高速CNC切削技术1
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† 机床结构及材料 † 机床设计制造技术 † 高速主轴系统 † 快速进给系统 † 高性能CNC系统 † 高性能刀具及工件夹紧系统 † 高效高精度测量测试技术 † 安全防护技术
例2：塑料的轮胎型芯加工：用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间 20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。 采用高速铣削，n＝ 18 000r/min，ap=2 mm，vf=10m/min，在 制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。
先进制造技术专题
高速切削技术
实现高速切削的关键技术
高速切削机理及工艺 高性能刀具材料及刀具设计制造技术 高性能机床及其附件
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
工件材料
纤维增强塑料 铝合金 青铜，黄铜 铸铁 钢 钛合金 镍基合金
10
来源：PTW
高速范围与加工材料密切相关
普通 切削 过渡 区 高速 切削
100
1000
切削速度 vc（铣削）
m/min 10000
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
高速范围与加工方法密切相关
模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一 直为电加工所垄断，其加工效率低。
汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。 （过去多用组合机加工，柔性差）
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
先进制造技术专题 高速切削的应用领域
（切削速度） 来源：PTW
高速切削技术
工件材料： X100CrMoV51 (2363) ，60 HRC
刀具： 球头刀：d = 6 mm 刀刃数：2（CBN时1） 刀具材料：
HM：硬质合金，TiN 涂层 CBN：立方氮化錋 Cermet：金属陶瓷
先进制造技术专题
高速切削技术
高速切削的特征
提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间
Tcr
切削温度
Ta
v1
vcr
v2
切削速度
先进制造技术专题
高速切削技术
ห้องสมุดไป่ตู้
高速切削的定义
20世纪80年 代以来，新 型刀具材料 的发展为高 速切削的实 际应用创造 了条件。
切削速度 vc
2000 m/min
800 600 400 200
100 80 60 40 20
聚 晶金 刚 石PC D Si3N4
立 方聚 晶 氮化 錋CB N
先进制造技术专题
高速切削技术
清华大学
精密仪器与机械学系 制造工程研究所 冯平法
先进制造技术专题
高速切削技术
切削技术的新发展 高速切削的定义 高速切削的特征和应用领域 面向高速切削的切削刀具 面向高速切削的制造装备 面向高速切削的夹紧技术 高速切削的安全防护
先进制造技术专题 切削技术的新发展
后续工作 精加工 半精加工 粗加工 加工准备 设计
（常规铣削）
（高速铣削）
来源：BMW
先进制造技术专题 高速切削的特征
提高加工表面质量
行距
加工 余量 要求轮廓
行距
实际轮廓
来源：PTW
高速切削技术
行距
先进制造技术专题 高速切削的特征
降低切削力
高速切削技术
（用PCD刀具材料车削铝合金）
（主切削力）
来源：PTW
先进制造技术专题
高速切削技术
高速切削的定义
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5～10倍。 高速切削的速度范围与加工方法和工件 材料密切相关。
HSC ＝ HSM ＝ HSM ＝ HSD ＝ HST ＝ HSTM ＝
High-Speed-Cutting High-Speed-Machining High-Speed-Milling High-Speed-Drilling High-Speed-Turning High-Speed-Turn-Milling
（切削速度）
先进制造技术专题
高速切削的特征
减少传递给工件的热量
切屑和接触面之 间的接触区域产生 的高温会导致温度 效应并降低工件材 料变形的阻力
剪切角增大
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
高速切削技术
前刀面 刀具 后刀面 工件
先进制造技术专题 高速切削的优点
氧化陶瓷 金属陶瓷 硬质合金
涂层硬质合金
铸造 硬质合金
高速钢
10 8 1875
1900
工具钢
1925
1950
1975
年
2000
先进制造技术专题 高速切削的特征
高速切削技术
单位时间切除量 表面质量
来源：PTW
切削速度
切削力 刀具寿命
先进制造技术专题 高速切削的特征
切削速度对刀具寿命的影响
（刀具寿命）
高速切削技术
高单位时间切除率，降低加工成本 高加工表面质量，提高加工精度 低切削力，降低加工系统力变形 高激励频率，避免自激振荡 切削热由切屑带走，减少工件热变形 减少后续工序 ，降低加工成本
先进制造技术专题
高速切削技术
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。
目标
提高加工质量 切削加工
提高生产率 降低加工成本
高速切削技术
手段
提高柔性
提高切削速度
提高精度 扩大加工材料范围 减少消耗
柔性制造系统
高速切削
精密与超精密加工 硬材料切削 干切削与微切削
先进制造技术专题 切削技术的新发展
高速切削技术
干切削
高速切削 硬切削
边界条件 机床与装备
＋ 机床新概念 ＋ 驱动系统 ＋ 控制系统 ＋ 夹紧系统 刀具 ＋ 刀具材料 ＋ 刀具涂层 ＋ 标准化与多功能化刀具
高速切削技术
例1：高精度铝质模具型腔加工：在传统铣削加工中，由于铝熔点低，铝 屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达 到精度要求，在制时间达60小时。 高速铣削分粗、精两道工序：n精＝20000r/min，ap=0.2mm， vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。
车削：700～7000 m/min； 铣削：300～6000 m/min； 钻削：200～1100 m/min； 磨削：150m/s以上。
例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削， 而 400 m/min 就定义为高速钻削。
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理论
例2：塑料的轮胎型芯加工：用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间 20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。 采用高速铣削，n＝ 18 000r/min，ap=2 mm，vf=10m/min，在 制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。
先进制造技术专题
高速切削技术
实现高速切削的关键技术
高速切削机理及工艺 高性能刀具材料及刀具设计制造技术 高性能机床及其附件
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
工件材料
纤维增强塑料 铝合金 青铜，黄铜 铸铁 钢 钛合金 镍基合金
10
来源：PTW
高速范围与加工材料密切相关
普通 切削 过渡 区 高速 切削
100
1000
切削速度 vc（铣削）
m/min 10000
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
高速范围与加工方法密切相关
模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一 直为电加工所垄断，其加工效率低。
汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。 （过去多用组合机加工，柔性差）
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
先进制造技术专题 高速切削的应用领域
（切削速度） 来源：PTW
高速切削技术
工件材料： X100CrMoV51 (2363) ，60 HRC
刀具： 球头刀：d = 6 mm 刀刃数：2（CBN时1） 刀具材料：
HM：硬质合金，TiN 涂层 CBN：立方氮化錋 Cermet：金属陶瓷
先进制造技术专题
高速切削技术
高速切削的特征
提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间
Tcr
切削温度
Ta
v1
vcr
v2
切削速度
先进制造技术专题
高速切削技术
ห้องสมุดไป่ตู้
高速切削的定义
20世纪80年 代以来，新 型刀具材料 的发展为高 速切削的实 际应用创造 了条件。
切削速度 vc
2000 m/min
800 600 400 200
100 80 60 40 20
聚 晶金 刚 石PC D Si3N4
立 方聚 晶 氮化 錋CB N
先进制造技术专题
高速切削技术
清华大学
精密仪器与机械学系 制造工程研究所 冯平法
先进制造技术专题
高速切削技术
切削技术的新发展 高速切削的定义 高速切削的特征和应用领域 面向高速切削的切削刀具 面向高速切削的制造装备 面向高速切削的夹紧技术 高速切削的安全防护
先进制造技术专题 切削技术的新发展
后续工作 精加工 半精加工 粗加工 加工准备 设计
（常规铣削）
（高速铣削）
来源：BMW
先进制造技术专题 高速切削的特征
提高加工表面质量
行距
加工 余量 要求轮廓
行距
实际轮廓
来源：PTW
高速切削技术
行距
先进制造技术专题 高速切削的特征
降低切削力
高速切削技术
（用PCD刀具材料车削铝合金）
（主切削力）
来源：PTW
先进制造技术专题
高速切削技术
高速切削的定义
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5～10倍。 高速切削的速度范围与加工方法和工件 材料密切相关。
HSC ＝ HSM ＝ HSM ＝ HSD ＝ HST ＝ HSTM ＝
High-Speed-Cutting High-Speed-Machining High-Speed-Milling High-Speed-Drilling High-Speed-Turning High-Speed-Turn-Milling
（切削速度）
先进制造技术专题
高速切削的特征
减少传递给工件的热量
切屑和接触面之 间的接触区域产生 的高温会导致温度 效应并降低工件材 料变形的阻力
剪切角增大
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
高速切削技术
前刀面 刀具 后刀面 工件
先进制造技术专题 高速切削的优点
氧化陶瓷 金属陶瓷 硬质合金
涂层硬质合金
铸造 硬质合金
高速钢
10 8 1875
1900
工具钢
1925
1950
1975
年
2000
先进制造技术专题 高速切削的特征
高速切削技术
单位时间切除量 表面质量
来源：PTW
切削速度
切削力 刀具寿命
先进制造技术专题 高速切削的特征
切削速度对刀具寿命的影响
（刀具寿命）
高速切削技术
高单位时间切除率，降低加工成本 高加工表面质量，提高加工精度 低切削力，降低加工系统力变形 高激励频率，避免自激振荡 切削热由切屑带走，减少工件热变形 减少后续工序 ，降低加工成本
先进制造技术专题
高速切削技术
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。
目标
提高加工质量 切削加工
提高生产率 降低加工成本
高速切削技术
手段
提高柔性
提高切削速度
提高精度 扩大加工材料范围 减少消耗
柔性制造系统
高速切削
精密与超精密加工 硬材料切削 干切削与微切削
先进制造技术专题 切削技术的新发展
高速切削技术
干切削
高速切削 硬切削
边界条件 机床与装备
＋ 机床新概念 ＋ 驱动系统 ＋ 控制系统 ＋ 夹紧系统 刀具 ＋ 刀具材料 ＋ 刀具涂层 ＋ 标准化与多功能化刀具
高速切削技术
例1：高精度铝质模具型腔加工：在传统铣削加工中，由于铝熔点低，铝 屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达 到精度要求，在制时间达60小时。 高速铣削分粗、精两道工序：n精＝20000r/min，ap=0.2mm， vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。
车削：700～7000 m/min； 铣削：300～6000 m/min； 钻削：200～1100 m/min； 磨削：150m/s以上。
例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削， 而 400 m/min 就定义为高速钻削。
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理论