先进制造工艺+高速超高速切削技术
先进制造工艺技术高速切削
进给速度
合理设置进给速度，以保 证加工表面质量和刀具寿 命。
切削深度
根据刀具和工件材料特性， 选择合适的切削深度，以 获得良好的加工效果。
加工过程的监控与检测
01
切削力监测
通过实时监测切削力变化，可以 判断刀具磨损情况和调整切削参 数。
02
加工表面质量检测
03
刀具磨损监测
采用表面粗糙度仪、光学显微镜 等方法检测加工表面质量，以确 保加工精度和降低不良率。
高速切削适用于多种材料加工 ，包括钢、铸铁、有色金属等
，扩大了加工范围。
高速切削对机床的要求
高转速主轴
高进给系统
为了实现高速旋转的刀具，机床需要配备 高转速的主轴，通常转速范围在每分钟数 千转到数万转之间。
为了实现高速进给的切削方式，机床需要 配备高进给的传动系统和控制系统，确保 切削过程的稳定性和准确性。
刀具涂层
涂层技术能够提高刀具表面的硬度 和耐磨性，降低摩擦系数，从而提 高切削速度和加工效率。
刀具结构
采用合理的刀具结构和几何参数， 如刀尖圆弧半径、切削刃倾角等， 能够改善切削效果，减少刀具磨损。
切削液技术
切削液种类
选择合适的切削液对于降低切削 温度、减少刀具磨损和提高加工 表面质量至关重要。常用的切削 液有油基、水基和半合成切削液
集成电路芯片。
高速切削技术能够实现高精度、 高效率的加工，满足电子信息产 业对产品精度和一致性的高要求。
高速切削技术的应用还有助于提 高电子信息产品的性能和可靠性，
降低生产成本。
05 高速切削技术的发展前景 与挑战
高速切削技术的发展前景
高效加工
高速切削技术能够显著提高加工效率，缩短产品 制造周期，降低生产成本。
高速切削加工技术
基本结构
进给机构 CNC控制 冷却系统
高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关 技术要求较高，使其应用受到限制。
与高速加工密切相关的技术主要有：
○ 高速加工刀具与磨具制造技术； ○ 高速主轴单元制造技术； ○ 高速进给单元制造技术； ○ 高速加工在线检测与控制技术； ○ 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技
术、安全防护技术等。
此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具 有重要意义。
高速切削 加工的关 键技术
高速主轴系统
高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主 轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转 速高达100000-150000rpm的加工中心。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 擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必 须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1) 要求结 构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停 性能；(2) 足够的刚性和高的回转精度；(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。
• 高速切削已成为当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发 达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。
第 一 章 节 • 人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。
高速切削的特点
随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减 少，切削效率提高3～5倍。加工成本可降低20％-40％。
高速切削加工在国内的研究与应用
高速切削加工在国内的研究与 应用
20世纪90年代后，我们先后相继研究了模具高速切削加工技术与策 略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、 刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。
高速加工与超高速加工
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
先进制造技术名词解释
先进制造技术名词解释：1、快速原型制造技术：采用离散、堆积成型的原理，由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。
6、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材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。
7、超高速切削理论（萨洛蒙曲线）：在常规切削速度范围内（A）切削温度随切削速度增加而提高，但是，当切削速度增大至某一数值Ve后，切削速度再增加切削温度反而降低, Ve值与工件材料有关，对每种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，切削温度太高，任何刀具无法承受，称为“死谷”。
如果能够超过这个“死谷”而在超高速区进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成功地提高机床的生产率。
超精密加工：指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。
包括微细加工和超微细加工、精整和光整加工。
8、精密加工技术：加工精度在10-0.1um，表面粗糙度值0.3-0.03 um的加工技术。
9、超精密加工技术：指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。
包括微细加工和超微细加工、精整和光整加工。
11、虚拟轴机床：基座与主轴平台间由六根杆并联地连接，六根杆同时相互耦合地作伸缩运动来确定平台的运动，由六根杆分担受力，且只承受拉力或压力。
具有刚度高，移动部件质量小，结构简单以及相同零件多的优点。
13、插补原理：CNC系统依据输入的基本数据，将工件轮廓形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给指令。
14、数控技术：指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。
16、ERP(企业资源计划)：将客户需求和企业内部制造活动以及供应商的制造资源整合在一起，体现完全按需求制造的思想。
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。
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。
先进制造技术在车工中的研究进展和应用简介
先进制造技术在车工中的研究进展和应用简介先进制造技术在车工领域的研究和应用已经取得了显著的进展。
下面是关于这方面的简要介绍：1.数控车床：数控车床是一种自动化加工设备，通过预先编程的指令控制刀具在工件上进行切削。
它具有高精度、高效率和灵活性的优势，可以用于制造复杂形状的零部件。
随着计算机技术的不断发展，数控车床在车工领域的应用越来越广泛。
2.高速切削技术：高速切削是指在高速旋转状态下进行切削的工艺。
它利用高速切削刀具和先进的冷却系统，能够在更短的时间内完成加工任务，提高生产效率。
高速切削技术还可以减少加工过程中的振动和切削力，从而改善加工表面的质量。
3.超硬刀具材料：超硬刀具材料，如立方氮化硼（CBN）和金刚石，具有极高的硬度和耐磨性。
这些材料在车工中被广泛应用于加工难加工材料，如高温合金和硬质合金。
超硬刀具能够提供更长的刀具寿命和更高的加工精度，同时减少停机时间和更换刀具的频率。
4.刀具磨削技术：刀具磨削技术是制造和修复刀具的关键工艺之一。
先进的磨削技术可以实现高精度、高效率的刀具制造和修复，进而提高整体的生产效率。
近年来，一些新型的磨削方法和磨削设备得到了广泛应用，如超声波磨削、电火花磨削和磁力磨削等。
5.智能化与自动化：随着人工智能和机器人技术的快速发展，智能化和自动化在车工领域得到了广泛应用。
智能车床和机器人系统能够通过传感器和控制系统实现自动化加工过程的监测和调整，提高生产效率和加工精度。
此外，数据分析和预测算法的应用也使得生产计1/ 2划和资源调度更加智能化。
综上所述，先进制造技术在车工领域的研究和应用涉及数控车床、高速切削技术、超硬刀具材料、刀具磨削技术以及智能化与自动化等方面。
这些技术的应用不仅提高了加工效率和精度，还为制造业带来了更大的发展潜力。
2/ 2。
先进制造技术 第2章 高速切削技术2-1
萨洛蒙在l924一1931年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m／min， 在各种进给速度下，使用了多达20齿的螺旋铣刀。l931年 申请了“超极限速度”专利，随后卖给了“Krupp钢与工 具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。
刀具磨损曲线
三、高速切削切屑形成
高速切削试验表明，工件材料及 性能对切屑形态 有决定性影响。
低硬度和高热物理性能的工件材料（铝合金、低碳钢、未 淬硬钢等）易形成连续带状切屑。 高硬度和低热物理性能的工件材料（钛合金钢、未淬硬钢 等）易形成锯齿状切屑。
切削速度对切屑形态有重要影响。对钛合金，在 （1.5~4800)m/min的切削速度范围内形成锯齿状 切屑，随切削速度的增加，锯齿程度（锯齿的齿 距）在增加，直至成为分离的单元切屑。
不同切削速度下车削45钢件的切削形态。
一方面，切削速度增加，应变速度加大，导致脆 性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削 速度增加，切屑温度增加，导致脆性降低，不易 形成锯齿状切屑；
绝热剪切理论（Adiabatic Shear Theory) 周期脆性断裂理论（Periodic brittle fracture theoty）
萨洛蒙（Salomon）曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃
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。
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。
先进制造技术第4章超高速加工技术
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。
第2章现代制造工艺技术ppt课件全
2.1.4 超高速切削加工的关键技术
超高速电主轴结构
1、2 、 5－密封圈;3－定子;4－转子;6－旋转变压器转子; 7－旋转变压器定子;8－螺母
2.1.4 超高速切削加工的关键技术
2）快速进给系统 要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有很
高的定位精度。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件 重量以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠，或采用直线 电机，省去了中间传动件。
2）多砂轮磨削 多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加工 零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达8片以上，砂
轮组合宽度达900～1000mm。在生产线上，采用多砂轮磨
床可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用在外圆和 平面磨床上，内圆磨床也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。
2.2 高效磨削技术
几种常见（超）高速加工中心的技术数据：
VCP/UCP 600 /800
主 轴 转 速 ： 12000/20000/42000 转/分 工作行程：X轴：600/530mm
Y轴: 450 mm Z轴: 450mm 快移速度：22 米/分 工作进给：15 米/分 刀库容量：30把
VCP/UCP 710
VCP/UCP 1000/1350
图2-3 BIG-PLUS刀柄系统
2.1.4 超高速切削加工的关键技术
图2-4 HSK刀柄系统
2.2 高效磨削技术
1. 高速重负荷荒磨
其砂轮线速度普遍达到了80m/s，有的高达120m/s；磨削 法向力通常达到了10000～12000N，有的高达30000N； 磨削功率一般为100～150kW，有的高达300kW；材料去 除率可达150kg/h。
第二章 现代制造工艺技术
超高速切削的发展现状
超高速切削的发展现状超高速切削是一种先进的切削加工技术，采用高速转速和小切削深度进行切削，能够有效提高切削效率和加工精度。
本文将对超高速切削的发展现状进行详细介绍。
超高速切削技术的发展可以追溯到20世纪60年代，当时由于切削过程容易产生几何形状的误差和表面质量问题，因此一直未能得到广泛应用。
随着计算机数控技术和精密制造技术的快速发展，超高速切削技术在上世纪80年代出现了突破性的进展。
发展初期，超高速切削主要用于加工金属材料，如铝合金、镁合金等，通过提高切削速度和减小切削深度，大大提高了切削效率和表面质量。
随着材料科学和刀具制造技术的进步，超高速切削技术逐渐应用到切削硬度较高的材料，如钢、铁等。
近年来，随着新材料和复杂工件的出现，超高速切削技术迎来了新的发展机遇。
首先是新材料的应用，如高性能陶瓷、纳米材料等，这些材料具有高硬度和高韧性，传统切削技术难以满足对其加工精度和表面质量的要求，而超高速切削技术能够有效解决这一问题。
其次是复杂工件的加工，如汽车发动机缸体、飞机发动机叶片等，这些工件形状复杂，表面精度要求高，传统加工方法效率低、成本高，而超高速切削技术具有快速、高效的优势。
随着超高速切削技术的不断发展，相关设备和工具也在不断更新迭代。
首先是刀具材料的优化，采用纳米材料、复合材料等先进材料制造刀具，能够提高切削效率和切削质量。
其次是机床的改进，采用高刚性、高速度的数控机床，能够满足高速切削的要求。
同时，先进的控制系统和传感器技术的应用，能够实时监测切削过程中的温度、压力等参数，保证整个加工过程的稳定性和安全性。
超高速切削技术的发展带来了巨大的经济效益和社会效益。
首先是加工效率的提高，相比传统切削技术，超高速切削能够大幅度提高切削速度和加工效率，节约了生产时间和成本。
其次是加工精度和表面质量的提升，超高速切削能够实现微米级的精度和纳米级的表面粗糙度，满足了高精度工件的需求。
此外，超高速切削技术还可以减少切削力和切削温度，降低刀具磨损和能量消耗，从而延长刀具寿命，减少了对自然资源的消耗，对环境保护具有积极意义。
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。
超高速超精密加工技术主要内容
高可靠性
超高速超精密加工技术可以保证加 工过程的稳定性和可靠性，减少故 障和误差。
技术挑战
设备成本高
超高速超精密加工设备成本较高，需要大量的资 金投入。
技术难度大
超高速超精密加工技术难度较大，需要高技能的 技术人员操作和维护。
加工材料有限
纳米级加工技术是利用纳米级的加工工具和工艺来制造纳米 级零件和结构的技术。
详细描述
纳米级加工技术采用特殊的加工工具和工艺，如纳米压印、 纳米光刻等，实现纳米级别的加工精度。该技术能够制造出 具有纳米级精度和复杂结构的零件和结构，广泛应用于微电 子、生物医学等领域。
加工设备与工具
总结词
加工设备与工具是实现超高速超精密加工的关键因素之一。
详细描述
加工设备与工具的精度、稳定性和可靠性对超高速超精密加工的加工效果和效率有着至关重要的影响 。先进的加工设备与工具能够提供更高的加工精度和效率，同时减少误差和故障率，提高加工质量和 效率。
04
技术优势与挑战
技术优势
高效率
超高速加工技术可以大大提高加 工效率，缩短加工时间，降低生
产成本。
高精度
微型机械零件
该技术还可以用于制造微型机械零件，如微型传感器、微型执行器等，以满足微电子领域对高精度、小尺寸零件 的需求。
其他ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ域应用案例
医疗器械领域
超高速超精密加工技术可以用于制造医疗器械，如人工关节、牙科种植体等，以提高其 表面质量和生物相容性。
能源领域
该技术还可以用于制造能源设备，如太阳能电池板、燃料电池等，以提高其光电转换效 率和能量密度。
优化切削参数和刀具路径， 提高工件表面完整性和光 洁度。
高速切削加工技术
在通用机械制造业中，高速切 削加工技术广泛应用于机床、 泵阀、压缩机和液压传动装置 等产品的制造。
05
高速切削加工技术的发 展趋势与挑战
高效稳定的高速切削技术
高效稳定的高速切削技术是未来发展 的关键，需要不断提高切削速度和加 工效率，同时保持加工过程的稳定性 和可靠性。
高效稳定的切削技术还需要不断优化 切削参数和刀具设计，以适应不同材 料和加工需求的挑战。
高速切削工艺技术
切削参数选择
根据不同的加工材料和切削条件， 选择合适的切削速度、进给速度 和切削深度等参数，以实现高效
切削和高质量加工。
切削液使用
合理选用切削液，如乳化液、极 压切削油等，以提高切削效率和 工件表面质量，同时减少刀具磨
损和热量产生。
加工路径规划
采用合理的加工路径和顺序，以 减少空行程和换刀次数，提高加
高效稳定的切削技术需要解决切削过 程中的振动和热变形问题，提高加工 精度和表面质量。
高性能刀具材料的研发
高性能刀具材料是实现高速切削 的关键因素之一，需要具备高硬 度、高强度、高耐磨性和良好的
抗热震性等特点。
研发新型高性能刀具材料，如超 硬材料、陶瓷材料等，能够提高 切削速度和加工效率，同时减少
刀具磨损和破损。
改善加工质量
01
高速切削加工技术能够减少切削 力，降低切削热，从而减小了工 件的热变形和残余应力，提高了 加工精度和表面质量。
02
由于切削力减小，工件不易产生 振动，减少了振纹和表面粗糙度 ，进一步提高了加工质量。
降低加工成本
高速切削加工技术能够显著提高加工效率，缩短了加工周期，从而降低了单件成 本。
高速切削加工技术
目 录
• 高速切削加工技术概述 • 高速切削加工技术的优势 • 高速切削加工的关键技术 • 高速切削加工的实践应用 • 高速切削加工技术的发展趋势与挑战 • 高速切削加工技术的未来展望
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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2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
注塑模具
模具业：高速切削淬硬钢模具型腔，省去电加工和手工 研磨等工序。
2.2 高速加工技术的优势和应用
石墨电极
薄壁铜电极 模具业：电极加工
2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
汽车工业：采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性 生产线，实现多品种、中小批量的高效生产。
第二节
高速加工
2.1 高速加工技术概述 2.2高速加工技术的优势和应用 2.3高速加工的关键技术 2.4高速磨削
2.1 高速加工技术概述
1、超高速加工的定义 超高速加工技术是指采用超硬刀具和磨 具，利用能可靠实现高速运动的高精度、高 自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速 度来达到提高材料去除率、加工精度和加工 质量的先进加工技术。
第2章 先进制造工艺
第一节
概述
1.1先进制造工艺技术的定义
◆定义:先进制造工艺就是机械工厂普遍能够采用，具有直接 推广价值或广阔应用前景的一系列优质、高效、低耗、洁净、 灵活工艺的总称. ◆特点 先进性 实用性 前沿性
第一节
概述
1.2先进制造工艺技术的内容
高速加工技术 精密与超精密加工技术 特种加工技术 快速成型技术 快速模具技术 微细加工技术
切削速度变化与切削温度之间的关系
Salomon切削温度与切削速度曲线
1600
切削温度/℃
1200
钢
青铜
铸铁
硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃
800
碳素工具钢 450℃
400 0 切削不
软铝
600 1200
非铁金属
1800 2400 3000 Nhomakorabea切削适应区 适应区
切削适应区
切削速度v/(m/min)
机床静、动态特性好
其它功能部件性能高
2.3 高速加工的关键技术
1、超高速主轴单元 2、高速进给系统 3、高性能CNC控制系统 4、机床结构设计 5、高速切削刀具技术
1、超高速主轴单元
德国生产转速18000 转矩120NM功率12kW
1、超高速主轴单元
密封圈 陶瓷球轴承 电主轴
陶瓷球轴承 冷却水出口 旋转变压器
2.2 高速加工技术的优势和应用
弹道切削试验得出结论为：随切削速度提高，塑性材料的 切屑形态将从带状或片状向碎屑状演变，单位切削力初期呈上 升趋势，而后急剧下降，超高速条件下刀具磨损比普通速度下 减少95%，且几乎不受切削速度的影响，金属切除效率可提高 50~1000倍。 美国空军和海军的超高速铣削实验研究表明：铣削力减少 70%，成功实现了厚度为 0.33mm的薄壁件铣削，刀具磨损主 要取决于刀具材料的导热性。 日本超高速切削试验结果表明：超高速下切屑的形成完全 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%，加工表 面残余应力及塑性区深度可分别减少90~95%和85~90%。
2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
复合材料
陶瓷
几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工， 甚至传统切削很难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤 维增强塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。
2.3 高速加工的关键技术
★高速切削对机床的特殊要求 主轴转速高，输出功率大
进给速度高 主轴转速和进给速度的加速度高
5、高速切削刀具技术 高速切削刀具材料
陶瓷刀具：金属陶瓷、Al2O3、Si3N4、Sialon——加工高温合金 立方氮化硼：CBN, PCBN 金刚石：单晶(SPD)、聚晶(PCD)、薄膜(CVD)、厚膜(TFD) 涂层刀具： 基体---高速钢、硬质合金、陶瓷 涂层（硬）---TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3 涂层（软）---MoS2、WS2 ——加工高强铝合金、钛合金
2.1 高速加工技术概述
2、高速加工机理
1931年德国物理学家C. J. Salomom在“高速切削原 理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于 一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度 最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下 降。
2.1 高速加工技术概述
2、高速加工机理
2.1 高速加工技术概述
3、高速加工的切削速度范围
塑料 铝合金 铜 铸铁 钢 钛合金 镍合金 10 100 1000 切削速度V（m/min） 高速与超高速切削速度范围 10000 车削： 700-7000 m/min 铣削： 300-6000 m/min 钻削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s
2.2 高速加工技术的优势和应用
1、超高速切削的优越性 •切削力低 •热变形小
•材料去除率高
•加工精度高 •降低加工成本 •高速切削可以加工难加工的材料
2.2 高速加工技术的优势和应用
2、超高速切削的应用
航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构 件加工，材料去除率达100-180cm3/min。
2、高速进给系统
★普通NC机床的进给系统：滚珠丝杠副+旋转伺服电机 ★高速进给系统：高速滚珠丝杠螺母+旋转伺服电机 ★直线电机进给系统：直线电机作为进给伺服系统的执行元件
3、高性能CNC控制系统
快速响应伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速 预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳 拐角减速控制等功能。
冷却水入口
陶瓷轴承高速主轴结构
1、超高速主轴单元
超高速主轴优点
（1）电主轴系统取消了高精密齿轮等传动件，消除了 传动误差。 （2）减小了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精 度。 （3）电主轴采用交流变频调速和矢量控制，具有输出 功率大、调速范围宽和功率-扭矩特性好的特点。 （4）电主轴机械结构简单，转动惯量小，快速响应性 好，能实现很高的速度和加速度和定角度的快速准停。
4、机床结构设计
大质量的人造大理石床身 极高的热稳定性保证了极好的零件加工精度 良好的吸振性能，是铸铁的6倍 可降低刀具的磨损，延长刀具寿命
5、高速切削刀具技术 高速切削刀具机构及其安全性。
5、高速切削刀具技术
高速切削刀具与机床的连接（夹持系统） ★高速刀具的夹头 ★高速切削刀具刀柄