高速切削机床
高速切削机床的方案设计与应用
Ｏ 引 言
高速 切 削是 以高 切 削速 度 、 高进 给 量 和 高 加工 精 度 为 主要 特征 的加 工 技术 ， 采 用 的切 削 参 数 要 比传 所 统工 艺高 几倍 甚 至几 十倍 。由 于其 具 有 切 削 速度 高 、 切深 小 、 进给快 、 转 平 稳 、 率 高 、 削 过 程散 热 快 、 运 效 切 表 面精度 高 、 合切 削高 硬 度材 料 和 以切 代 磨 等独 特 适 的优 点 ， 受到 了工业 界极 大 的关 注 ， 已成 为制造 技术 并
２ 高 速切 削机床 的 总体方 案设 计
２ １ 高 速 主 轴 系统 ．
图 １ 电 主轴 的结 构 和 系统 组 成
２ １ １ 电主轴 ． ．
电主轴 同传统 的 主轴相 比， 有很大 优点 。其 中 ， 具 从 主轴 电机 和机床 主 轴 连 为一 体这 一 点 可 以看 出 ， 电 主轴 的重量更 轻 ， 主轴 在 高 速旋 转 时所 产 生 的 惯性 也 较小， 结构也 较为 紧凑 ； 另外 ， 电主 轴 采用 传 感 器来 测 量 温度 ， 测量 时间短 ， 准确无 误 。 且 主轴转速 特征值 为 主轴轴 承平 均直径 和最高 转速 的乘 积 ：
第 ２ （ 第 １１ ） 期 总 ７期
２１ ０ ２年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨＡＮＩ ＡＬ ＥＮＧＩ ＥＲＩ （ ３ ＮＥ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（Ｍ ＡＴＩ） ） （Ｎ
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文 章 编 号 ：６ ２６ １ （０ ２ ０－ ２ ９ ０ １７ － ４ ３ ２ １ ）２ ０ ０— ３
发展 的重 要 方向 。
高速 旋转 时具 有 良好稳 定性 的要 求 。电主轴 的创新 之 处在 于将 主轴 电机 和机 床 主 轴连 为 一 体 ， 主轴 箱 成 为
高速切削关键技术
中心和其他数控机床进给系统采用 1.5 g。它在高速加工中心上的应用 速度达76.2 m/min，进给加速度达
的主要形式。滚珠丝杠副传动系统 仍受到一定的限制。
1~1.5 g。意大利Vigolzone公司生产
采用交流伺服电机驱动，进给加速
采用滚珠丝杠副传动实现的高 的高速卧式加工中心，三轴采用直
46 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
高速切削机床是实现先进切削工 艺、获得高效加工效益的载体，也 是进行高速切削试验研究的平台。 高速切削的关键技术有高速切削机 理、高速加工技术、高速加工用刀
具技术、高速加工工艺技术以及高 速加工测试技术等，其中高速机床 是实现高速加工的前提和基础条 件。
1 高速主轴单元
高速主轴部件是高速机床最为关 键的部件之一，同时高速主轴单元 的设计是实现高速加工的关键技术 之一。高速主轴在离心力作用下产 生振动和变形，高速运转时产生的 摩擦热和大功率内装电机产生的热 会引起温升和热变形，将直接影响 机床最终的加工性能，因此必须对 其进行严格控制。高速主轴单元的 类型主要有电主轴、气动主轴、水 动主轴。不同类型的主轴输出功率 相差较大。高速主轴要在极短的时 间内完成升降速，并在指定的位置 快速准停，这要求主轴具有很高的 角加速度。主轴的驱动如果通过皮 带等中间环节，不仅会在高速状态 打滑、产生振动和噪声，而且增加 了转动惯量，机床主轴快速准停非 常困难。高速加工机床主轴系统在 结构上几乎都是采用交流伺服电机 直接驱动的集成结构形式。集成化 主轴有两种形式，一种是通过联轴 器把电机与主轴直接联接，另一种 是把电机转子和主轴做成一体。
蚀作用及高速紊流下气泡的产生对 20~25 μm。相对于采用直线电机 本。日本精工已经研制出进给速度
高速切削技术研究
高速切削技术研究第一部分高速切削技术的定义与特点 (2)第二部分高速切削刀具材料与磨损机理 (4)第三部分高速切削机床的选型与应用 (7)第四部分高速切削参数优化方法 (10)第五部分高速切削过程的热控制技术 (13)第六部分高速切削加工精度与表面质量 (15)第七部分高速切削在典型零件加工中的应用 (17)第八部分高速切削技术的发展趋势与挑战 (20)第一部分高速切削技术的定义与特点高速切削技术是一种先进的制造工艺，它通过使用高转速的刀具和优化的切削参数来提高材料去除率、加工精度和表面质量。
该技术的核心在于实现高效率、高质量和高精度的加工过程。
在高速切削过程中，刀具以极高的速度旋转（通常超过每分钟数千转），同时进给速度也相应提高。
这种高速旋转产生的离心力有助于减小切削力和切削热，从而延长刀具寿命并减少工件的热变形。
此外，由于切削力的降低，高速切削还可以减少振动，进一步提高加工精度。
高速切削技术的优势主要体现在以下几个方面：1.高效率：与传统切削相比，高速切削可以显著提高材料去除率，缩短加工时间。
研究表明，高速切削可以提高生产效率达 30%至50%。
2.高精度：高速切削过程中的低切削力可以减少工件的振动，从而提高加工精度。
此外，由于切削热的影响较小，工件的热变形也得到了控制。
3.高质量表面：高速切削产生的切削热较低，这有助于减少工件的烧伤和裂纹，从而获得更好的表面质量。
4.刀具寿命延长：高速切削可以降低切削力，减少刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。
5.节能减排：高速切削技术可以实现更高的材料去除率，从而减少能源消耗和碳排放。
然而，高速切削技术也存在一些挑战，如刀具成本较高、对机床性能要求较高等。
因此，在实际应用中，需要根据具体加工需求和技术条件，合理选择切削参数和刀具，以确保高速切削技术的有效性和经济性。
总之，高速切削技术作为一种先进的制造工艺，具有高效率、高精度、高质量表面等优势，但在实际应用中需充分考虑其成本和设备要求。
数控机床加工中的高速切削技巧分享
数控机床加工中的高速切削技巧分享数控机床加工作为制造业领域的重要环节，对于提高生产效率和降低成本起着至关重要的作用。
在数控机床加工过程中，高速切削作为一种重要的切削技巧，可以进一步提高切削效率和加工质量。
本文将分享一些数控机床加工中的高速切削技巧，帮助读者更好地进行切削加工。
首先，在进行高速切削前，我们需要选择合适的刀具。
刀具的选择直接影响切削效率和加工质量。
对于高速切削，我们可以选择具有高硬度和刚度的刀具。
例如，碳化钨刀具、多刃刀具以及高速钢刀具等都可以满足高速切削的要求。
此外，刀具的切削刃角和刀尖圆度也需要注意，切削刃角的选取应根据具体的加工材料和切削工艺进行选择。
其次，在切削参数的选择上，我们需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等因素。
对于高速切削来说，切削速度是一个重要的参数。
通常情况下，高速切削的切削速度要高于常规切削。
在选择切削速度时，应综合考虑材料的硬度、刀具材料和刚度等因素进行合理选择。
进给速度也是一个关键参数，过低的进给速度可能导致切削不稳定或刀具容易磨损，而过高的进给速度则可能导致切屑堆积、加工表面质量变差等问题。
切削深度的选择也需要慎重考虑，过大的切削深度可能导致切削力过大、热量集中等问题。
同时，在数控机床加工的过程中，冷却润滑剂的使用也是至关重要的。
冷却润滑剂可以降低切削温度，减少切削力，提高切削质量。
对于高速切削而言，冷却润滑剂的选择和使用需要根据材料和切削工艺选择适当的类型和喷洒方式。
常见的冷却润滑剂有液压油、切削液等。
在使用冷却润滑剂时，还需要注意及时更换和合理设置喷洒方式，以确保其正常使用的效果。
此外，切削过程中的切削力和切削温度的控制也是关键。
高速切削时，切削力会变大，对切削系统和刀具都会产生一定的影响。
对于切削力的控制，可以采用后退式切削、控制进给速度和切削深度等方式。
切削温度的控制主要通过冷却润滑剂的使用、合理选择切削参数等来实现。
切削力和切削温度的控制可以有效提高切削加工的精度和质量。
第5章 高速加工机床
说明：（1）棕色为参考内容；（2）绿色为新加的内容，尚未仔细阅读决定是否加入课件PPT第4章高速加工机床目录(根据张伯霖书整理，与正文略有不同)4.1高速加工机床概述4.1.1高速机床的发展现状4.1.2高速机床应满足的要求4.2高速机床主轴单元4.2.1高速主轴单元的特点及关键技术4.2.2电主轴的结构4.2.3电主轴的参数及选用4.2.4高速主轴轴承及其润滑4.2.5电主轴的电动机及驱动模块764.2.6电主轴的支持技术及装置834.3高速机床进给系统4.3.1高速机床进给系统概述94-954.3.2高速滚珠丝杠副传动系统（96-98）4.3.3直线电动机进给驱动系统984.3.3.1直线电动机及其在高速机床上的应用（98）4.3.3.2直线电动机与高速滚珠丝杠的性能对比及应用场合4.3.3.3直流直线电动机进给驱动系统（100）4.3.3.4交流永磁（同步）直线电动机进给驱动系统（101）4.3.3.5交流异步直线电动机进给驱动系统（102）4.4 高速机床总体设计的有关问题4.4.1高速加工机床结构件的设计原则4.4.2高速电主轴单元4.4.3高速进给系统4.4.4各轴进给运动的相互结构联系4.4.5数控、伺服控制系统××××××××××××××××××××正文×××××××××××××××××××4.1 高速加工机床概述4.1.1 高速机床的发展现状随着大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、磁悬浮以及动静压高速主轴轴承、高性能的控制系统等一系列关键技术的解决，已使得高速、超高速加工机床有了很大的发展。
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。
高速机床的关键技术和发展趋势
高速机床的关键技术和发展趋势【摘要】高速切削是切削加工发展的主要方向之一，高速机床是实现高速切削的基础。
近年来，高速切削技术的快速发展带动了高速机床制造技术的进步，不仅体现在传统机床关键部件的重大改进，而且产生了新的机床结构以及关键零部件，把机床制造技术带入了一个新的领域。
本文具体分析研究了高速机床的关键技术和发展趋势。
【关键词】高速机床关键技术发展趋势中图分类号：tg508 文献标识码：a 文章编号：高速机床是指能够进行高速切削的机床。
目前适用于进行高速切削的加工中心和数控机床，其主轴转速一般都在10000r/min以上，有的高达60000-100000r/min，主电机功率15-80kw。
高速切削还在进一步发展中，不同加工方式和不同材料的高速切削范围也有所差别，表1给出了几种典型加工方式的高速切削范围。
表1 典型加工方式的高速加工范围高速切削要求高速机床的主轴和工作台具备极高的加速度性能，主轴从启动到最高转速（或相反）只用1-2s，工作台的加速（减速）度要达到1-10g。
如此高的加速度会对机床造成巨大的动载荷，必须提高机床的动、静刚度，因此高速机床的产生使机床从“速度设计”进入“加速度设计”的新阶段。
与常规加工相比，高速加工有许多突出的优点：单位时间的材料切除率可增加3-6倍；切削力可降低30%以上，特别有利于薄壁细长工件的高速精密加工；95%-98%的切削热被切屑带走，工件可基本保持冷态；高速加工能加工出非常光洁、精密的零件，如高速铣削和高速车削可以达到磨削的光洁度；工件表面残余应力非常小。
高速加工技术首先在美国航空航天工业中得到广泛应用，如今汽车工业和模具工业也越来越多采用高速加工。
例如用小直径立铣刀对模具型腔进行超高速铣削，因为效率高、精度高、表面光洁，故可省去后续的电加工和手工研磨等工序，大大加快了新产品的开发周期。
常用的机床关键件如钢球式机械主轴、滚珠丝杆、数控系统以及现有的设计理念已不能支撑高速机床, 由此产生了一系列的技术创新, 如高速滚珠丝杆、直线电机、电主轴、高性能数控系统、新型结构及新设计理念。
高速切削加工技术
高速切削的适用性
高速切削的适用性
高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。那 么，它是不是放之四海而皆准呢?显然不行。即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这 一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于 解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的 动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。
(1)CAM系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计 算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。
(2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果， 所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀 具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。
如此看来，主轴转速为10～r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制： (1)主轴转速10～r/min时，刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不 能超过16mm，且必须采用进口刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。 (2)机床装备转速为10～r/min的电主轴时，其扭矩极小，通常只有十几个N·m，最高转速时只有5～6N·m。 这样的高速切削，一般可用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工等。 (3)MIKRON公司针对这些情况开发了一些主轴最高转速为r/min、r/min、r/min和r/min的机床，尽力提高 进给量(～mm/min)，以保证机床既能进行粗加工，又能进行精加工，既省时效率又高。
高速切削复习
第一章高速切削概述1.1 高速切削技术的基本概念高速切削技术俗称高速切削（High Speed Cutting，简称HSC）或高速加工（High Speed Machining，简称HSM），是二十世纪九十年代迅速崛起的一项先进加工技术，通常指以比常规切削加工高出很多的主轴线速度和进给速度下进行的切削加工，又称为超高速切削（Ultra-High Speed Machining）。
高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念。
对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的切削速度并不相同。
如何定义高速切削加工，至今还没有统一的认识，目前沿用的高速切削加工定义主要有以下几种：1)1978年，CIRP切削委员会提出以线速度(500～7000)m／min的切削速度加工为高速切削加工。
2)对铣削加工而言，从刀具夹持装置达到平衡要求(平衡品质和残余不平衡量)时的速度来定义高速切削加工。
根据ISO1940标准，主轴转速高于8000r／min为高速切削加工。
3)德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)提出以高于(5～10)倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。
4)从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值(主轴轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积)来定义高速切削加工，DN值达(5～2000)X105 mm²r／min时为高速切削加工。
5)从刀具和主轴的动力学角度来定义高速切削加工。
这种定义取决于刀具振动的主模式频率，它在ANSI／ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。
因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。
根据不同的切削条件，具有不同的高切削速度范围。
虽然很难就高速切削范围给出一个确切的定义，但从生产实际考虑，高速切削加工中的“高速”不应仅是一个技术指标，还应是一个经济指标，是一个可由此获得较大经济效益的高速度的切削加工。
1.2 高速切削技术的兴起与发展高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期，德国的切削物理学家萨罗门（Carl Salomon）博士于1929年进行了超高速模拟实验，1931年4月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。
高速切削技术及高速切削机床
高 速 度 、 精 度 、 进 给 为 主 要 特 征 的 高 新 技 术 。 高 高 大
速 切 削 可 以 大 幅 度 提 高 零 件 的 加 工 效 率 、 低 加 工 降
成 本 、 高 零 件 的 加 工 表 面 质 量 和 加 工 精 度 。 高 速 提
切 削加 工 在 航 空 航 天 、 具 工 业 和 汽 车 工 业 中 得 到 模 了广 泛 的 应 用 。高 速 切 削 技 术 是 一 项 综 合 性 高 新 技 术 ， 些 新 技 术 包 括 ： 具 技 术 （ 具 材 料 、 具 夹 持 这 刀 刀 刀
的最 终 工 序 。高 速切 削 时 机 床 的 激 振 频 率 远 远 离 开
轴 上 ， 有 冷 却 套 的 定 子 则 安 装 在 主 轴 单 元 的 壳 体 带
中 ， 成 内装 式 电 机 主 轴 。除 此 之 外 ， 轴 运 转 时 ， 形 主
机 床 的 固 有 频 率 ， 使 得 工 件 加 工 往 往 处 于 “ 振 这 元
削 范 围 。一 般 认 为 ， 速 加 工 各 种 材 料 的 切 削 速 度 高
范 围 为 ： 合 金 已 达 到 ２０ 铝 ０ ０～７ ０ ｍ ｍ ｎ 铸 铁 为 ５０ ／ ｉ；
９ ０ ０ ０ ｒｉ； 为 ６ ０—３ ０ ｍ／ ｎ 超 耐 热 镍 合 ０ ～５ ０ ｍ／ ｎ 钢 ａ ０ ０ ０ ｍｉ ；
切削相 比， 有如下重要 特点 ： 具 （ ） 除 单 位 材 料 的 能 耗 低 ， 削 效 率 高 ， 大 １切 切 大
提 高 了能 源 和 设 备 的 利 用 率 。 据 报 道 ， 位 时 间 材 单 料 切 除率 可 提 高 ３～５倍 。
（ ） 工 表 面 质 量 好 、 度 高 ， 作 为 机 械 加 工 ２加 精 可
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高速切削机床速度
现在加工中心主轴转速一般为20 000～32 000 r/min,快进速度为30～120 m/min,换刀时间为3～5 s.齿轮机床的主轴转速也已提高到9 000～12 000 r/min.目前已有主轴最高转速为150 000 r/min,快速进给达120m/min,换刀时间为0.7～1.5 s的坐标磨削加工中心.国外高速机床,转速为20 000～150 000 r/min,主轴功率10～40 kW,高速磨床的切削速度达到120 m/s,进给工作台加速度达25～50 m/s2.进给速度高达30～120 m/min.超高速切削代表了机床高效、高精度、高柔性的发展方向,将越来越成为切削技术和机床的发展主流。
高速机床技术
高速机床是实现高速加工的前提和基础条件.性能良好的机床是实现高速切削的基础。
高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术.高速加工机床能否达到理想加工状态,主要取决于高速加工机床的关键单元.高速加工机床单元技术的研究内容主要包括:高速主轴单元、高速进给系统和高速CNC控制系统等.高速机床整机技术研究内容主要包括:机床床身、冷却系统、安全措施和加工环境等.
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