高速加工与超高速加工
超精密加工与超高速加工技术
超精密加工与超高速加工技术第一篇：超精密加工与超高速加工技术超精密加工与超高速加工技术一、技术概述超高速加工技术是指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。
超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。
目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150-1000m/min，纤维增强塑料为2000-9000m/min。
各种切削工艺的切速范围为：车削700-7000m/min，铣削300-6000m/min，钻削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。
超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。
超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。
超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。
二、现状及国内外发展趋势1．超高速加工工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。
在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。
在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。
目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。
超精密加工与超高速加工技术
术工技加工与超高速加超精密一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速。
技术和加工质量的现代加工度和进给速度来提高材料切除率、加工精度超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。
目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。
各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻以上等等。
削250m/s削200~1100m/min，磨超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具等。
术在线自动检测与控制技制造技术，超高速加工-c超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra 小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm 的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。
超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术研究。
条件和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境展趋势外发二、现状及国内高速加工．超1工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。
在此项技术中，意大利等。
国、主要有德国、日本、美处于领先地位的国家在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。
目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。
切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min 提高到1200m/min 以上。
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。
高 速 加 工 概 述
•高速加工概述•高速加工的基本概念•高速切削的优点:2、切削力可降低30%以上特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工。
3. 减少切削热对机床和刀具的影响90%以上的切削热来不及传给工件被切屑带走，工件基本上保持冷态，适合加工容易热变形的零件。
4 机床的激振频率特别高远离“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，能加工精密、非常光洁的零件。
5 可以加工难加工材料例如镍基合金和钛合金，100-1000 m/min,为常规切速的10倍左右。
可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。
6 高速硬切削•高速加工的优点一模具加工高速加工应用的领域之一是在模具制造中采用CBN刀具对淬硬钢进行高速铣削和车削（称为“硬切削”），替代或部分替代电火花加工和磨削加工，可使切削效率可提高几十倍，并可大幅度缩短模具的制造周期。
•加工模具•高速切削一次完成全部工序•航空和宇航航空和宇航工业是高速加工的主要应用领域。
一是其加工材料为铝合金和钛合金，适于高速切削，二是其零件常具有厚度极薄的壁和筋（最小薄到只有0.05-0.lmm），刚度很差。
近来最新趋势是对大型整体铝合金坯料采用掏空的加工工艺来制造机翼、机身等大型零件，以替代多个小型零件的拼装和铆接，既可省去装配工时和工装，还可使构件的强度、刚度得到较大的提高。
整体加工法•高速加工大型飞机零件为了适应主轴超高速、特大功率和超长X行程的需要，在加工航空铝、镁合金零件的大型机床上也采用了直线电机作高速直线驱动，进给速度最高达60m/min，快速移动为100m/min，加速度达2g。
试切一件薄壁飞机零件，只花了30分钟，而同样的零件在一般高速铣床上加工需要3小时，在普通数控铣床则需8小时。
•二、高速切削的基础理论1 萨洛蒙高速切削假设和实验•萨洛蒙对各种金属“切削速度与切削温度关系”的实验曲线和推论曲线•高速切削的分析模型•高速加工的问题和难点•高速加工系统化新技术•高速加工已经不是难题•高速和五轴加工技术•高速加工的CAD模型要求•确保造型精度至少要与加工精度一致；•小心在数据转换中造成的错误；•避免在加工模型中存在隐性特征如需要刀具直径来保证的内部导角等；•避免在加工模型中存在不能或不必要的特征；•加工模型造型中所花费的准备时间能大大节省编程和加工的时间，提高制造效率。
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。
第三章先进制造工艺技术(超高速加工)
床身结构
➢落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的 主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚 至三轴的线性移动。
➢由于刀具重量变化极小，在工件乃至工作台 不进行快速线性移动的情况下， 机床快速线 性移动的部件的重量近乎常量，更容易实现 快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动 态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定， 保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。
内装式同轴电动机主轴温升
➢ 热升温引起主轴热变形的解决办法：采用电子传 感器控制温度，使用水冷或油冷循环系统，使主 轴在高速下成为“恒温”；而用油雾润滑、混合 陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿 命、高精度。
➢ 举例：STEP－TEC的电主轴采用了矢量式闭环控 制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷 轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主 轴在全部工作时间内温度衡定。
➢常用材料：涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化 钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼 (CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金 刚石(PCD)等。
➢各种常用材料的高速切削速度：铝合金 1000～7000m/min；铜合金900～5000m/min； 钢500～2000m/min;灰铸件800～3000m/min。 其进给速度范围一般为2～25m/min。
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达 到0～42000r/min，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，
超高速加工技术ppt课件
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
机械制造的新工艺和新方法
机械制造与自动化的新工艺和新方法随着机械工业的发展和科学技术的进步,机械制造工艺的内涵和外延不断发生变化常规工艺不断优化并普及,原来十分严格的工艺界限和分工，如下料和加工、毛坯制造和零件加工,粗加工和精加工、冷加工和热加工等在界限上逐步趋于淡化，在功能上趋于交叉,各种先进加工方法不断出现和发展。
以下为一些机械制造的新工艺和新方法：1、超高速加工技术超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和高速运动的自动化制造设备，以极大的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加工技术。
超高速加工能使被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某个极限值，使切削加工过程所消耗的能量、切削力、加工表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量、加工效率等明显优于常规切削速度下的指标，它是提高切削和磨削效果、提高加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。
与常规切削加工相比，超高速加工有以下优点：（1）随着进给速度的提高,单位时间内材料的切除率可以增加3—6倍，可以大幅度缩短零件加工的切削工时，显著提高生产率.（2)切削力可以降低30%以上。
（3）切削过程极其迅速,95%以上的切削热被切屑带走，来不及传给工件，故特别适合加工容易热变形的零件.（4)机床作高速运转，振动频率特别高,工作平稳振动小,因而能加工非常精密、非常光洁的零件。
2、超精密加工技术超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺。
目前超精密加工的主要手段有：金刚石刀具超精切削,金刚石砂轮和CBN砂轮超精密磨削、超精密研磨和抛光、精密特种加工和复合加工.金刚石砂轮超精密磨削是当前超精密加工的重要研究方向之一,其主要加工方式有外圆磨、无心磨、、沟槽磨和切割等，被加工材料有陶瓷、半导体等难加工材料,其关键技术包括金刚石砂轮的修整、微粉金刚石砂轮超精密磨削等.金刚石砂轮的修整包括整形和修锐两部分，对于密实型无气孔的金刚石砂轮，如金属结合剂金刚石砂轮，一般在整形后还需要修锐;有气孔型陶瓷结合剂金刚石砂轮在整形后即可使用。
第三章 先进制造工艺技术(超高速加工)讲解
刀具材料发展与车削高速化的关系
4、超高速加工机床支承及辅助单元 制造技术
数控系统 床身结构 导轨 驱动电机：直线电机 刀具的材料和技术 采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷 却润滑液。 其他 支撑环境
数控系统
可同时控制8根以上轴，实现五轴联动。多个 CPU，数据块处理时间不超过0.4ms；配置功能 强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力 强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干 预，随时修改。外接插口，数据传输速度快， 甚至可与以太网直联；加上全闭环的测量系统， 配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动 可以实现1～2g的加速和减速运动。 矢量式闭环控制：借助数/模转换，将交流异步 电动机的电量值变换为直流电模型，具有无电 刷的交流电机的优点，即在低转速时，保持全 额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和 制动。
50年代末期，得到科学家和工程师的重视展开了一系列 模拟实验。 1977年美国第一次在真正的机床上实现了超高速切削。
80年代中期德国darsmtadt大学和40多家制造企业在政 府的资助下，对高速机床、刀具、控制系统和安全防护等进 行全面研究。其研究成果反映在H.Schulz教授的专著《金 属和非金属的高速铣削》中。
三、高速切削、磨削的优点
小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量极小，因而机床 主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长， 同时刀具 寿命也延长了。 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(62HRC左右)，可以钻ø1mm以 下的小孔。 加工时间短，经济性能好。
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，
高速加工技术--
长期以来 ，传统的加工方式是“重蓝切屑”加工方式，它的特点是 切屑深度大，进给速度和旋转速度较低，在低速范围内需较大的扭 矩，根据标准直流电机最大速度和扭矩关系，需要较大的齿轮传动 速比。这种加工方式不可避免地给工件和机床带来较大的力负荷和 热负荷。
HSC技 术 是“快、轻切削”方式，切削深度较小，但是切削速度 却可以提高5-10倍。这意味着在主轴轴承、刀具和工件上的切削力 负荷较小，同时因为产生的热量大部分被切屑带走，工件和刀具上 的热负荷较小。
试验可以证明，随着切削速度的提高，切削过程中产生的热负荷减 少，这样可以延长刀具寿命，并能获得较好的表面加工质量(在加工 表面没有“微焊接效应”)。
传统 加 工 中工件材料、刀具材料及刀具的几何角度、切削用量及 零件的几何结构是影响切削效率和加工质量的主要因素。考虑到切 削力、切削变形和刀具磨损对加工的影响，在粗加工时采用大吃刀 量和大进给量以提高加工效率，而在精加工时则采用小吃刀量和小 进给量以保证表面加工精度，因而在加工大型薄壁零件、难加工材 料及几何结构复杂零件时其加工工艺复杂，加工时间长。
3.4 机床
HSC要求机床床身能快速移动，所以不充分考虑机床本身的设计就 不能把数控系统的高性能转化成高质量的切削性能和可靠的操作。
首先 是 定 位精度的问题。HSC要求CNC能快速处理大量的数据保 证快速的进给和保证机床的加速、减速性能，但是所有这些不能以 损失定位精度为代价。光是实现CNC对数据的快速处理是不够的， 机床必须携带巨大的负载做准确的三维甚至五维移动，当机床做插 补运动时，三个甚至五个伺服电机同时驱动滚珠丝杆或齿轮齿条把 回转运动转换成直线运动，电机必须有足够的动力克服机械运动阻 力、切削力和工件的重量。
高速与超高速加工技术解析
高速加工技术的发展与应用 高速加工技术的应用
1.在航空、汽车工业中的应用 2.在模具制造领域的应用 3.在特殊材料加工的应用
整体叶轮加工图
石墨电机加工
薄壁加工
高速加工技术的发展与应用 高速加工技术的关键技术
①高速主轴 ②快速进给系统 ③高性能的CNC控制系统 ④先进的机床结构 ⑤高速切削的刀具系统
超高速切削概念示意图
概述 高速和超高速切削的特点
①可减少工序，提高生产率 ②切削力小，热变形小 ③加工精度高 ④加工能耗低，节省制造资源
高速加工技术的发展与应用 高速加工技术的发展与现状
高速加工技术的发展的发展经历了高速切削的理论探索、 应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段。美国 60年代初由空军主持开始超高速切削机理研究。德国自 1984年开始至今，对超高速切削机床、刀具等相关技术 进行系统的研究。日本于20世纪60年代着手高速切削机 理的研究，现在已后来居上，跃居世界领先地位。20世纪 90年代以来发展更迅速，于1996年研制出了日本第一台 卧式加工中心，日本先端技术研究会把超高速切削 列为 五大现代制造技术之一。如今，美、德、日、法、瑞士、 意大利生产的不同规格的各种 商业化超高速机床已经进 入市场，应用于飞机、汽车及模具制造。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，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。
高速加工技术的关键技术 高速主轴
高速主轴单元是高速加工机床最关键的部件。在超高速运转的情况下， 传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能满足要求，为适应这种切削加 工，高速主轴应具有先进的主轴结构，优良的主轴轴承，良好的润滑 和散热等新技术。
超高速加工
超高速加工（High spttd Cutting，简称HSC）的概念是在本世纪的20年代由德国人Saloman最早提出的，并于1931年申请了专利。
而真正将HSC技术应用于实践则是在80年代初。
到了80年代中期开始将HSC技术应用于机床制造业。
可见，从对超高速加工概念的提出到研究，并应用于机械制造业的产品加工过程中，实践验证超高速加工技术首先被机械产品制造行业所应用并推广。
一、模具及成型制造中采用HSC技术的优势随着HSC技术研究的不断深入，特别是高速旋转主轴性能的提高及耐磨刀具的发展，在模具及成型制造中超高速加工技术的应用越加广泛。
一是工具钢及铸铁模具的直接加工，特别是半精加工及精加工；二是铜电极、石墨电极的高速加工；三是产品样件及铝制工件的高速加工。
在模具及成型制造的成本结构中，单件生产或小批量生产的机械加工占据了时间及总成本的大部分。
而机械加工中，半精加工及精加工约占成本的50%左右。
HSC技术的引进，使切削速度和进给速度大幅提高，不仅可以缩短模具机加工的时间，而且通过合理选择半精加工及精加工参数，使表面加工质量及刀具寿命都有较大提高。
实验结果表明，应用HSC技术后可使后续加工中手工研磨时间节约近80%，成本费用节约近30%，表面加工精度可达1微米，刀具切削效率提高100%。
1996年汉诺威大学IFW研究所对300个美国、日本、德国的企业进行了一次国际性调研（美国和日本是在50年代末60年代初开始涉足HSC领域的），结果显示未来模具及成型制造技术发展趋势主要体现在两个方向：CAD系统中数控编程技术、高速加工技术。
二、超高速加工的基本工艺要求为缩短加工时间、延长刀具使用寿命和提高加工质量，在半精加工及精加工中应尽可能满足如下要求：1.采取（3+2）轴加工方式，刀具与加工表面法向夹角为10°～30°，顺向拉铣。
在这种方式下，切削过程的工艺性稳定，且能获得较长的刀具寿命。
特别是用长刀杆刀具加工深槽时，满足这一要求尤其重要。
试述超高速加工机制
试述超高速加工机制一、高速加工的概念与特征高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工充围，很难就高速加工的速度给出一个确切的定义。
概括地说，高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料切除率，并伤证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。
高速加工优越特征,(1)切削力低(2)热变形小(3)材料切除率高(4)高精度(5)减少工序二、高速加工理论与发展高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。
在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速和则是实现超高速加工的关键设备。
三、高速加工技术的发展与应用高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段。
各工业国家相继投入大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安全装置以及高性能cng控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应用提供了基本条件。
目前的高速切削机床均采用了高速的电主轴部件；进给系统多采用大导程多线滚珠丝杠或直线，直线电动机最大加速度可达2-10g；cng控制系统则采用32或64位多cpu系统，以满足高速切削加工对系统快速数据处理功能；采用强力高压的冷却系统，以解决极热切屑冷却问题；采用温控循环水来冷却主轴电动机、主轴轴承和直线电动机，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件；采用更完备的安全保障措施来保证机床操作者以及在周围现场人员的安全。
在高速加工的工艺参数选择方面，国际上还没有面向生产的实用数据库可供参考，但在工件材料切削参数的研究方面取得了进展，使一些难加工材料，如镰基合金。
05第二节 高速与超高速加工技术
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。
超高速加工技术
超高速加工技术070212班：王川前言：现在随着工业技术的进一步发展，超高速度切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛地被应用于模具、航空、高速机车和汽车工业等领域，并应取得了巨大的经济效益。
尤其在模具制造工业中，德国、日本、美国等大约有30%-50%的公司用超高速切削加工技术。
这样做的优点既是加工效率高，质量好，又减少了后续的手工打磨和抛光工序。
在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90%。
采用超高速切削加工技术，加工时间按缩短到原来的几分之一。
汽车工业发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用超高速切削加工技术，大大地提高了加工效率，降低成本。
此外，超高速切削加工技术还应用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表等加工领域。
我国的超高速切削加工技术最早应用于轿车工业，20世纪80年代后期相继从别的先进国家引进了轿车自动生产线，其中大量应用了超高速切削加工技术。
近年来，我国航天、航空、汽轮机磨具等制造行业也引进了大量加工中心和数控机床，都不同程度地开始推广应用超高速切削加工技术。
超高速加工是切削加工发展的方向，在21世纪必将成为切削加工的主流。
作为先进制造技术的一项全新的共性实用技术，超高速切削加工技术将克服当前存在的一些技术障碍，在未来得到更好的发展！（图一）：超高速铣削（图二）：超高速钻削一、“超高速加工”概念：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加工高10倍左右。
(1)、超高速加工的“前提”和“先决条件”：超硬材料刀具刀具材料：从碳素钢和合金工具钢，高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石、立方氮化硼、氮化硅及聚晶立方氮化硼等。
刀具结构：主要有“整体”和“镶牙”两类。
“镶牙刀具”主要采取机夹结构。
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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
4. 超高速切削机床结构
重心驱动龙门式机床结构： --重心驱动即为驱动力
作用于移动部件的重心， 抑制加减速所引起的振动 干扰，可提高加减速性能。 --从0到12000r/min加速 时间仅为1.1s。
1.2 超高速切削加工关键技术
4. 超高速切削机床结构
直线电机驱动高速平面磨床 磨削速度125m/s，工作
台往复1000st/min，是普通 磨床10倍。
1.3 超高速磨削技术
超高速主轴在线动平衡 由于砂轮组织结构
不规则性，任何微小不 平衡均引起较大离心力 ，加剧磨削振动，为此 必须配备在线自动动平 衡装置。
高速主轴动平衡系统 1.信息传送单元 2.紧固发兰盘 3.电子驱动平衡块 4.磨床主轴
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： 磁浮轴承--间隙一般在
0.1mm左右，允许更高转 速，达4.0*106以上，控 制结构复杂。
1.2 超高速切削加工关键技术
3. 超高速切削机床的进给系统 滚珠丝杆+伺服电机：加速度达0.4－0.6g，
进给速度达40-60m/min。
单元三 先进制造工艺技术
复习与提问
先进制造系统由哪些要素组成，如何来进 行工作？
导入
ETC3650h精密数控车床
XKA714数控铣床
导入
热场发射扫描电镜
端面高温摩擦磨损试验机
三、先进制造工艺技术
1. 高速与超高速加工技术 2. 材料受迫成形工艺技术 3. 现代特种加工技术 4. 精密、超精密及纳米加工技术
1.1 高速与超高速切削技术概述
超高速切削技术
1.1 高速与超高速切削技术概述
什么是绿色切削技术？
1.2 超高速切削加工关键技术
1．超高速切削的刀具系统
对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损，红硬性 好；转速高，要求良好的动平衡，安全可靠定位。
刀具材料选用：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石 刀具、立方氮化硼刀具。
高速磨削特点： （1）提高磨削效率和磨削精度; （2）若切除率不变，则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小； （3）若维持切削力不变，可提高进给率，缩短加工时间，提
高生产效率； （4）可磨代车，以磨代铣，大幅度提高生产效率，降低生产
成本。
1.3 超高速磨削技术
超高速磨削关键技术 1．超高速磨削砂轮 2．超高速磨床结构 3．超高速主轴在线动平衡 4．冷却润滑液
立方氮化硼刀具
钎焊金刚石钻头
1.2 超高速切削加工关键技术
1．超高速切削的刀具系统
HSK刀柄夹持系统
HSK刀柄结构
1.2 超高速切削加工关键技术
2．超高速切削的主轴系统
高速主轴-电主轴：精度高、振动小、噪音低、结构紧凑
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： 陶瓷混合轴承— 轴承滚珠为氮化硅陶瓷。密
并联式机床结构： 用各类杆系机构驱动主轴部件， 形成所需的刀具运动。 机床结构简单紧凑、刚度高、 动态性能好。
六杆并联机床结构
Ingersoll公司六腿并联机床
1.3 超高速磨削技术
高速磨削速度： 常规磨削速度： <35m/min； 高速磨削速度： >50m/min; 最高磨削速度： 达500m/s； 实用高速磨削速度： 100m/s-250m/s。
1.1 高速与超高速切削技术概述
常见几种材料高速切削速度区域
1.1 高速与超高速切削技术概述
高速与超高速切削特点
1）工件热变形减小、加工精度较高 2）有利于保证零件的尺寸、形位精 度 3）可获得较好的已加工表面质量和 较小的表面粗糙度值 4）工艺系统振动减小 5）显著提高材料切除率、提高生产 效率 6）加工能耗低，节省制造资源
1.3 超高速磨削技术
冷却润滑液
冷却润滑液流速对冷却润滑效果的影响
V液大于等于V砂： 润滑效果好
V液小于V砂：
清洗效果好
1.4 超高速铣削技术
1．超高速铣削的技术特点 1）生产效率高，成本低 2）加工精度高 3）加工表面质量好 4）适于加工薄壁类精细零件
1.4 超高速铣削技术
2．超高速铣削的关键技术 超高速铣削刀具几何角度：超高速铣削高硬度钢
直线电机：没有机械传动间隙和弹性变形，没有反向间 隙，是未来机床进给传动的基本形式。进给速度可达 300m/min，加速度可达2.5-10g。
1.2 超高速切削加工关键技术
3. 超高速切削机床的进给系统
直线电机驱动系统
1.2 超高速切削加工关键技术
4. 超高速切削机床结构
先进机床结构：
要求床身有足够刚度、强度，高阻尼和热稳定 性；立柱与底座为整体结构；高阻尼特性材料-聚 合物混凝土；防弹玻璃观察窗。