先进制造工艺+高速超高速切削技术
先进制造工艺技术高速切削
进给速度
合理设置进给速度，以保 证加工表面质量和刀具寿 命。
切削深度
根据刀具和工件材料特性， 选择合适的切削深度，以 获得良好的加工效果。
加工过程的监控与检测
01
切削力监测
通过实时监测切削力变化，可以 判断刀具磨损情况和调整切削参 数。
02
加工表面质量检测
03
刀具磨损监测
采用表面粗糙度仪、光学显微镜 等方法检测加工表面质量，以确 保加工精度和降低不良率。
高速切削适用于多种材料加工 ，包括钢、铸铁、有色金属等
，扩大了加工范围。
高速切削对机床的要求
高转速主轴
高进给系统
为了实现高速旋转的刀具，机床需要配备 高转速的主轴，通常转速范围在每分钟数 千转到数万转之间。
为了实现高速进给的切削方式，机床需要 配备高进给的传动系统和控制系统，确保 切削过程的稳定性和准确性。
刀具涂层
涂层技术能够提高刀具表面的硬度 和耐磨性，降低摩擦系数，从而提 高切削速度和加工效率。
刀具结构
采用合理的刀具结构和几何参数， 如刀尖圆弧半径、切削刃倾角等， 能够改善切削效果，减少刀具磨损。
切削液技术
切削液种类
选择合适的切削液对于降低切削 温度、减少刀具磨损和提高加工 表面质量至关重要。常用的切削 液有油基、水基和半合成切削液
集成电路芯片。
高速切削技术能够实现高精度、 高效率的加工，满足电子信息产 业对产品精度和一致性的高要求。
高速切削技术的应用还有助于提 高电子信息产品的性能和可靠性，
降低生产成本。
05 高速切削技术的发展前景 与挑战
高速切削技术的发展前景
高效加工
高速切削技术能够显著提高加工效率，缩短产品 制造周期，降低生产成本。
高速切削加工技术
基本结构
进给机构 CNC控制 冷却系统
高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关 技术要求较高，使其应用受到限制。
与高速加工密切相关的技术主要有：
○ 高速加工刀具与磨具制造技术； ○ 高速主轴单元制造技术； ○ 高速进给单元制造技术； ○ 高速加工在线检测与控制技术； ○ 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技
术、安全防护技术等。
此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具 有重要意义。
高速切削 加工的关 键技术
高速主轴系统
高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主 轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转 速高达100000-150000rpm的加工中心。高速主轴由于转速 极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩 擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必 须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1) 要求结 构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停 性能；(2) 足够的刚性和高的回转精度；(3) 良好的热稳定性； (4) 大功率；(5) 先进的润滑和冷却系统；(6) 可靠的主轴监测 系统。
• 高速切削已成为当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发 达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。
第 一 章 节 • 人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。
高速切削的特点
随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减 少，切削效率提高3～5倍。加工成本可降低20％-40％。
高速切削加工在国内的研究与应用
高速切削加工在国内的研究与 应用
20世纪90年代后，我们先后相继研究了模具高速切削加工技术与策 略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、 刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。
高速加工与超高速加工
轴承润滑：油脂润滑、油雾 润滑、油气润滑等。
1.2 超高速切削加工关键技术
2．超高速切削的主轴系统
主轴轴承： 气浮轴承--高回转精度、高转速、低温升，承载能力低。
1.2 超高速切削加工关键技术
2．超高速切削的主轴系统
主轴轴承： 液体静压轴承--运动精度高，动态刚度大，有油升影响。
1.3 超高速磨削技术
超高速磨削砂轮 砂轮基体--必须考虑高速离心力作用； 砂轮磨粒--立方氮化硼、金刚石。
高速砂轮典型结构 变截面等力矩腹板结构，无中心法兰孔， 通过多个小螺孔与主轴安装固定，以降低法兰孔应力。
1.3 超高速磨削技术
超高速磨床结构 具有高动态精度、
高阻尼、高抗振性和 热稳定性。
时，刀具的主要失效形式为刀尖破损，设计时应 着重考虑提高刀尖的抗冲击强度。 超高速铣削刀具材料：有整体硬质合金、涂层硬 质合金、陶瓷、硬质合金和立方氮化硼等。
思考与练习
1. 在怎样的速度范围下加工属于高速加工？分析 高速切削加工所要解决的关键技术。 2. 超高速切削包含哪些相关技术？ 3. 简述超高速磨削特点及关键技术。 4. 简述超高速铣削特点及关键技术。
1. 高速与超高速加工技术
1.1 高速与超高速切削技术概述 1.2 超高速切削加工关键技术 1.3 超高速磨削技术 1.4 超高速铣削技术
1.1 高速与超高速切削技术概述
“高速加工”的起源
Salomon切削理论： 工件材料均有一个
临界切削速度，在该速 度下有最高切削温度。
为什么要进行高速加工？
萨洛蒙曲线
常用结构有龙门式、并联式机床结构。
1.2 超高速切削加工关键技术
先进制造技术名词解释
先进制造技术名词解释：1、快速原型制造技术：采用离散、堆积成型的原理，由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。
6、超高速加工技术：是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备。
以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。
7、超高速切削理论（萨洛蒙曲线）：在常规切削速度范围内（A）切削温度随切削速度增加而提高，但是，当切削速度增大至某一数值Ve后，切削速度再增加切削温度反而降低, Ve值与工件材料有关，对每种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，切削温度太高，任何刀具无法承受，称为“死谷”。
如果能够超过这个“死谷”而在超高速区进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成功地提高机床的生产率。
超精密加工：指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。
包括微细加工和超微细加工、精整和光整加工。
8、精密加工技术：加工精度在10-0.1um，表面粗糙度值0.3-0.03 um的加工技术。
9、超精密加工技术：指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。
包括微细加工和超微细加工、精整和光整加工。
11、虚拟轴机床：基座与主轴平台间由六根杆并联地连接，六根杆同时相互耦合地作伸缩运动来确定平台的运动，由六根杆分担受力，且只承受拉力或压力。
具有刚度高，移动部件质量小，结构简单以及相同零件多的优点。
13、插补原理：CNC系统依据输入的基本数据，将工件轮廓形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给指令。
14、数控技术：指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。
16、ERP(企业资源计划)：将客户需求和企业内部制造活动以及供应商的制造资源整合在一起，体现完全按需求制造的思想。
超高速加工技术
（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
专用机床 5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔型固 定不变）
高速加工中心 1台1轴1工序（3万件/月）
柔性（零件、孔数、孔径、 孔型可变）
图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
（3）模具制造。
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
生产剃须刀的石墨电极
生产球形柄用的铜电极
图15 高速切削加工电火花加工用工具电极
（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可 代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。
（5）超精密微细切削加工领域。
粗铣整体铝板； •精铣去口； •钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。
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。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm
主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min
定位精度：0.008 mm
重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图9 HSM400
• Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公 认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍 合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。
近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域 (如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、 陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应 的研究成果。
先进制造工艺--高速切削技术
第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。
高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。
例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面多且结构复杂，材料去除量达高达90％～95％，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。
高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。
60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。
高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。
为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。
但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。
高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。
汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。
新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。
所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。
图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。
先进制造技术在车工中的研究进展和应用简介
先进制造技术在车工中的研究进展和应用简介先进制造技术在车工领域的研究和应用已经取得了显著的进展。
下面是关于这方面的简要介绍：1.数控车床：数控车床是一种自动化加工设备，通过预先编程的指令控制刀具在工件上进行切削。
它具有高精度、高效率和灵活性的优势，可以用于制造复杂形状的零部件。
随着计算机技术的不断发展，数控车床在车工领域的应用越来越广泛。
2.高速切削技术：高速切削是指在高速旋转状态下进行切削的工艺。
它利用高速切削刀具和先进的冷却系统，能够在更短的时间内完成加工任务，提高生产效率。
高速切削技术还可以减少加工过程中的振动和切削力，从而改善加工表面的质量。
3.超硬刀具材料：超硬刀具材料，如立方氮化硼（CBN）和金刚石，具有极高的硬度和耐磨性。
这些材料在车工中被广泛应用于加工难加工材料，如高温合金和硬质合金。
超硬刀具能够提供更长的刀具寿命和更高的加工精度，同时减少停机时间和更换刀具的频率。
4.刀具磨削技术：刀具磨削技术是制造和修复刀具的关键工艺之一。
先进的磨削技术可以实现高精度、高效率的刀具制造和修复，进而提高整体的生产效率。
近年来，一些新型的磨削方法和磨削设备得到了广泛应用，如超声波磨削、电火花磨削和磁力磨削等。
5.智能化与自动化：随着人工智能和机器人技术的快速发展，智能化和自动化在车工领域得到了广泛应用。
智能车床和机器人系统能够通过传感器和控制系统实现自动化加工过程的监测和调整，提高生产效率和加工精度。
此外，数据分析和预测算法的应用也使得生产计1/ 2划和资源调度更加智能化。
综上所述，先进制造技术在车工领域的研究和应用涉及数控车床、高速切削技术、超硬刀具材料、刀具磨削技术以及智能化与自动化等方面。
这些技术的应用不仅提高了加工效率和精度，还为制造业带来了更大的发展潜力。
2/ 2。
先进制造技术 第2章 高速切削技术2-1
萨洛蒙在l924一1931年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m／min， 在各种进给速度下，使用了多达20齿的螺旋铣刀。l931年 申请了“超极限速度”专利，随后卖给了“Krupp钢与工 具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。
刀具磨损曲线
三、高速切削切屑形成
高速切削试验表明，工件材料及 性能对切屑形态 有决定性影响。
低硬度和高热物理性能的工件材料（铝合金、低碳钢、未 淬硬钢等）易形成连续带状切屑。 高硬度和低热物理性能的工件材料（钛合金钢、未淬硬钢 等）易形成锯齿状切屑。
切削速度对切屑形态有重要影响。对钛合金，在 （1.5~4800)m/min的切削速度范围内形成锯齿状 切屑，随切削速度的增加，锯齿程度（锯齿的齿 距）在增加，直至成为分离的单元切屑。
不同切削速度下车削45钢件的切削形态。
一方面，切削速度增加，应变速度加大，导致脆 性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削 速度增加，切屑温度增加，导致脆性降低，不易 形成锯齿状切屑；
绝热剪切理论（Adiabatic Shear Theory) 周期脆性断裂理论（Periodic brittle fracture theoty）
萨洛蒙（Salomon）曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃
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2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
注塑模具
模具业：高速切削淬硬钢模具型腔，省去电加工和手工 研磨等工序。
2.2 高速加工技术的优势和应用
石墨电极
薄壁铜电极 模具业：电极加工
2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
汽车工业：采用高速数控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。
第二节
高速加工
2.1 高速加工技术概述 2.2高速加工技术的优势和应用 2.3高速加工的关键技术 2.4高速磨削
2.1 高速加工技术概述
1、超高速加工的定义 超高速加工技术是指采用超硬刀具和磨 具，利用能可靠实现高速运动的高精度、高 自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速 度来达到提高材料去除率、加工精度和加工 质量的先进加工技术。
第2章 先进制造工艺
第一节
概述
1.1先进制造工艺技术的定义
◆定义:先进制造工艺就是机械工厂普遍能够采用，具有直接 推广价值或广阔应用前景的一系列优质、高效、低耗、洁净、 灵活工艺的总称. ◆特点 先进性 实用性 前沿性
第一节
概述
1.2先进制造工艺技术的内容
高速加工技术 精密与超精密加工技术 特种加工技术 快速成型技术 快速模具技术 微细加工技术
切削速度变化与切削温度之间的关系
Salomon切削温度与切削速度曲线
1600
切削温度/℃
1200
钢
青铜
铸铁
硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃
800
碳素工具钢 450℃
400 0 切削不
软铝
600 1200
非铁金属
1800 2400 3000 Nhomakorabea切削适应区 适应区
切削适应区
切削速度v/(m/min)
机床静、动态特性好
其它功能部件性能高
2.3 高速加工的关键技术
1、超高速主轴单元 2、高速进给系统 3、高性能CNC控制系统 4、机床结构设计 5、高速切削刀具技术
1、超高速主轴单元
德国生产转速18000 转矩120NM功率12kW
1、超高速主轴单元
密封圈 陶瓷球轴承 电主轴
陶瓷球轴承 冷却水出口 旋转变压器
2.2 高速加工技术的优势和应用
弹道切削试验得出结论为：随切削速度提高，塑性材料的 切屑形态将从带状或片状向碎屑状演变，单位切削力初期呈上 升趋势，而后急剧下降，超高速条件下刀具磨损比普通速度下 减少95%，且几乎不受切削速度的影响，金属切除效率可提高 50~1000倍。 美国空军和海军的超高速铣削实验研究表明：铣削力减少 70%，成功实现了厚度为 0.33mm的薄壁件铣削，刀具磨损主 要取决于刀具材料的导热性。 日本超高速切削试验结果表明：超高速下切屑的形成完全 是剪切作用的结果，随着切削速度的提高，剪切角急剧增大， 工件材料的变质层厚度与普通速度下相比降低了 50%，加工表 面残余应力及塑性区深度可分别减少90~95%和85~90%。
2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
复合材料
陶瓷
几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工， 甚至传统切削很难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤 维增强塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。
2.3 高速加工的关键技术
★高速切削对机床的特殊要求 主轴转速高，输出功率大
进给速度高 主轴转速和进给速度的加速度高
5、高速切削刀具技术 高速切削刀具材料
陶瓷刀具：金属陶瓷、Al2O3、Si3N4、Sialon——加工高温合金 立方氮化硼：CBN, PCBN 金刚石：单晶(SPD)、聚晶(PCD)、薄膜(CVD)、厚膜(TFD) 涂层刀具： 基体---高速钢、硬质合金、陶瓷 涂层（硬）---TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3 涂层（软）---MoS2、WS2 ——加工高强铝合金、钛合金
2.1 高速加工技术概述
2、高速加工机理
1931年德国物理学家C. J. Salomom在“高速切削原 理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于 一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度 最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下 降。
2.1 高速加工技术概述
2、高速加工机理
2.1 高速加工技术概述
3、高速加工的切削速度范围
塑料 铝合金 铜 铸铁 钢 钛合金 镍合金 10 100 1000 切削速度V（m/min） 高速与超高速切削速度范围 10000 车削： 700-7000 m/min 铣削： 300-6000 m/min 钻削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s
2.2 高速加工技术的优势和应用
1、超高速切削的优越性 •切削力低 •热变形小
•材料去除率高
•加工精度高 •降低加工成本 •高速切削可以加工难加工的材料
2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构 件加工，材料去除率达100-180cm3/min。
2、高速进给系统
★普通NC机床的进给系统：滚珠丝杠副+旋转伺服电机 ★高速进给系统：高速滚珠丝杠螺母+旋转伺服电机 ★直线电机进给系统：直线电机作为进给伺服系统的执行元件
3、高性能CNC控制系统
快速响应伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速 预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳 拐角减速控制等功能。
冷却水入口
陶瓷轴承高速主轴结构
1、超高速主轴单元
超高速主轴优点
（1）电主轴系统取消了高精密齿轮等传动件，消除了 传动误差。 （2）减小了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精 度。 （3）电主轴采用交流变频调速和矢量控制，具有输出 功率大、调速范围宽和功率-扭矩特性好的特点。 （4）电主轴机械结构简单，转动惯量小，快速响应性 好，能实现很高的速度和加速度和定角度的快速准停。
4、机床结构设计
大质量的人造大理石床身 极高的热稳定性保证了极好的零件加工精度 良好的吸振性能，是铸铁的6倍 可降低刀具的磨损，延长刀具寿命
5、高速切削刀具技术 高速切削刀具机构及其安全性。
5、高速切削刀具技术
高速切削刀具与机床的连接（夹持系统） ★高速刀具的夹头 ★高速切削刀具刀柄