高速切削机床

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1.7 小结
高速切削技术因其具有高效、高精度、工序简化等 优点而受到高度重视，是最有前途的先进切削加工技术 之一。 目前刀具材料、刀柄结构、刀具动平衡技术的发展 有力地推动了高速切削技术的应用。 高速切削技术已在航空航天、汽车、模具等行业中 得到广泛应用。 高速切削工件材料有钢、铸铁及其合金，铝、锰及 其合金，镍基、钴基、钛基合金等高温合金等，高速切 削的应用领域还在不断扩展中。
例如：高速切削铣床多采用龙门式立柱型对称结构， 以提高机床的承载能力和刚性，增强机床的耐冲击 性和抗震性，降低机床的固有振动频率，减少机床 因热变形所造成的几何误差。
1.4.1 高速切削机床
（2）主轴系统能够提供高转速、大功率、大扭矩 高速切削不但要求机床主轴转速高，而且要 求传递的扭矩和功率也要大，并且在高速运转中 还要保持良好的动态特性和热态特性。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
高速进给的需求已引起机床结构设计上的重大 变化：采用高速直线伺服电机来代替传统的电机 丝杠驱动。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
数控机床的进给系统主要采用是“旋转伺服电动机， 滚珠丝杠”，这种进给系统所能达到的最高进给速度为 90～120m/min，最大加速度只有1.5g。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
数控机床从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、 丝杠、螺母、轴承、支架等一系列中间环节，当进给部 件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，这些机 械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，都会造成 进给运动的滞后和其它许多非线性误差；同时，这些中 间环节也增加了系统的惯性质量，会影响对运动指令的 快速响应；此外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下， 会产生变形，影响加工精度。
汽车零件平面的高速铣削加工
2)铝合金的端面铣削加工：
零件：高硅铝合金，汽车发动机气缸盖 尺寸：450mm×200mm，粗糙度要求：Ra1.6mm，平面度 要求：0.05mm，刀具：聚晶金刚石刀片面铣刀，刀具 直径254mm，24齿加1片修光刃； 切削条件：切削速度1356m/min，工作台进给速度 3670mm/min，刀具进给量为2.16mm/r，背吃刀量1.6mm， 水溶性切削液。 刀具寿命：刀具正常磨损时加工零件数量达到48000件。
5) 良好的动平衡等。
上述各点均需根据被加工材料特性采取相应措施。
汽车零件孔的高速加工
连杆螺栓孔、油道深孔采用枪钻工艺，其切削速度： 加工黑色金属达70~120m/min，加工有色金属达 130~180m/min，进给速度达200~350mm/min。
汽车零件高速立铣削加工
在汽车零件加工中，使用高速立铣加工的情况随处可 见。 例如:日产汽车公司的汽车转向节臂的加工，工件材料 为钢材。 过去的加工流程为：车削、铣端面、孔加工等，共由 10台专用机床组成生产线。 现已改建成柔性生产线，多种类型的零件均可在一条 生产线上加工。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度 一般要求高速切削机床能够提供0.4m/s2到 10m/s2的加速度和减速度。 例如：
如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主 轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到 120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。
1.4.1 高速切削机床
高速切削机床： 一般有数控机床和精密机床。
1.4.1 高速切削机床
普通机床的结构及其传动系统已不 能适应高速切削的要求，高速切削机床必须进 行全新设计。 相对于普通机床，高速切削对机床提出了 许多新的要求：
1.4.1 高速切削机床
（1）机床结构要有优良的静、动态特性
高速切削机床的结构应保证机床的承载能力、 高刚性、热稳定性和抗振性。
1.1 高速切削的概念
Q = Fc
但Vc↑
vc
Vc↑
Q↑ Q散↑
θ↑ θ↓
切屑流速↑
1.1 高速切削的概念
A区：常规的切削速度范围 B区：切削加工的“死谷” C区：高切削速度范围
1.1 高速切削的概念
高速切削速度==常规切削速度的5-10倍
例如： 铝合金的切削速度范围1500-5500m/min; 铸铁的切削速度范围750-4500m/min; 普通钢的切削速度范围600-800m/min。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
为了克服传统进给系统的缺点，满足高速切削加工 的要求，人们开始研究新型的进给系统，其中直线电动 机就是最有前途的快速进给系统。 直线电动机取消了源动力和工作台部件之间的一切 中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就 是所谓的“直接驱动”或“零传动”。
高速切削机床
1.1 高速切削的概念
高切削速度切削 高主轴速度切削 高进给切削 高速和高进给切削 高生产率切削
1.1 高速切削的概念
高速与超高速切削技术就是通过采用 高的切削速度，来缩短生产时间，提高 生产率，降低生产成本，从而提高企业 的整体竞争力的一种先进制造技术 。
1.1 高速切削的概念
高速切削的理论最早是由一个德国的物理学 家（Carl．J．Salomon）提出来的。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够 提供大进给量（快 速行程速度）和高 的加速度
1.4.1 高速切பைடு நூலகம்机床
综上所述，普通数控机床的传动与结构已 远远不能适应高速切削的要求，必须进行全 新设计。 因此，有人称高速与超高速机床是21世纪 的新机床，其主要特征就是要实现机床主轴 和进给的直接驱动，是机电一体化的新产品。
根据被加工材料特点选用刀具材料。 如加工铝合金时，通常都选用硬质合金刀具；聚晶金 刚石刀具虽也可提高加工速度，但该材料价格昂贵， 是否选用应视加工需要而定。
汽车零件孔的高速加工
4)采用可转位钻头。
在20mm以上的孔加工中，可选用可转位结构的钻头。 加工钢材时，切削速度约为180m/min；加工铝合金时， 切削速度约为250m/min。
汽车零件平面的高速铣削加工
2)铝合金的端面铣削加工：
现在很多轿车发动机的气缸体、气缸盖、变速箱都是铝合金铸 件，均采用面铣刀进行高速切削加工。 例如，日产汽车公司气缸盖生产线所用机床正在逐步改为加工 中心。过去的专用机床可采用250mm以上的大直径面铣刀进行 加工，现已改用较小直径(100mm以下)的面铣刀，加工路线也 正在向多工位复合加工方向发展。 刀具材料采用聚晶金刚石刀片，高速切削加工铝合金时不但能 获得良好的加工质量，而且刀具寿命长。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
高速切削机床的进给速度必须与高速主轴相匹配。 为了配合主轴10倍于常规的切削速度，机床的进给 速度也应该相应提高10倍，由过去的6m／min提高到60m ／min～100m／min，这样才能保持刀具的每齿进给量基 本不变。 例如： 有的高速进给的驱动器要求提供快进速度 约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min。
1)提高排屑性能，具体措施：
①采用内部供液方式，压力为2~7MPa； ②钻尖角比普通钻头大，易于分断厚型切屑； ③对钻头横刃进行修磨，使之成为中心涡卷形状。
汽车零件孔的高速切削加工
高速钻削加工应注意的问题：
2)提高刀具刚性，具体措施：
①增大钻头芯厚； ②增大倒棱锥度。
汽车零件孔的高速加工
3)防止钻尖过热，具体措施：
1.4.1 高速切削机床
电主轴的基本结构
内装式电主轴
1.4.1 高速切削机床
电主轴的基本结构
内装式电主轴
1.4.1 高速切削机床
内装式电主轴
电主轴的选用应根据加工零件的实际需要来决定， 通过工件材料、刀具材料、工件的生产流程等来确 定加工所需的最大转速和功率，以免造成浪费。 要注意的是：一般电主轴的极限转速越高，它的输 出扭矩越小，不适于重负荷切削，对使用条件也有 较多的限制，所以不要盲目追求高转速电主轴。 在选用时，一般可考虑以下因素：转速不低于 8000r/min,满足长时间高速运转、精度高、刚性好、 运转平稳、具有高效的冷却系统。
1.4.1 高速切削机床
内装式电主轴
当前国内外生产电主轴的厂家多达几十家。 在国外的厂家中，以德国GMN公司和瑞士FISCHER最著 名，产品性能和质量较高。 瑞士的STEP-TEC公司生产的铣床和加工中心用的主轴 有多达20多个品种。 意大利的GAMFTOR和FAEMFIOR两家公司的电主轴的品种 规格也比较多。 国内生产电主轴最著名的是洛阳轴承研究所，该所研 究开发的加工中心、高速铣床车床用的电主轴，目前 已经与国产高速切削机床厂家配套，投入使用。
1.4.1 高速切削机床
（3）进给系统能够提供大进给量（快速行程速度） 和高的加速度
在切削加工过程中，机床进给系统的工作行程一般 只有几十至几百毫米。 在这样短的行程中要实现稳定的高速与超高速切削， 除了进给速度要高外，进给系统还必须要有很大的加速 度，这样才能缩短启动一变速一停车的过渡过程，从而 实现平稳切削。 这也是高速与超高速切削对机床的结构设计新要求。
1.1 高速切削的概念
高速切削速度==常规切削速度的5-10倍
高速切削并非普通意义上的采用大的切削用 量来提高生产效率的加工方式，而是用高转速、 快进给、小背吃刀量和小进给量来切除余量从 而完成零件加工过程的一种切削技术！
1.1 高速切削的概念
高速切削过程的实现涉及到机床结构、制造技 术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC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、高速切削工艺等诸多硬件和软件技术， 因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程。
1.4.1 高速切削机床
传统的机床主轴系统通常采用的是皮带 和齿轮传动的结构，其最高转速不超过 15000r/min。
1.4.1 高速切削机床
高速切削机床的主轴系统不能采用传统 的结构，目前高速切削机床通常采用的 是——内装式电主轴。
1.4.1 高速切削机床
内装式电主轴
内装式电主轴是高频主轴的简称，也叫直 接传动主轴，它把机床主运动传动链的长度缩 短为零，实现了机床的“零传动”。 内装式电主轴具有结构紧凑、机械效率高、 可获得极高的回转速度和回转精度、噪声低、 振动小等优点。
汽车零件孔的高速切削加工
汽车生产中孔加工的加工量是比较大的，约占机械加 工的30％左右。 气缸盖和气缸体是发动机的代表性零件，它们的孔加 工作业量非常大；变速箱的孔加工量也比较高。 汽车零件的孔加工作业中，钻削加工约占60％，其次 为镗削加工、攻丝加工、铰削加工。
汽车零件孔的高速切削加工
高速钻削加工应注意的问题：
汽车零件平面的高速铣削加工
1)铸铁缸体、缸盖端面的高速铣削加工：
如Lamb公司： 缸体、缸盖大平面加工采用高速铣削，用氮化硅 （Si3N4基）陶瓷刀片铣削缸体顶面，切削速度达 1524m/min，进给速度达6350mm/min，生产效率提高了 50％。
汽车零件平面的高速铣削加工
又如日产汽车公司: 日产汽车公司高速铣削铸铁材料的柴油发动机的气缸 体端面。为了保证发动机的性能，该加工面要求具有 较低的表面粗糙度。工件材料是添加了Cr和Cu的铸铁， 可加工性很差。 日产汽车公司加工该端面所用的面铣刀材料为Co-WC基 粘结剂的CBN立方氮化硼，切削速度为440~785m/min， 切削速度为过去的2.8~5倍。 该速度值可保证生产周期内的工具寿命符合节拍要求。