用；砂轮磨粒突出高度要大，以便能容纳大量的长切屑。结合剂具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损；高度磨削时要安全可靠。2）材料：CBN、PCD。3）结合剂：多孔陶瓷和电镀镍。4）结构4、冷却润滑液及其供液过滤系统5、主轴轴承图25 高速砂轮典型结构
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