超高速加工技术(PPT课件)
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超高速加工技术
应用案例二：汽车发动机缸体加工
总结词
提高缸体质量和加工效率
详细描述
在汽车发动机缸体加工中，超高速加工技术能够提高缸体的加工效率和精度，同时降低废品率。通过高速旋转的 刀具和高效的切削液系统，可以快速去除材料，减少切削力和热量的产生，提高缸体的表面质量和耐久性。
应用案例三：模具钢材料加工
总结词
提高模具寿命和加工效率
发展趋势
随着新材料、新工艺的不 断涌现，超高速加工技术 正朝着智能化、绿色化、 复合化等方向发展。
主题重要性
促进制造业转型升级
满足市场需求
超高速加工技术的应用有助于提高生 产效率、降低成本，推动制造业向智 能化、柔性化、绿色化方向转型升级。
随着市场对产品品质和性能要求的不 断提高，超高速加工技术的应用能够 满足消费者对高品质产品的需求。
超高速加工技术能够大幅提高航空航天材料的加工效率，缩 短生产周期，降低制造成本，同时保证零部件的加工精度和 质量。
汽车制造
汽车制造领域需要大量高精度零部件 ，超高速加工技术能够快速、准确地 加工出汽车发动机缸体、缸盖、变速 器壳体等复杂零部件。
超高速加工技术能够提高汽车零部件 的加工效率，降低生产成本，同时提 高零部件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳 强度等性能。
数字化
超高速加工技术将向数字化方向发展， 实现数字化的加工模型和加工过程的 仿真与优化。
05
超高速加工技术的实际案例
应用案例一：航空叶片加工
总结词
提高加工效率，降低生产成本
详细描述
超高速加工技术应用于航空叶片加工，能够显著提高加工效率，缩短生产周期， 降低生产成本。通过高转速的刀具和精确的数控系统，可以快速、准确地完成 叶片的切削和磨削，提高表面质量和精度。
_超高速加工技术
2、超高速主轴系统动态特性及热态特性研究：动刚度、固有 频率等参数的影响。 3、超高速主轴系统的润滑和冷却技术研究：润滑充分问题、 冷却效果问题。 4、超高速主轴系统多目标优化设计、虚拟设计技术研究。
第四节 超高速加工进给单元制造技术
超高速加工进给单元是超高速加工机床的重要组成部分。 一、超高速加工进给单元的基本要求： 1、要求具有大的加、减速度：在瞬时达到高速，瞬时准停。 2、要求具有搞的定位精度：能精确控制零件的尺寸精度。 二、超高速加工进给单元的关键技术： 1、高速位置环芯片研制；
4、超高速加工中工件状态的测试技术； 5、超高速加工中自适应控制技术； 6、超高速加工中智能控制技术。
第五节 超高Βιβλιοθήκη 加工测试技术从某种意义上讲，超高速加工测试技术是超高速加工得到应 用的技术关键。 一、超高速加工测试技术的概念： 主要是指在超高速加工过程中，通过传感、分析、信号处理 等，对超高速机床及系统的状态进行实时在线监测和控制的监测 技术。 监测主要基于对切削力、声发射、切削功率和温度等信息参 数检测，来监测加工状态。 二、超高速加工测试的关键技术： 1、基于监控参数的在线检测技术； 2、超高速加工的多传感器融合检测技术； 3、超高速加工机床中各单元系统功能部件的测试技术；
3、超高速进给单元制造技术； 4、超高速加工用刀具和磨具材料； 5、超高速机床支承； 6、超高速加工测试技术。
二、超高速切削机理： 1、萨洛蒙超高速切削理论： 三个切削速度区： ⑴ 常规的切削速度区：现行的切削加工速度范围； ⑵ 不能切削区：此区切削速度下，切削温度过高，刀具不能 承受； ⑶ 高速切削区：当切削速度达到某一数值后，切削温度不再 升高，反而随切削速度继续增加，切削温度呈下降趋势，切削 温度降到刀具能承受的切削速度时，即为高速切削的最低速度。 试验表明，萨洛蒙超高速切削理论并不适用于所有的加工 材料，有些材料在超高速切削时不存在不能切削区。 2、超高速磨削最大切屑厚度hmax理论： 在保持其它参数不变，仅增大磨削速度情况下， hmax会减 小，每个磨削刃上的作用切削力也会减小。
第三章先进制造工艺技术(超高速加工)
➢ 虽然切削深度和厚度小，但主轴转速高，进给速度快，单 位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高 了。
➢ 将粗加工、半精加工、精加工合为一体，在一台机床上完 成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。
➢ 可加工高硬度、难加工材料(62左右)，可以钻ø1以下的小 孔。
➢ 加工时间短，经济性能好。
内装式同轴电动机驱动优点
➢主轴是电机的转子，定子装入主轴套筒内， 取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的 结构，减少了振动，增加了可靠性，
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达到 0～42000，甚至更高。
➢结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 ➢噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 ➢回转精度高，摩擦振动小， ➢主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件，
➢ 硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。
五、超高速加工技术发展趋势
超高速切削的发展趋势： 高效高速化； 实用廉价化； 复合化等
超高速磨削技术的发展趋势： 高柔性自动化系统+超硬磨料磨具+各种高速高
效磨削技术。
超高速加工技术关键技术
关键技术： 超高速切削、磨削机理； 超高速主轴单元制造技术； 超高速加工进给单元制造技术； 超高速加工用刀具、磨具； 超高速加工机床支承及辅助单元制造技术； 超高速加工测试技术。
1、超高速切削、磨削机理
随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当 切削线速度达到超过某临界值时，切削温度及切削力会减 小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加
2、 超高速主轴单元制造技术
主轴的驱动方式 电动机通过带传动：变频电机，电机经精密动
平衡，置于单独地基，柔软丝质传动带。 （优点：可隔离电机振动；缺点：布置不方 便） 电动机通过柔性联轴器驱动：电机、主轴在同 一轴线上，变频电机，电机经精密动平衡， 柔性联轴器联结。（优点：结构紧凑，回转 精度高；缺点：轴向尺寸增加，机床尺寸增 加） 内装式同轴电动机驱动：电机轴即机床主轴，
➢ 将粗加工、半精加工、精加工合为一体，在一台机床上完 成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。
➢ 可加工高硬度、难加工材料(62左右)，可以钻ø1以下的小 孔。
➢ 加工时间短，经济性能好。
内装式同轴电动机驱动优点
➢主轴是电机的转子，定子装入主轴套筒内， 取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的 结构，减少了振动，增加了可靠性，
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达到 0～42000，甚至更高。
➢结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 ➢噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 ➢回转精度高，摩擦振动小， ➢主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件，
➢ 硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。
五、超高速加工技术发展趋势
超高速切削的发展趋势： 高效高速化； 实用廉价化； 复合化等
超高速磨削技术的发展趋势： 高柔性自动化系统+超硬磨料磨具+各种高速高
效磨削技术。
超高速加工技术关键技术
关键技术： 超高速切削、磨削机理； 超高速主轴单元制造技术； 超高速加工进给单元制造技术； 超高速加工用刀具、磨具； 超高速加工机床支承及辅助单元制造技术； 超高速加工测试技术。
1、超高速切削、磨削机理
随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当 切削线速度达到超过某临界值时，切削温度及切削力会减 小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加
2、 超高速主轴单元制造技术
主轴的驱动方式 电动机通过带传动：变频电机，电机经精密动
平衡，置于单独地基，柔软丝质传动带。 （优点：可隔离电机振动；缺点：布置不方 便） 电动机通过柔性联轴器驱动：电机、主轴在同 一轴线上，变频电机，电机经精密动平衡， 柔性联轴器联结。（优点：结构紧凑，回转 精度高；缺点：轴向尺寸增加，机床尺寸增 加） 内装式同轴电动机驱动：电机轴即机床主轴，
超高速加工技术ppt课件
。随着数控机床、加工中心和柔性制造系统的应 用，使机械加工的辅助工时大大缩短。在这种情 况下，辅助工时在生产过程中占的比重已经较小 ，所以不能通过一味的减小辅助工时来提高生产 率。而切削工时占了总工时的主要部分，成为主 要矛盾，只有大幅减少切削工时，提高切削速度 和进给速度等，才能大幅提高生产率。
概述 • 超高速加工技术的历史背景
超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
• 航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常 采用“整体制造法”，其金属切除量相当大〔一 般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切 削时间。
超高速加工技术的应用
• 美国波音公司的F15战斗机两个方向舵之间的气动减速板 以前需要500多个零件装配而成，制造一个需要交货期为3 个月；而现在应用高速切削技术直接在实体铝合金毛坯上 铣削加工出来交货期只需要几天时间。
超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
✓难加工材料的加工〔如：Ni基高温合金和Ti合金） ✓ 纤维增强复合材料加工 ✓ 精密零件加工 ✓ 薄壁易变形零件的加工
3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
超高速加工技术的相关技术
概述
• 超高速加工技术的内涵和范围 • 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 高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工 技术。
概述
内涵
高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高
的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的
超高速加工技术的发展现状和趋势
• 超高速加工技术的发展趋势 • 超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或
概述 • 超高速加工技术的历史背景
超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
• 航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常 采用“整体制造法”，其金属切除量相当大〔一 般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切 削时间。
超高速加工技术的应用
• 美国波音公司的F15战斗机两个方向舵之间的气动减速板 以前需要500多个零件装配而成，制造一个需要交货期为3 个月；而现在应用高速切削技术直接在实体铝合金毛坯上 铣削加工出来交货期只需要几天时间。
超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
✓难加工材料的加工〔如：Ni基高温合金和Ti合金） ✓ 纤维增强复合材料加工 ✓ 精密零件加工 ✓ 薄壁易变形零件的加工
3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
超高速加工技术的相关技术
概述
• 超高速加工技术的内涵和范围 • 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 高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工 技术。
概述
内涵
高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高
的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的
超高速加工技术的发展现状和趋势
• 超高速加工技术的发展趋势 • 超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或
超高速加工技术 2
粗加工
传统加工方法 精加工
高速切削 少量手工精修
手工精修
加工时间 100 % 图 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
精选课件
12
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣→7手工磨修
a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修 b）高速模具加工的过程
超高速加工技术
超高速加工的基本概念 超高速加工的内涵
高速加工切削速度的范围
超高速加工的特点
超高速加工的应用
超高速加工的关键技术
高速磨削加工精选课件
1
超高速加工的基本概念
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 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。
精物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1931年提出的著名切削理 论认为：一定的工件材料对应有一个临界切 削速度，在该切削速度下其切削温度最高。
在常规切削速度范围内，切削温度温度 随着切削速度的增加而提高。在切削速度达 到临界切削速度后，随着切削速度的增大切 削温度反而下降。
➢工艺系统振动小 在超高速加工中，由于机床主轴转
速很高，激励振动的频率远离机床固有振动频率，因此
可使工艺振动减小，提高加工质量。
精选课件
8
超高速加工的特点
➢ 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；
➢ 热变形小 温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；
A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程
◎钛(Ti)：100-1000m/min
先进制造技术第4章超高速加工技术
单元，电主轴。 快速进给和高加/减速的驱动系统，直线电机驱动。 高性能的高速CNC控制系统。配以高速加工的 CAD/CAM软件。 超硬的刀具材料（包括涂层工艺及材料）。
目前市场上出现的铣削加工机床主轴转速在 20000～60000r/min，最高达到150000 r/min；
20世纪80年代，计算机控制的自动化生产技术的 高速发展成为国际生产工程的突出特点，工业发达国 家机床的数控化率已高达70％～80％。随着数控机 床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用， 使机床空行程动作(如自动换刀、上下料等)的速度和 零件生产过程的连续性大大加快，机械加工的辅助工 时大为缩短。在这种情况下，再一味地减少辅助工时， 不但技术上有难度，经济上不合算，而且对提高生产 率的作用也不大。这时辅助工时在总的零件单件工时 中所占的比例已经较小，切削工时占去了总工时的主 要部分，成为主要矛盾。只有大幅度地减少切削工时， 即提高切削速度和进给速度等，才有可能在提高生产 率方面出现一次新的飞跃和突破。这就是超高速加工 技术(Ultra-high speed machining UHSM)得以 迅速发展的历史背景。。
日本约在20世纪60年代开始了对超高速切削机 制的研究，田中义信利用来复枪改制的超高速切削 装置，实现了高达200～700m/s的超高速切削，对主 切削力和加工表面的变形层性能进行研究。指出： 超高速切屑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％。
W9Mo3Cr4V等。
硬质合金：是由高硬难熔金属碳
化物粉末，以钴或镍为粘接剂，用粉末
冶金的方法制成的。它的硬度可达
74 ～82（90）HRC。目前多用于制 造各种简单刀具，如车刀、铣刀、刨刀 的刀片等。
目前市场上出现的铣削加工机床主轴转速在 20000～60000r/min，最高达到150000 r/min；
20世纪80年代，计算机控制的自动化生产技术的 高速发展成为国际生产工程的突出特点，工业发达国 家机床的数控化率已高达70％～80％。随着数控机 床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用， 使机床空行程动作(如自动换刀、上下料等)的速度和 零件生产过程的连续性大大加快，机械加工的辅助工 时大为缩短。在这种情况下，再一味地减少辅助工时， 不但技术上有难度，经济上不合算，而且对提高生产 率的作用也不大。这时辅助工时在总的零件单件工时 中所占的比例已经较小，切削工时占去了总工时的主 要部分，成为主要矛盾。只有大幅度地减少切削工时， 即提高切削速度和进给速度等，才有可能在提高生产 率方面出现一次新的飞跃和突破。这就是超高速加工 技术(Ultra-high speed machining UHSM)得以 迅速发展的历史背景。。
日本约在20世纪60年代开始了对超高速切削机 制的研究，田中义信利用来复枪改制的超高速切削 装置，实现了高达200～700m/s的超高速切削，对主 切削力和加工表面的变形层性能进行研究。指出： 超高速切屑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％。
W9Mo3Cr4V等。
硬质合金：是由高硬难熔金属碳
化物粉末，以钴或镍为粘接剂，用粉末
冶金的方法制成的。它的硬度可达
74 ～82（90）HRC。目前多用于制 造各种简单刀具，如车刀、铣刀、刨刀 的刀片等。
《超高速加工》课件
切削液的浓度和更换周期
根据实际加工情况和切削液性能确定。
切削力与热控制
切削力监测
实时监测切削力，避免过载或欠载。
冷却系统
采用高效冷却系统，降低切削温度，减少热 变形。
刀具选择
根据加工需求选择合适的刀具材料和涂层， 提高刀具寿命和加工效率。
工件夹持
确保工件牢固夹持，避免因振动或热变形影 响加工精度。
定期对排屑系统进行清理和维护，确保排屑顺畅。
03
超高速加工材料
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
可加工材料种类
金属材料
如钢铁、铜、铝等，是超 高速加工中最为常见的材 料。
非金属材料
如塑料、复合材料、陶瓷 等，随着技术的发展，也 逐渐成为超高速加工的对 象。
复合材料
设备构成
01
02
03
04
主轴系统
超高速加工设备的关键部件， 用于实现高速旋转。
进给系统
确保刀具在加工过程中能够实 现高精度、高速度的进给。
冷却系统
提供高压冷却液，用于带走切 削热量。
排屑系统
负责将切屑迅速排出加工区域 。
设备选型
01
根据加工需求选择合适的超高速加工设备，考虑加工材料、刀 具、工件尺寸等因素。
环保节能
超高速加工技术能够减少切削液的使用和废 弃物的产生，降低对环境的污染。
技术挑战
01
设备成本
超高速加工设备成本较高，对于 中小型企业来说是一大负担。
03
加工材料
超高速加工技术对于加工材料的 硬度和韧性等物理性质有一定的 要求，不是所有材料都适用。
02
技术要求
超高速加工技术需要高技能的操 作人员和技术支持，对于人员素
根据实际加工情况和切削液性能确定。
切削力与热控制
切削力监测
实时监测切削力，避免过载或欠载。
冷却系统
采用高效冷却系统，降低切削温度，减少热 变形。
刀具选择
根据加工需求选择合适的刀具材料和涂层， 提高刀具寿命和加工效率。
工件夹持
确保工件牢固夹持，避免因振动或热变形影 响加工精度。
定期对排屑系统进行清理和维护，确保排屑顺畅。
03
超高速加工材料
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
可加工材料种类
金属材料
如钢铁、铜、铝等，是超 高速加工中最为常见的材 料。
非金属材料
如塑料、复合材料、陶瓷 等，随着技术的发展，也 逐渐成为超高速加工的对 象。
复合材料
设备构成
01
02
03
04
主轴系统
超高速加工设备的关键部件， 用于实现高速旋转。
进给系统
确保刀具在加工过程中能够实 现高精度、高速度的进给。
冷却系统
提供高压冷却液，用于带走切 削热量。
排屑系统
负责将切屑迅速排出加工区域 。
设备选型
01
根据加工需求选择合适的超高速加工设备，考虑加工材料、刀 具、工件尺寸等因素。
环保节能
超高速加工技术能够减少切削液的使用和废 弃物的产生，降低对环境的污染。
技术挑战
01
设备成本
超高速加工设备成本较高，对于 中小型企业来说是一大负担。
03
加工材料
超高速加工技术对于加工材料的 硬度和韧性等物理性质有一定的 要求，不是所有材料都适用。
02
技术要求
超高速加工技术需要高技能的操 作人员和技术支持，对于人员素
超高速加工
2、超高速切削刀具结构
超高速切削刀具的结构主要从加工精度、安全性、 高效方面考虑，如超高速刀具的几何结构和刀具的装 夹结构。 为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力，刀 具的几何角度必须选择最佳数值。如超高速切削铝合 金时，刀具最佳前角数值为 12°～ 15°，后角数值为 13°～ 15°；超高速切削钢材时，对应的是 0°～ 5° 和 12°～ 16°，铸铁对应的是 0°和 12°，铜合金是 8°和16°；超高速切削纤维强化复合材料时，最佳前 角数值为20°，后角为15°～20°。
1、超高速切削的刀具材料
(3) 陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基 和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体 中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得
到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧
化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总 量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占 陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000 m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬
先进机械制造技术—— 超高速加工技术
陈春
目录
一、超高速加工含义 二、超高速加工中的刀具技术 三、超高速切削机床 四、加工策略改变
一、超高速加工的含义
1、超高速加工的定义
超高速加工技术：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。
硬钢、铸铁等。
1、超高速切削的刀具材料
(4) PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通过 金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材料。虽然 它的硬度低于单晶金刚石，但有较高的抗弯强度和韧 性。PCD材料还具有高导热性和低摩擦系数。另外，
超高速加工技术(PPT课件)
➢ 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异
◎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
➢ 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同
◎车削(Turing)：700-7000 m/min
◎铣削(Milling)：300-6000 m/min ◎钻削(Drilling)：200-1100 m/min ◎磨削(Grinding)：50-300 m/s ◎镗削（Boring）：35-75m/min
图 磁浮轴承高速主轴
18
控
放
制
大
器
器
电磁铁（定子） 传感器
转子
图 磁悬浮轴承工作原理
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超高速加工的关键技术 （2）快速进给系统
伺服电动机+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、交流感应异步直线电动机的进给系统。
3 基座 4 磁性轨道 5 直线电机 6 直线导轨7 直 线光栅 8 平台 9 接口电高速切削的刀具系统
表 超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值
22
索引
高速磨削的基本概念
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。
粗铣整体铝板； 精铣去口； 钻680个直径为3mm的小孔。 时间: 32min。
05第二节 高速与超高速加工技术
第三章 先进制造工艺技术
第二节 高速加工及超高速加工技术
一、超高速加工技术的内涵、范围
内涵：采用超硬材料的刃具，通过极大地提 高切削速度和进给速度来提高材料切除率、 加工精度和加工质量的现代加工技术，其切 削速度通常比常规高10倍左右。
不同加工工艺、加工材料 超高速加工切削速度范围
加工 工艺 车削 铣削 钻削 磨削 拉削 铰削 锯削 切削速度范围 切削速度范围 加工材料 （m/min） （m/min） 700~7000 2000~7500 铝合金 300~6000 900~5000 铜合金 200~1100 600~3000 钢 5000~10000 800~3000 铸钢 30~75 ＞500 耐热合金 20~500 150~1000 钛合金 50~500 2000~9000 纤维增强塑料
超高速切削的刀具材料：
涂层刀具、 金属陶瓷刀具、 陶瓷刀具、 立方氮化硼、 聚晶金刚石（PCD）刀具 CBN（立方氮化硼）刀具材料
表1 不同CBN含量的刀片及用途 CBN含量(%) 50 65 80 90 80～90 用 途 连续切削淬硬钢(45HRC～65HRC) 半断续切削淬硬钢(45HRC～65HRC) Ni-Cr铸铁 连续重载切削淬硬钢(45HRC～65HRC) 高速切削铸铁(45HRC～65HRC)， 粗、半精切削淬硬钢
90年代从两个方向上发展：
一、在普通机床的基础上对关键零部件 进行改进； 二、研制完全不同于普通机床的新型结 构机床。
关键技术
进给驱动系统高速化 运动部件较量化和伺服进给控制精密化 新运动原理机床的出现
直线电机驱动系统 ：电动机与滑台刚性连接
X、Y、Z三轴均采用直线电机驱动 、 、 三轴均采用直线电机驱动
1、加工效率高 ：切削速度、进给速度比常规切削高5～10倍， 、 加工时间通常可缩减到原来的1／3。 2、切削力小 ：加工切削力比常规降低30％，单位功率材料切 、 除率可提高 40％以上，通常刀具寿命可提高约70％。 3、热变形小：95％以上的切削热来不及传给工件而被切屑迅 、热变形小： 速带走。 4、加工精度高 ：切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影 、 响小，从而使工件表面的残余应力小，使刀具和工件的变形 小，保持了尺寸的精确性、较好的表面质量。
第二节 高速加工及超高速加工技术
一、超高速加工技术的内涵、范围
内涵：采用超硬材料的刃具，通过极大地提 高切削速度和进给速度来提高材料切除率、 加工精度和加工质量的现代加工技术，其切 削速度通常比常规高10倍左右。
不同加工工艺、加工材料 超高速加工切削速度范围
加工 工艺 车削 铣削 钻削 磨削 拉削 铰削 锯削 切削速度范围 切削速度范围 加工材料 （m/min） （m/min） 700~7000 2000~7500 铝合金 300~6000 900~5000 铜合金 200~1100 600~3000 钢 5000~10000 800~3000 铸钢 30~75 ＞500 耐热合金 20~500 150~1000 钛合金 50~500 2000~9000 纤维增强塑料
超高速切削的刀具材料：
涂层刀具、 金属陶瓷刀具、 陶瓷刀具、 立方氮化硼、 聚晶金刚石（PCD）刀具 CBN（立方氮化硼）刀具材料
表1 不同CBN含量的刀片及用途 CBN含量(%) 50 65 80 90 80～90 用 途 连续切削淬硬钢(45HRC～65HRC) 半断续切削淬硬钢(45HRC～65HRC) Ni-Cr铸铁 连续重载切削淬硬钢(45HRC～65HRC) 高速切削铸铁(45HRC～65HRC)， 粗、半精切削淬硬钢
90年代从两个方向上发展：
一、在普通机床的基础上对关键零部件 进行改进； 二、研制完全不同于普通机床的新型结 构机床。
关键技术
进给驱动系统高速化 运动部件较量化和伺服进给控制精密化 新运动原理机床的出现
直线电机驱动系统 ：电动机与滑台刚性连接
X、Y、Z三轴均采用直线电机驱动 、 、 三轴均采用直线电机驱动
1、加工效率高 ：切削速度、进给速度比常规切削高5～10倍， 、 加工时间通常可缩减到原来的1／3。 2、切削力小 ：加工切削力比常规降低30％，单位功率材料切 、 除率可提高 40％以上，通常刀具寿命可提高约70％。 3、热变形小：95％以上的切削热来不及传给工件而被切屑迅 、热变形小： 速带走。 4、加工精度高 ：切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影 、 响小，从而使工件表面的残余应力小，使刀具和工件的变形 小，保持了尺寸的精确性、较好的表面质量。
第三章 3.7 超高速加工技术
3.7.6超高速加工机床支承及辅助单元制造技术
超高速加工机床的支承及辅助单元制造技术是指 超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工 作台、底座、拖板、刀架等制造技术以及有关超高速 加工的辅助单元制造技术。 其涉及的关键技术主要有；新型材料及结构的支承 构件设计制造技术，快速刀具磨具自动交换和快速工 件装夹自动交换技术，切削磨削液及其供液过滤系统 的研究，超高速主轴和刀具磨具总成后的动平衡技术， 安全防护装置设计制造技术以及超高速加工中干切削 干磨削加工技术的研究等。
优越性： 1 加工时间大大缩短，提高了加工效率和设 备利用率，缩短了生产周期 2 超高速切削力降低30％以上，减少了工件 变形，提高了精度，通时延长了刀具寿命。 3 减少了热变形和内应力，提高精度。 4 加工更平稳
2.高速和超高速磨削技术的发展现状 在高速和超高速磨削技术方面，为了提高磨削效率， 人们开发了高速磨削、超高速磨削、深切缓进给磨削、 高效深切快进给磨削（HEDG）等许多高速高效磨削 技术，这些技术在近20年来得到长足的发展及应用。
超高速加工的切削速度范围因不同的加工材料、 不同切削方式而异，目前尚无确切的定义。一般认为， 超高速加工各种材料的切削速度范围为：铝合金已达 到2000~7500m/min;铸铁为900~5000m/min;钢 为600~3000m/min。各种制造加工工序的切削速度 范围为：车削为700~7000m/min;铣削为 300~6000m/min;钻削为200~1100m/min;磨削 为150m/s以上。 超高速加工技术从发展趋势来看，到21世纪初可 实现超高速加工的材料将覆盖大多数工程材料，可加 工各种表面形状的零件，可由毛坯一次加工成成品， 并实现精密甚至超精密加工。
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➢工艺系统振动小 在超高速加工中，由于机床主轴转 速很高，激励振动的频率远离机床固有振动频率，因此 可使工艺振动减小，提高加工质量。
8
超高速加工的特点
➢ 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；
➢ 热变形小 温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；
A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程
12
电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣→7手工磨修
a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修 b）高速模具加工的过程 图 两种模具加工过程比较
13
超高速加工的应用 （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
2
索引
超高速加工的内涵
德国切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1931年提出的著名切削理 论认为：一定的工件材料对应有一个临界 切削速度，在该切削速度下其切削温度最 高。
在常规切削速度范围内，切削温度温度 随着切削速度的增加而提高。在切削速度 达到临界切削速度后，随着切削速度的增 大切削温度反而下降。
➢ 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同
◎车削(Turing)：700-7000 m/min
◎铣削(Milling)：300-6000 m/min ◎钻削(Drilling)：200-1100 m/min ◎磨削(Grinding)：50-300 m/s ◎镗削（Boring）：35-75m/min
图 热传导对比图
➢ 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）。
9
索引
超高速加工的应用
图 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：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
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。
16
陶瓷轴承高速主轴结构 密封圈 电主轴
πdn 索 引 V= 6 1000
超高速加工的特点
➢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；
图 加工零件
➢ 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
7
超高速加工的特点
➢加工能耗低 超高速切削时，单位功率的金属切除率 显著增大。如克希德飞机制造公司的铝合金超高速铣 销，主轴转速从4000r/min提高到20000r/min，切削力 减少了30%，金属切除率提高了3倍，工件的制造时间 短，从而提高了能源和设备的利用率，适用于材料切 除率要求大的场合，如汽车、模具和航天航空等制造 领域。
粗铣整体铝板； 精铣去口； 钻680个直径为3mm的小孔。 时间: 32min。
图 高速切削加工医用药盒
15
索引
超高速加工的关键技术 （1）高速主轴
高速化单元是高速加工机床最关键的部件。在超高速运转的条 件下，传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能适应要求，为适应这 种切削加工，高速主轴应具有先进的主轴结构和优良的主轴轴承、 良好的润滑和散热系统等。
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 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
14
超高速加工的应用 （3）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 （4）超精密微细切削加工领域。
超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）: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。
➢以切削速度和进给速度界定： 高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。
➢以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。
高速化指标：dn值，至少达到 1×106
进给速度在10m/min以上
当前，主轴高速在结构上几乎全部采用主轴电动机与主轴合二为 一的结构形式，简称电主轴，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 循环系统使主轴在高速旋转时保持恒定的温度。这样的主轴结构精度高 、振动小、噪声低、结构紧凑。
超高速加工技术
超高速加工的基本概念 超高速加工的内涵
高速加工切削速度的范围
超高速加工的特点
超高速加工的应用
超高速加工的关键技术
高速磨削加工
1
超高速加工的基本概念
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
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。
➢ 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异
◎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
10
超高速加工的应用
图 HSM800
图 HSM400
图 HSM600
加工极高表面光洁度的硬 钢HRC62、铝、铜、塑料 工件
11
与最终尺寸差值/mm
超高速加工的应用 （1）模具制造
10 1
0.1 0.01 0.0001
粗加工
传统加工方法 精加工
高速切削
手工精修
少量手工精修
加工时间 100 % 图 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
3
超高速加工的内涵
启示：如果切削速度能超 过切削“死谷”在超高速 区内进行切削，则有可能 用现在的刀具进行高速切 削，从而大大减少切削工 时，成倍的提高机床的生 产率。
萨洛蒙曲线
4
超高速加工的内涵
德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929年进行 了超高速模拟实验。
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索引
高速加工切削速度的范围
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超高速加工的特点
➢ 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；
➢ 热变形小 温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；
A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程
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电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣→7手工磨修
a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修 b）高速模具加工的过程 图 两种模具加工过程比较
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超高速加工的应用 （2）汽车制造
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2
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钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
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超高速加工的内涵
德国切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1931年提出的著名切削理 论认为：一定的工件材料对应有一个临界 切削速度，在该切削速度下其切削温度最 高。
在常规切削速度范围内，切削温度温度 随着切削速度的增加而提高。在切削速度 达到临界切削速度后，随着切削速度的增 大切削温度反而下降。
➢ 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同
◎车削(Turing)：700-7000 m/min
◎铣削(Milling)：300-6000 m/min ◎钻削(Drilling)：200-1100 m/min ◎磨削(Grinding)：50-300 m/s ◎镗削（Boring）：35-75m/min
图 热传导对比图
➢ 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）。
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超高速加工的应用
图 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：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
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。
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陶瓷轴承高速主轴结构 密封圈 电主轴
πdn 索 引 V= 6 1000
超高速加工的特点
➢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；
图 加工零件
➢ 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
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超高速加工的特点
➢加工能耗低 超高速切削时，单位功率的金属切除率 显著增大。如克希德飞机制造公司的铝合金超高速铣 销，主轴转速从4000r/min提高到20000r/min，切削力 减少了30%，金属切除率提高了3倍，工件的制造时间 短，从而提高了能源和设备的利用率，适用于材料切 除率要求大的场合，如汽车、模具和航天航空等制造 领域。
粗铣整体铝板； 精铣去口； 钻680个直径为3mm的小孔。 时间: 32min。
图 高速切削加工医用药盒
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索引
超高速加工的关键技术 （1）高速主轴
高速化单元是高速加工机床最关键的部件。在超高速运转的条 件下，传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能适应要求，为适应这 种切削加工，高速主轴应具有先进的主轴结构和优良的主轴轴承、 良好的润滑和散热系统等。
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 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）
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超高速加工的应用 （3）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 （4）超精密微细切削加工领域。
超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）: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。
➢以切削速度和进给速度界定： 高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。
➢以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。
高速化指标：dn值，至少达到 1×106
进给速度在10m/min以上
当前，主轴高速在结构上几乎全部采用主轴电动机与主轴合二为 一的结构形式，简称电主轴，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 循环系统使主轴在高速旋转时保持恒定的温度。这样的主轴结构精度高 、振动小、噪声低、结构紧凑。
超高速加工技术
超高速加工的基本概念 超高速加工的内涵
高速加工切削速度的范围
超高速加工的特点
超高速加工的应用
超高速加工的关键技术
高速磨削加工
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超高速加工的基本概念
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
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。
➢ 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异
◎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
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超高速加工的应用
图 HSM800
图 HSM400
图 HSM600
加工极高表面光洁度的硬 钢HRC62、铝、铜、塑料 工件
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与最终尺寸差值/mm
超高速加工的应用 （1）模具制造
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0.1 0.01 0.0001
粗加工
传统加工方法 精加工
高速切削
手工精修
少量手工精修
加工时间 100 % 图 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
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超高速加工的内涵
启示：如果切削速度能超 过切削“死谷”在超高速 区内进行切削，则有可能 用现在的刀具进行高速切 削，从而大大减少切削工 时，成倍的提高机床的生 产率。
萨洛蒙曲线
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超高速加工的内涵
德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929年进行 了超高速模拟实验。
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高速加工切削速度的范围