超高速加工技术PPT
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18
陶瓷轴承高速主轴结构
密封 陶瓷球 圈 轴承
电主 轴
陶瓷球 冷却水 轴承 出口
旋转变 压器
图17 陶瓷轴承高速主轴
冷却水 入口
19
磁浮轴承主轴结构
前径向轴 电主轴 前辅助轴 承
承
后径向轴 承
双面轴 向推力 轴承
后辅助轴 承
前径向传感 器
后径向传感 轴向传感
图18 磁浮轴承高速主轴 器
器
20
件；
图 3 加工零 件
➢ 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
6
➢ 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 图4 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）。
7
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
8
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
9
图7 HSM800 图9 HSM400
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。2
1800
2400
3000
切削速度v/(m/min)
图1 Salomon切削温度与切削速度曲线
4
在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲 线”和高速切削理论。
图2 切削速度变化和切削温度的关系
5
3.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
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14 两种模具加工过程比较
15
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
16
（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。
图16 高速切削加工医用药盒
17
高速切削加工的关键技术
1. 高速主轴 高速化指标：dm n值，至少达到1×106 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。精采度用高的、轴振承动有小：、滚噪动声轴低承、（结陶构瓷紧轴凑承。）、磁浮轴承、 气 体静压轴承、液体静压轴承。
图20 结构图
3.高性能的CNC控制系统 22
1. 高速加工切削速度的范 围
➢ 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
（3）模具制造。
10 1
0.1 0.01 0.001
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13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
14
Leabharlann Baidu
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
控
放
制
大
器
器
电磁铁（定子） 传感器
转子
图19 磁悬浮轴承工作原理
21
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 接口电缆 10 防护罩
图8 HSM600
加工极高表面光洁度的硬钢 HRC62、铝、铜、塑料工件
10
高速切削加工应用
（1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。
图10 波音公司的F15战斗机的起动减速板
11
图11 高速铣削典型工件
铝合金整体零件： 整体零件“掏空”，
切除量大 零件有薄壁，要求小
切削力 小直径刀具 较长的刀具悬伸
3
2. 切削理论的提出
德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929年进行了超高速 模拟实验。
1600
切削温度 /℃
1200
青铜
铸铁
钢
硬质合金980℃ Stelite合金850℃
800
400
软铝
非铁金属
高速钢650℃
碳素工具钢 450℃
0 切削不 600
1200
切削适应区 适应区 切削适应区
12
（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）
13
第4讲 高速加工技术
本节要点
高速加工的概念与特征 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用 高速切削加工的关键技术 高速磨削加工
1
高速加工的概念与特征
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
陶瓷轴承高速主轴结构
密封 陶瓷球 圈 轴承
电主 轴
陶瓷球 冷却水 轴承 出口
旋转变 压器
图17 陶瓷轴承高速主轴
冷却水 入口
19
磁浮轴承主轴结构
前径向轴 电主轴 前辅助轴 承
承
后径向轴 承
双面轴 向推力 轴承
后辅助轴 承
前径向传感 器
后径向传感 轴向传感
图18 磁浮轴承高速主轴 器
器
20
件；
图 3 加工零 件
➢ 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
6
➢ 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 图4 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）。
7
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
8
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
9
图7 HSM800 图9 HSM400
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。2
1800
2400
3000
切削速度v/(m/min)
图1 Salomon切削温度与切削速度曲线
4
在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲 线”和高速切削理论。
图2 切削速度变化和切削温度的关系
5
3.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
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14 两种模具加工过程比较
15
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
16
（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。
图16 高速切削加工医用药盒
17
高速切削加工的关键技术
1. 高速主轴 高速化指标：dm n值，至少达到1×106 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。精采度用高的、轴振承动有小：、滚噪动声轴低承、（结陶构瓷紧轴凑承。）、磁浮轴承、 气 体静压轴承、液体静压轴承。
图20 结构图
3.高性能的CNC控制系统 22
1. 高速加工切削速度的范 围
➢ 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
（3）模具制造。
10 1
0.1 0.01 0.001
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13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
14
Leabharlann Baidu
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
控
放
制
大
器
器
电磁铁（定子） 传感器
转子
图19 磁悬浮轴承工作原理
21
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 接口电缆 10 防护罩
图8 HSM600
加工极高表面光洁度的硬钢 HRC62、铝、铜、塑料工件
10
高速切削加工应用
（1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。
图10 波音公司的F15战斗机的起动减速板
11
图11 高速铣削典型工件
铝合金整体零件： 整体零件“掏空”，
切除量大 零件有薄壁，要求小
切削力 小直径刀具 较长的刀具悬伸
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2. 切削理论的提出
德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929年进行了超高速 模拟实验。
1600
切削温度 /℃
1200
青铜
铸铁
钢
硬质合金980℃ Stelite合金850℃
800
400
软铝
非铁金属
高速钢650℃
碳素工具钢 450℃
0 切削不 600
1200
切削适应区 适应区 切削适应区
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（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
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）
13
第4讲 高速加工技术
本节要点
高速加工的概念与特征 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用 高速切削加工的关键技术 高速磨削加工
1
高速加工的概念与特征
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