高速切削的关键技术——高速切削机床
高速切削的关键技术——高速切削机床
高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC 控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。
因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削技术的研究体系，如图9 一3 所示。
按其内容、特点和相互关系可分为技术原理、基础技术、单元技术和总体技术4 个层次，如图9 一4 所示。
其中技术原理通过高速切削试验和理论分析揭示高速切削加工机理，对高速加工过程中的变形、力、温度、摩擦和磨损规律及高速加工系统各部分的稳定性、可靠性等进行分析;基础技术和单元技术是实现高速切削技术的关键，包括材料技术，构件、元件及部件的设计和制造技术，控制和监测方法;总体技术是各单元技术按应用特征和技术性能的进一步集成。
实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床，自20 世纪80 年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。
1 .高速切削机床基本结构
机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力.因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。
很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土或人造花岗岩，这种材料阻尼特性为铸铁的7~10 倍，密度只有铸铁的1 / 3 。
提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。
2 .高速主轴
高速主轴是高速切削最关键零件之一，目前主轴转速在10000~20000r / min 的加工中心越来越普及，转速高达l00000r / min 、200000r / min 、250000r / min 的实用高速主轴也正在研制开发中。
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，高速运转摩擦和大功率内装电动机产生的热会引起高温和变形，所以必须严格控制。
为此对高速主轴提出如下性能要求：①高转速和高转速范围;②足够的刚性和较高的回转精度，③良好的热稳定性;④大功率;⑥先进的润滑和冷却系统;⑥可靠的主轴监测系统.传统的齿轮、传动带变速主传动系统由于本身的振动、噪声等原因已不能适应要求，高速主轴采用了交流伺服电机直接驱动的“内装电动机”集成化结构，减少了传动部件，具有更高的可靠性。
高速主轴要在极短时间内实现升降速，在指定位置快速准停，这就要求主轴具有很高的角加速度。
为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动。
电主轴是高速主轴单元的理想结构，它的电动机转子就是机床主轴，机床主轴单元的壳体就是电动机座，实现了变频电动机与机床主轴的一体化。
并采用了电子传感器来控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持“恒温”。
冷却水温控制系统，在环境温度10~ 40℃的条件下，一般可控制在20~ 25℃范围内某一设定温度，精度为士0 . 7 ℃，特殊要求可达士0 . 3 ℃。
同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴可免
维护、长寿命、高精度，如图9 一5 所示。
高速精密轴承是高速主轴单元的核心。
为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑、散热等新技术。
目前高速主轴主要采用混合陶瓷轴承、磁悬浮轴承和液体动静压轴承三种形式。
主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用，高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。
采用油空气润滑后，轴承的DN 值(主轴轴承孔径与最大转速的乘积)将比脂润滑提高20 % ~ 50 %。
喷油润滑的轴承极限转速可达(2 . 3 ~2 . 5 ) X1000000r / min 。
3 .高速进给机构
高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。
目前高速切削进给速度已高达50~ 120m / min ，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求.而且，由于机床上直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。
为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采用如下措施：
1)采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的1 / 20 左右，而且使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大减少;
2 )高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;
3 )高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电动机和控制技术;
4 )为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;
5 )为提高进给速度，更先进、更高速的直线电动机已经发展起来。
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置。
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动就消除了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，从而实现了所谓的“零传动”。
同时，为保证推力平稳，直线电动机的布局一般应做成对称结构，直线电动机用于机床进给系统的典型结构如图9 一
6 所示。
此结构也可实现无机械接触的磁垫悬浮导轨，即利用直线电动机的动、定件兼作机床导轨副。
由于实现了“零传动”，直线电动机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等间题，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙。
直线电动机具有高加、减速特性，加速度可达29 ，为传统驱动装置的10 ~20 倍，进给速度为传统的4~ 5 倍，采用直线电动机驱动，具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需维护等明显优点。
直线电动机本身的结构和在机床中的位置也带来了一些不利因素。
发热、负载干扰、防磁和垂直进给中的自重等问题。
因此直线电动机伺服系统一般都须配备冷却系统，使用摩擦阻尼很小的导轨，如磁垫悬浮或滚动导轨。
对自重问题除使用配重块和自锁等装置外，还必须同时在电动机驭动模块和伺服控制电路上采取相应的措施。
直线电动机不仅本身昂贵，再加上这些措施，成本就更高。
4 .高速CNC 控制系统
数控高速切削加工要求CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在高速切削时(特别是在4 ? 5 轴坐标联动加工复杂曲面时)仍具有良好的加工性能。
高速CNC 数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间，为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用32 位CPU 和64 位CPU ，并采用多处理器;二是插补精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段处理功能，此外，还可采用NURBS 插
补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。
高速切削加工CNC 系统的功能特征包括：① 加减预插补;② 前馈控制;③ 精确矢量补偿;④ 最佳拐角减速度。
5 .高速切削机床冷却系统
在高速切削条件下，单位时间内产生的大量热切屑不仅干扰切削工作的正常进行，还可能造成机床、刀具和工件的热变形。
解决的办法是采用强力高压、高效的冷却系统(如高压喷射装置)，把大流量的高压冷却液直接射向切削部位，对切削区供给压力为7MPa 、流量达60L / min 的高压冷却液，使冷却液以“瀑布”方式从机床顶部淋向工作台，把大量热切屑冲离工作台。
6 .高速切削机床安全防护与实时监控系统
高速切削的速度相当高，当主轴转速达40000r / min 时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就像出膛的子弹。
因此，对高速切削引起的安全问题必须充分重视.从总体上讲，高速切削的安全保障包括以下诸方面：① 机床操作者及机床周围现场人员的安全保障;② 避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤;③ 识别和避免可能引起重大事故的工况.在机床结构方面，机床设有安全保护墙和门窗。
刀片，特别是抗变强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由于离心力作用产生飞离外，还要进行极限转速的测定。
刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，因此工况监测系统的可靠性就变得非常重要。
机床及切削过程的监测包括切削力监测，机床主轴功率监侧，主轴转速监测，刀具破损监测，主轴轴承状况监测，电器控制系统过程稳定性监测等。
7 .高速切削机床换刀装置
高速切削机床取消了换刀机械手，刀库与工件并排放置，刀库只作回转分度运动，由主轴部件作前后、上下、左右的直线运动来放刀和取刀。
换刀时间虽比普通机床略有增加，但可靠性却大大提高了。
8 .高速切削机床温控系统
机床的热特性是指机床结构在其内部热源和外部热源的作用下，产生结构变形和对加工精度影响的特性，为了改善高速加工机床的热特性，一般采用温控循环水(或其他介质)来冷却主轴电动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。
此外，还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速机床的主轴箱体，以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。
作者：黄岩模具 。
高速切削加工技术的探导
浅谈高速切削加工技术的发展
一
前 ， 于 高 速 切 削 加 工 中 心 其 主 轴 最 高 转 速 一 般 都 大 于 １０ ０／ 适 ０ ０ｒ ｍ ｎ 有 高 达 ６ ０ ０／ ｎ １０ ０ ｒｍｎ 为 普 通 机 床 １ ｉ， ０ ０ ｒｍｉ－ ０ ０ ０／ ｉ， ０倍 左 右 ；
０科技 — — —
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浅谈高速切削加工技术 的发展
口 蔡 素 桔
摘
要 ： 高速 切 削技 术 是 近 十 几 年 来迅 速 崛起 的 一项 先 进 制 造 技 术 ， 已成 为现 代 制造 业 的 重要 组 成 部 分 。 高 速切 削 的特 点 和 机 从
理 入 手 ， 析 这 项 高新技 术 发展 状 况 和 目前 的应 用 。 分 关键 词 ： 高速 切 削 ： 床 ； 具 机 刀
高速切削强调的是高的速度 ， 要有高的主轴转速 ， 速切削 中 即 高 的 高 速 不是 一 个 技 术 指 标 ， 而应 是 一个 经济 指 标 。 速 切 削 时 由 高
于 切 削 速度 的 大 幅 度 提 高 ， 定 了 高 速 切 削 具 有 以下 特 点 ： 是 决 一
性 能 良好 的机 床 是 实 现 高 速 切 削 前 提 和 关 键 ，而 具 有 高 精 度 高 速 主 轴 和控 制精 度 高 高 速 进 给 系 统 ，则 是 高 速 切 削 机 床 技
主 电动 机 功 率 １ ｋ ５ ｗ罐 ０ Ｗ， ｋ 以满足高速车削 、 高速铣削之要求 。 控制
、
高 速 切 削 的 机 理
在 高 速 切 削 过 程 中 ， 于 切 削 速 度 足 够 快 ， 应 变 硬 化 来 不 由 使 及 发生 ， 变形 只发 生小范 围内会 使切削力小 于传统速 度的切 削力 。高 速 切 屑 变 形 机 理 在 很 大程 度上 与 热 量 有 关 ，随 着 切 削 速 度 的增 加， 切屑 流受 到 的阻 力 减 小 ， 而使 切 屑 变薄 、 削 力 减小 。 从 切 高 速 切 削 机 理 主要 包 括 高 速 切 削 中 切 削 力 、切 削 热 变 化 规 律 ． 具 磨 损 的规 律 ． 屑 的 成 型 机 理 以 及 这 些 规 律 和 机 理 对 加 刀 切 工 的影 响 。 目前 对 铝 合 金 的 高 速 切 削 机 理 的 研 究 与 应 用 比较 成 功 ，但 对 黑 金 属 和难 加 工 材 料 的 高 速 切 削 机 理 的研 究 与应 用 尚 处 于不 断探 索之 中 ，应 用 也 是 在 不 成 熟 的 理 论 指 导 下进 行 。 另 外 ， 速 切 削 机 理 的研 究 与 应 用 已进 入钻 铰 、 丝 等 的切 削方 式 高 攻 中 ， 还 处 于 探 索 阶段 。随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 高 速 切 削 的 切 但 对 削 力 、 削热 、 屑 成 型 、 具 磨 损 、 具 寿 命 、 工 的 精 度 和 表 切 切 刀 刀 加
高速切削简介ppt课件
加工精度。
减少残余应力
高速切削可以减少切削过程中产生 的残余应力，降低工件变形的可能 性。
提高表面质量
高速切削能够获得更光滑的表面质 量，减少后续研磨和抛光的工作量 。
降低加工成本
减少刀具消耗
高速切削的切削速度高， 可以减少刀具的磨损和消 耗，降低刀具成本。
随着技术的进步，高速切削的 加工效率也在不断提高，单位 时间内能够完成的切削量增加 。
智能化发展
高速切削设备正在与人工智能 、物联网等技术结合，实现加 工过程的智能化控制。
环保与节能
随着环保意识的提高，高速切 削技术也在朝着更加环保和节
能的方向发展。
高速切削技术的未来展望
更高的速度
随着材料科学和机械制造技术的发展，高速 切削的速度会进一步提高。
高速切削的物理模型
高速切削是利用高速度的切削刀 具对工件进行加工的一种先进制
造技术。
在高速切削过程中，切削速度、 进给速度和切深等参数对加工效
果产生显著影响。
高速切削的物理模型涉及弹性力 学、流体力学等多个学科领域。
高速切削的刀具系统
高速切削的刀具系统是实现高 效加工的关键之一。
刀具料、刀具几何形状和刀 具夹持系统等是高速切削刀具 系统的核心要素。
高速切削技术通常是指在机床主轴转 速超过10,000 rpm的情况下进行的切 削加工，具有高速度、高精度、高效 率和高自动化的特点。
高速切削技术的应用范围
01
高速切削技术广泛应用于航空航 天、汽车、模具、机床等领域， 用于加工各种高精度、高质量、 高要求的零件。
02
高速切削技术可以加工各种材料 ，包括铝、镁、钛等轻质材料和 钢、铸铁等重质材料，以及钛合 金、镍合金等难加工材料。
高速切削加工关键技术现状与发展
出 现 专 业 化 生 产 厂 家 ，按 系 列 提 供 产 品 。 由 于 直 接 传 动 ，
省去 了电 机 ，主轴 问 的皮 带 轮 、齿 轮 箱 等 传 动 链 ，其转
作 用 而 产 生 电 磁 推 力 ， 带 动 负 载 运 行 。 最 早 开 始 使 用 高
速 轻 而 易 举 地 达 到 ０～４０ ０／ ｉ，甚 至 更 高 ，不 仅 如 此 ， 速 直 线 电 机 的 美 国 Ｉ 瑚 ｌ 司 ，在 Ｈ Ｍ８０加 工 中 心 的 ２ ０ ｒｒｎ ａ ． ｎ Ⅱ公 Ｖ ０
出现 至 今 ２ ｏ年 左 右 时 间 ， 所 谓 高 速 切 削 ， 首 先 是 高 的 速
度 ，即 要 有 高 的 主 轴 转 速 ， 比 如 １ ００／ ｉ， １００／ ｉ ， ２ ０ ｒ ｎ ８ ０ ｒ ｎ ａ ｒ ａ ｒ
用 于 电 主 轴 。 陶 瓷 轴 承 的 滚 动 体 为 热 压 氮 化 硅 陶瓷 材 料 ， 内外 环 使 用 轴 承 钢 。 由 于 陶 瓷 滚 动 体 密 度 小 是 钢 的
高速 电主 轴 是 内装 式 主 轴 电 机 一 体 化 的主 轴 单 元 。 它 采 用 无 壳 电 机 ，将 其 空 心 传 子 用 压 配 合 的 形 式 直 接 装 在 机 床 主 轴 上 ，带 有 冷 切 套 的 定 子 则 安 装 在 主 轴 单 元 的
先进制造技术试题库(附答案)
先进制造技术复习题一、填空题1．先进制造技术包含主体技术群、支撑技术群和制造技术环境三个技术群。
2．先进制造基础技术的特点除了保证优质、高效、低耗外，还应包括无污染。
3．微细加工中的三束加工是指电子束，离子束，激光束。
4.绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。
5.超高速机床主轴的结构常采用交流伺服电动机内置式集成结构，这种主轴通常被称为空气轴承主轴。
6.快速原型制造常用的工艺方法光固化成形，叠层实体制造，选择性激光烧结，熔融沉积制造。
7.虚拟制造技术是以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。
8.大规模集成电路的微细制作方法有外延生长，氧化，光刻，选择扩散，真空镀膜。
9.优化设计的两个前提条件以数学规划为理论基础，以计算机为基础。
10.快速原型制造技术的熔丝沉积成形法通常采用的原材料是热塑性材料。
，和绿色1．高速加工机床的进给系统机构大多采用（a）a.直线电机b.滑动丝杠传动机构c.摩擦传动机构2．机床进给伺服系统常用的检测角位移的原件是（d）a.感应同步器；b.光栅；c.容栅；d.脉冲编码器3.ERP的含义是（c）a.制造资源计划b.物料需求计划c.企业资源计划d.产品数据管理4．下列哪种说法不符合绿色制造的的思想（c）a.对生态环境无害b.资源利用率高，能源消耗低c.为企业创造利润5．计算机集成制造技术强调（c）a.企业的经营管理b.企业的虚拟制造c.企业的功能集成6．FMS非常适合（c）a.大批大量生产方式b.品种单一、中等批量生产方式c.多品种、变批量生产方式7．在进行纳米级测量非导体的零件表面形貌时，常采用的测量仪器为（c）a.光学显微镜b.扫描隧道显微镜c.原子力显微镜8.光刻加工的工艺过程为：（c）a.①氧化②沉积③曝光④显影⑤还原⑦清洗b.①氧化②涂胶③曝光④显影⑤去胶⑦扩散c.①氧化②涂胶③曝光④显影⑤去胶⑦还原9.光刻加工采用的曝光技术中具有最高分辨率的是（c）a.电子束曝光技术b.离子束曝光技术c.X射线曝光技术10.硅微体刻蚀加工和硅微面刻蚀加工的区别在于（a）a.体刻蚀加工对基体材料进行加工，而面刻蚀加工不对衬底材料进行加工；b.体刻蚀加工不对基体材料进行加工，而面刻蚀加工对衬底材料进行加工；c.体刻蚀加工可获得高纵横比的结构，而面刻蚀加工只能获得较低纵横比的结构；11.工业机器人有多种分类方式，下列不属于按驱动方式分类的是（d）a.气压传动机器人;b.液压传动机器人;c.电器传动机器人;d.智能机器人；12.在进行纳米级测量两个导体的表面形貌时，常采用的测量仪器为（b）a.电镜b.扫描隧道显微镜c.图像处理技术13.微细加工技术中的刻蚀工艺可分为下列哪两种（b）a离子束刻蚀、激光刻蚀b.干法刻蚀、湿法刻蚀c.溅射加工、直写加工14.衡量机器人技术水平的主要指标是（a）a.自由度b.工作空间c.提取重力d.运动速度15.a.集中控制方式b.主从控制方式c.分散控制方式d.点位式16.CIMS的两个支撑子系统是（c）a.工程设计自动化子系统、管理信息子系统；b.制造自动化子系统、质量保证子系统c.计算机网络子系统、数据库子系统17.下列不是制造自动化分系统的是(a)1、先进制造技术的概念先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
高速切削加工
高速切削机理
•
高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加 工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究， 也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。 高速切削机理的研究主要有以下几个方面： 1、高速切削过程和切削成形机理的研究对高速切削加工中切屑成形机理、 切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究，采用科学 实验和计算机模拟仿真两种方法。 2、高速加工基本规律的研究对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具 磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行 研究，提出反映其内在联系的数学模型。 3、各种材料的高速切削机理研究由于不同材料在高速切削中表现出不同的 特性，所以，要研究各种工程材料在高速切削下的切削机理，包括轻金属材 料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验研究和分析， 建立高速切削数据库，以便指导生产。 4、高速切削虚拟技术研究在实验研究的基础上，利用虚拟现实和防真技术， 虚拟高速加工过程中刀具和工件相对运动的作用过程，对切屑形成过程进行 动态防真，显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等，预测被加工 工件的加工质量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数具 2.1涂层刀具 涂层在刀具基体上涂复硬质耐磨金属化合物薄膜以达到提高刀具表面的硬 度和耐磨性的目的。 2.2金属陶瓷刀具 金属陶瓷主要包括高耐磨性能的TiC基硬质合金(TiC+Ni或Mo)、高韧性的 TiC基硬质合金( TiC+TaC+WC)、强韧的TiN基硬质合金和高强韧性的TiCN基 硬质合金(TiCN＋NbC)等。 2.3陶瓷刀具 陶瓷刀具可在υc=200m/min～1000m/min范围内切削软钢、淬硬钢和铸铁 υc=200m/min 1000m/min 等材料。 2.4CBN刀具 CBN刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想 对具材料，可以实现“以车代磨”。 2.5PCD刀具 PCD刀具可实现有色金属、非金属耐磨材料的高速加工。 • 2.6性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具 用高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢和硬质合金制造的齿轮刀具，可用于 齿轮的高速切削。
高速切削技术在数控加工中的应用
１４ 提 高精度 ，减 少 工夹具成本 ． 高速切 削可 加工淬 硬零件 （ 可达Ｈ Ｃ ０ ，在一 Ｒ ６）
次 装 夹过 程 中可 完成 粗 、半 精 及 精加 工 工 序 ，对
１３ 改善 表面粗 糙度 ． 在 保证 生产 效 率 的 同时 ，可采 用 较 小 的进 给
量 ，从 而减 小 了加 工 表 面 的粗 糙度 值 。又 由于 切 削 力 的 降 低 ， 转 速 的 提 高 使 切 削 系统 的 工 作 频
收稿 日期 ：２ １－１－ ６ ００ ２ ０ 作者简介 ：刘虹 （９ ４一 １６ ），女，副教授，本科 ，研究方向为数控技术。
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高速 切 削技 术在 数 控加 工 中 的应 用
Ｔｈ ａｐｐｌ ｅ ｉ ｃａｔｏｎ ｏｆ ｈｉ － ｐｅ ｉ ｇｈ ｓ ｅｄ ｃｕｔ ｉ ｅｃｈｎ ｏ ｔ ｎｇ ｔ ｏｌ ｇｅ ｎ ｔ ｉ ｈｅ ｎｕｍ ｅ￣ｃａｌｃ ｏｎｔ ｏｌ ｒ ｍ ａｃ ｎｉ ｇ ｈｉ ｎ
刘 虹 ，周玉蓉
Ｌ Ｕ ｌ Ｈｏｎｇ． ＺＨ０ Ｕ ．ｏｎｇ Ｙｕ ｒ
（ 重庆工业职业技术学 院，重庆 ４ １ ２ ） ０ １ ０ 摘 要 ：高速切 削加工是数控加工发展 的一个重要方向，本文阐述了高速切削加工的特点、分析了高速 切削加Ｉ的关键技术 （ 包括机床 、刀具 、工艺） ，介绍了高速切削加工的应用领域。 文章编号 ：１ ０ — １ ４ ２ １ ）（ 一 １０ ０ ９ ０ ３ （０ １ ２ 上） ０ １ — ３ ０
性 ， 优 良 的 吸 振 特 性 和 隔 热 性 能 ， 快 速 可 靠 的 Ｃ 控 制性能 ，可靠 的安全 防护等 。 ＮＣ
高速切削加工对机床的要求和对工具系统的要求
1·1高速切削机床基本结构机床的基本结构有床身、底座和立柱等,高速切削会产生很大的附加惯性力,因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。
很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土(或人造花岗岩),这种材料阻尼特性为铸铁的7~10倍,比重只有铸铁的1/3。
提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构,如将立柱和底座合为一个整体,使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。
1·2高速主轴高速主轴是高速切削最关键零件之一。
目前主轴转速在10 000~20 000 r/min的加工中心越来越普及,转速高达100 000 r/min,200 000 r/min,2 50 000 r/min的实用高速主轴也正在研制开发中。
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,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,所以必须严格控制。
为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(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。
为满足以上性能要求,高速主轴采用了交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构,减少了传动部件,具有更高的可靠性。
高速主轴要在极短时间内实现升降速,在指定位置快速准停,这就要求主轴具有很高的角加速度。
为此,将主轴电机和主轴合二为一,制成电主轴,实现无中间环节的直接传动,是高速主轴单元的理想结构。
轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。
为了适应高速切削加工,高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承和润滑、散热等新技术。
目前高速主轴主要采用3种特殊轴承[5]:(1)陶瓷轴承;(2)磁力轴承;(3)空气轴承。
主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用,高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。
采用油空气润滑后,轴承的DN值(主轴轴承孔径与最大转速的乘积)将比脂润滑提高20%~50%。
模具高速切削加工工艺的关键技术
根据相 关资料 的统计 ，在现代化 的工业 生产中，零件粗加工 的 ７ ５ ％，精加 工的 ５ ０ ％， 塑件的 ９ ０ ％是 由模具加 工的，做为一种 高附 加 值和 高技术 密集 型产业 ，现代模具 工业 已 成为 当今 工业发展 的基础 。而模具 工业发展 的关键主 要依靠设 计、制造 中先进技 术的应 用 （ 如 并 行 工 程 ＣＥ 、 逆 向工 程 Ｒ Ｅ、快 速 成 形Ｒ Ｐ、虚拟制造技术 ＶＭ、网络化设计与制 造 、高速切削技术 ＨＳ Ｃ等 ） ，其 中模具 的高速 切削技术 已成为 当前模具 制造领域 的热点和 发展方向 。
、
高速 切削加 工在模 具制造 中的
应 。
１ ． 高速 切 削 （ Ｈ ｉ ｇ ｈ Ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ Ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ 简称
ＨＳ Ｃ）
高速切削 的概念实 际上早在 ２ Ｏ 世纪 ３ ０ 年代就 由德国切削物理专家 Ｃ ａ ｒ ｌ Ｓ ａ ｌ ｏ ｍｏ ｎ提 出的 。这 一理 论的发现为人 们提供 了一种在 低温低 能耗条件下 实现高 效率切削金 属的方 法 。那 么何谓 高速 切削昵 ？从 目前来 看 ，高 速切削 还没有一个 明确 的定义 ，它 只是一个 相对概 念，一般 来说 ，把 切削速度 比常规切 削速度 高 ５ 一ｌ Ｏ倍 以上的切削称为 高速切 削。 例如 ：车 削为 ７ ０ ０ ～７ ０ ０ ０ ／ ｍｉ ｎ ，铣削 加工 为
现代制造技术基础理论
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锯齿状切屑的形成机理
• R. Komanduri等人提出绝热剪切理论来解释高速切削时产生 锯齿形的原因。
• M.A.Davies也提出锯齿形切屑的成型模型来支持R. Komanduri 的理论。
• 锯齿形切屑产生的原因是当切削速度达到某一临界值时由切屑 内部局部应力的突变所造成的。
• 随着刀具的运动，沿着第一变形区的方向开始发生突变剪切， 应变能的释放和切削中的摩擦运动产生了大量的热量导致了热 软化作用，使得沿第一变形区继续变形所需要的应力降低，而 沿前刀面方向刀具所受载荷也会迅速降低。切削刃处工件材料 受到挤压和剪切，所受载荷会增加。当下一个锯齿形切屑单元 即将形成时，切削刃前面工件的热-力学状态和第一变形区及 前刀面上施加的应力将起决定性的作用。
• 绝热剪切理论（突发性热塑性剪切理论）
– Catastrophic thermo-plastic Shear or Adiabatic Shear Theory
• 周期脆性断裂理论
– Periodic Brittle fracture
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绝热剪切理论
• 绝热剪切(Adiabatic Shearing, AS)现象是材料在高应变速率形 变条件下塑性变形区域化的一种常见现象。
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3 高速切削的速度范围
• 切削速度划分
10 镍基合金
钛合金 钢
铸铁 铜合金 铝合金 碳纤维塑料