高速加工技术--ppt课件
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高速加工
v = 800m/mim vz = 0.08mm/齿 a p= 0.5mm
v = 2900m/mim vz = 0.018mm/齿 a p= 0.5mm
v = 590m/mim f = 0.2mm/r a p= 10mm
v = 132m/mim vf = 380mm/min
v = 350m/mim f = 0.05mm/r a p= 0.25mm, 干切
学科前沿讲座之五
高速加工技术
High Speed Machining Technology
1
内容提要
高速加工概述 高速加工应用 高速加工刀具技术 高速加工机床技术 高速加工路径规划 高速磨削技术
2
1. 高速加工概述
高速加工概念
➢ 尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料 的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高 材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 ➢ 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。 ➢ 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同：
➢ Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣， 并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念
➢ 1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻 合金材料的超高速铣削（切削速度达1500~4500m/min） ➢ 德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系 统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益
9
2. 高速加工应用
表2 PCD刀具切削铝、铜合金实例
加工对象 加工方式
工艺参数
刀具参数
加工效果
车辆汽缸体 AiSi17Cu4Mg
《高速切削加工》课件
3
高速切削加工技术的新发展
高速切削加工技术的新发展是智能化、高效化、多功能化等方向的发展。
总结
1 高速切削加工的重要性
在现代先进制造业中，高速切削加工已成为最先进的加工工艺之一。
2 发展前景
高速切削加工将朝着更高精度、更稳定、更智能的方向发展。
刀具
高速切削加工用的刀具有硬质合金刀具和普通高速钢刀具。
2
夹具
用于夹紧加工件，保证加工件的位置和尺寸的准确度。
3
加工中心机床
高速切削加工的核心设备，一般配备自动换刀库，可实现多种工序的加工。
高速切削加工的原理
四角切削
四角切削是刀具在加工过程 中所受力的主要方向，也是 影响刀具切削稳定的主要因 素。
பைடு நூலகம்
机械制造
高速车削、高速铣削、高速钻削 等机械制造领域。
电子信息
如手机、笔记本电脑金属外壳、 DVD机零部件、各类光学仪器等。
高速切削加工的挑战与未来
1
超细加工
针对非金属的加工，要求精度更高，应考虑空气轴承、颤动反馈控制、非触变形 传感控制等。
2
超硬材料加工
超硬材料的加工，如石墨、硬质合金、陶瓷等，已成为高速切削加工的一个重要 领域。
精密加工
精密高速切削加工广泛应用 于航空航天、汽车、电子和 精密机械制造等领域，如模 具、光学部件、超声波探头 和燃烧室等零部件。
表面质量
高速切削加工能够获得极高 的表面质量，如挤出铝合金 管、铜合金输入输出端子， 铜轴套、石英晶体等产品的 光洁度达到镜面级。
高速切削加工的应用
航空航天
航空航天零部件，如高压涡轮叶 片、大型钛合金零件等。
加工效率高
高速切削加工速度快，可以完成 较长时间处理不完的工作。
先进制造技术教学课件PPT先进制造工艺技术.ppt
19子线分析
手段：优化加工方法；开发和研制新型刀具材料；研
制超精密机床；对加工精度进行监控。
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21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进
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8
（2）切削加工速度迅速提高
刀具材料发展。
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20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，切削速度不超 过10m/min；
、电火花、激光切割；
• 堆积成形 将材料有序地合并 堆积成形，如快速原形制造、焊 接等。
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二、先进制造工艺的产生和发展
先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上发展来的， 优化后的工艺和新型加工方法。是核心和基础。
（1）制造加工精度不断提高
18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。
1900
2020/7/2
普通加工
加工设备 车床,铣床
精密车床 磨床
测量仪器 卡尺
百分尺 比较仪
精密加工
坐标镗床 坐标磨床
气动测微仪 光学比较仪
金刚石车床 光学磁尺
精密磨床
电子比较仪
超精密加工
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
1920 1940
代 码
名称
0
1
2
3
4
5
6
7 89
中类名称
0 铸造
砂型铸造 特种铸造
1 压力加工
锻造
轧制
冲压 挤压 旋压 拉拔
《高速切削加工》课件
03 高速切削加工的关键技术
高速切削加工的刀具技术
刀具材料
01
高速切削加工需要使用高硬度、高耐磨性的刀具材料，如硬质
合金、陶瓷和金刚石等。
刀具涂层技术
02
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，
提高切削效率。
刀具几何形状
03
高速切削加工需要采用特殊的刀具几何形状，如小前角、大后
角和短刀刃等，以减小切削力、切削热和刀具磨损。
在高速切削加工中，降低能耗、减少废弃 物排放和提高资源利用效率成为重要的发 展趋势，符合可持续发展的要求。
高速切削加工面临的挑战与对策
高温与热变形
高速切削加工过程中产生的高温可能导致 刀具磨损、工件热变形等问题，需采用新 型刀具材料、强化冷却技术等手段解决。
振动与稳定性
高速切削加工过程中的振动可能影响加工 精度和表面质量，应优化机床结构、提高 刚性和阻尼性能。
模具型腔加工
高速切削加工技术在模具制造业 中广泛应用于模具型腔的加工， 如注塑模、压铸模等，能够快速 准确地完成复杂型面的加工。
模具钢材料加工
高速切削加工技术能够高效地加 工各种模具钢材料，如H13、 SKD61等，提高加工效率，减少 热量的产生和材料的变形。
高速切削加工在航空航天制造业的应用
航空发动机制造
高速切削加工的工艺参数
1 2 3
切削速度
提高切削速度可以提高加工效率，但同时也需要 选择合适的刀具和材料，以避免刀具磨损和工件 热变形。
进给速度
进给速度的提高可以增加材料去除率，但过高的 进给速度可能导致刀具磨损和工件表面质量下降 。
切削深度
适当的切削深度可以提高加工效率，但过大的切 削深度可能导致刀具磨损和工件表面质量下降。
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
高速切削加工技术ppt课件.pptx
我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年 代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进 水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期 水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中 大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为 主，依靠进口。
近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造行业引进了 大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切 削加工技术，其中模具行业应用较多。
例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精 铣采用主轴转速18000rpm，切削深度2mm，进给速度5m/min； 精铣采用20000rpm，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工 周期为6h，质量完全满足客户要求。
➢ 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。
➢ 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％。
➢ 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上， 减少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件 的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。
高速切削的加工工艺方法
目前高速切削工艺主要在车削和铣削，各类高速切削机床 的发展将使高速切削工艺范围进一步扩大，从粗加工到精加工 ，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、磨削等。
随着市场竞争的进一步加剧，世界各国的制造业都将更加积 极地应用高速切削技术完成高效高精度生产。
高速切削加工在国内的研究与应用
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。
高速加工技术
手机外壳的加工
电脑键盘的制造
平板电脑外壳的铣削
电子元器件的微细加 工
06
高速加工技术的发展趋势和未来展望
高速加工技术的发展趋势
更高的切削速度：随着新材料和新工艺的不断发展高速加工技术将进一步提高切削速度提高加 工效率。
智能化和自动化：随着人工智能和机器学习技术的不断发展高速加工技术将更加智能化和自动 化实现加工过程的自动监控和优化。
高速加工技术采 用小切削力可以 减小工件变形和 振动提高加工精
度。
高速加工技术可 以快速切除工件 材料缩短加工时
间降低成本。
高速加工技术采 用先进的控制系 统和刀具能够实 现高精度的轨迹 控制和补偿功能 进一步增强加工 过程的灵活性。
04
高速加工的关键技术
高速切削技术
定义：高速切削 是一种在极高转 速下进行的切削 加工方法具有高 进给速度和高切 削速度的特点。
05
高速加工技术的应用案例
航空航天领域的应用案例
高速加工技术在航空航天领域的应用提高了零件的加工精度和效率。 在航空发动机制造中高速加工技术能够快速去除材料提高生产效率。 高速加工技术在航天器制造中得到广泛应用如卫星天线、太阳能电池板等。 高速加工技术能够满足航空航天领域对高精度、高质量、高效率的加工要求。
高精度加工技术
高速切削技术：通过高转速的刀具实现高效切削提高加工精度和表面质量。
超精密切削技术：采用超硬材料和纳米级切削参数实现超精密切削提高加工精度和表面光 洁度。
快速点磨削技术：通过高速旋转的磨头对工件进行快速点磨削实现高效高精度加工。
激光辅助加工技术：利用激光的高能量密度特性对工件进行快速、高精度的加工。
通过高速加工 技术可以实现 快速原型制造 和快速模具制 造缩短了产品 开发周期降低 了开发成本。
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。
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
数控加工技术PPT课件
镗
高，一般将主轴转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很
铣
高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所釆
、 加 工 中 心
用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同。其优点在于：
加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3～5倍。 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削力 降低大概30%~90%，提高了加工质量。
位置 18 - 76
床
机上激光对刀仪
标准
的
工件托盘转换装置
位置 7, 20, 48
类 型
红外工件测头
可选
重量
包括工件托盘交换装置
6500 kg
7
7
数控镗、铣及加工中心加工工艺
数
控 镗 铣 、
三坐标数控镗铣床与加工中心的共同特点是除具有普通铣床的工艺
性能外，还具有加工形状复杂的二维以至三维复杂轮廓的能力。这些复 杂轮廓零件的加工有的只需二轴联动(如二维曲线、二维轮廓和二维区域 加工)，有的则需三轴联动(如三维曲面加工)，它们所对应的加工一般相 应称为二轴(或2.5轴)加工与三轴加工。 对于三坐标加工中心(无论是立
19 19
第五章 数控镗、铣及加工中心加工工艺
数
控
镗
铣
、
加
工
中
心 加 工 的
立体曲面类零件:加工面为 空间曲面的零件称为立体 曲面类零件。这类零件的 加工面不能展成平面
箱体类零件：一般是指具 有孔系和平面，内部有一 定型腔，在长、宽、高方 向有一定比例的零件
异型件：外形不规则的 零件，大多要点、线、 面多工位混合加工
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。
高速加工技术
高速加工技术 High Speed Machining Technology
高速加工的一些定义
1. 高速铣削的切削速度比较传统铣削快5至10倍 2. 低切削力，进给速度高，主轴转速30,000转/分以上。 3. 高效能加工，切削量大，切削力稳定，刀具寿命长，高精 度，硬切削，不一定高转速。 4. 利用高主轴转速和高的轴向进给速度，以获得高的材料切 除率，而不降低零件的精度和表面质量。
高速加工的设备
高速加工机床 高速切削刀具
高速加工的应用
航空航天： 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 带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工， 除率达100-180cm /min。 除率达100-180cm3/min。 ◎ 镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 镍合金、钛合金加工，切削速度达200汽车工业： 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， 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、 实现多品种、中小批量的高效生产 模具制造： 模具制造： ◎ 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3 仪器仪表： 仪器仪表： ◎ 精密光学零件加工。
高速加工的意义
高速加工的真正意义?——改善加工生产流程!
高速切削的原理－ 高速切削的原理－高速切削中切屑的产生
高速切削不断增加的摩擦阻力导致切屑和刀 具的接触区域的温度升高。 接触区域的温度可能高达工件材料的熔点。 切屑在接近熔点的液体状态下起到了润滑效 果，因此，减低了摩擦系数。 区域摩擦力的降低，减小了对切屑流动的阻 碍，从而导致对切屑的压力减小和切削力降低。 流动切屑的一个重要特征就是切屑横截面积 减小和剪切角增大，切屑明显的扭曲。
高速加工的一些定义
1. 高速铣削的切削速度比较传统铣削快5至10倍 2. 低切削力，进给速度高，主轴转速30,000转/分以上。 3. 高效能加工，切削量大，切削力稳定，刀具寿命长，高精 度，硬切削，不一定高转速。 4. 利用高主轴转速和高的轴向进给速度，以获得高的材料切 除率，而不降低零件的精度和表面质量。
高速加工的设备
高速加工机床 高速切削刀具
高速加工的应用
航空航天： 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 带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工， 除率达100-180cm /min。 除率达100-180cm3/min。 ◎ 镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 镍合金、钛合金加工，切削速度达200汽车工业： 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， 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、 实现多品种、中小批量的高效生产 模具制造： 模具制造： ◎ 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3 仪器仪表： 仪器仪表： ◎ 精密光学零件加工。
高速加工的意义
高速加工的真正意义?——改善加工生产流程!
高速切削的原理－ 高速切削的原理－高速切削中切屑的产生
高速切削不断增加的摩擦阻力导致切屑和刀 具的接触区域的温度升高。 接触区域的温度可能高达工件材料的熔点。 切屑在接近熔点的液体状态下起到了润滑效 果，因此，减低了摩擦系数。 区域摩擦力的降低，减小了对切屑流动的阻 碍，从而导致对切屑的压力减小和切削力降低。 流动切屑的一个重要特征就是切屑横截面积 减小和剪切角增大，切屑明显的扭曲。
高速加工技术93.pptx
静压轴承工作原理
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静压轴承对轴颈圆度误差的均化作用
第48页/共99页
静压轴系特点
轴承间隙内介质压强由外部供给，忽略主轴旋转时的动 压效应，承载能力不受主轴转速的影响，实现任何转速 下液／气体摩擦，具有设计所需的承载能力；适应性好， 寿命长
主轴浮起后是纯液／气体摩擦，起动摩擦阻力小，主轴 旋转后轴线偏移量比轴颈轴套的加工误差小得多
高速加工在汽车工业中的应用
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
高速加工中心
5轴×4工序 = 20轴（3万件/月）
1台1轴1工序（3万件/月）
刚性（零件、孔数、孔径、孔 型固定不变）
柔性（零件、孔数、孔径 、孔型可变）
汽车轮毂螺栓孔高第速24页加/共工99页实例（日产公司）
和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小， 剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低 大概30%-90% • 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部 分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热 变形小，有效地提高了加工精度 • 刀具寿命长（高速切削刀具）。刀具受力小， 受热影响小，破损的机率很小，磨损慢
后径向传感器 轴向传感器 磁浮第轴53承页/高共9速9页主轴
磁悬浮轴承电主轴
高频电动机
磁悬浮轴承
松刀用液压装置
HSK-E刀柄
磁悬浮轴承
水套冷却
瑞士IBGA公司的磁悬浮电主轴
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磁浮轴承电主轴特点
➢主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁 浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。
第8页/共99页
德国 ROEDERS,42000rpm,适 合如手机模具加工
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• 实验公式
C
f a z y x
c
p
θ——实验测出的刀屑接触区的平均温度(℃)， Cθ——切削温度系数；
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切削用量
• 切削速度Vc↑一倍→切削温度↑30%～45% • 进给量f↑一倍→切削温度↑15%～20% • 背吃刀量aP↑一倍→切削温度↑5%～8%
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影响切削温度的因素
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§4.3 高速加工机床与设备
超高速机床特点：高转速，高进给，高效 率，高定位精度。组 成：高速主轴加工单元＋高速进给驱动＋高速控制系统＋高速 切削刀具。
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超高速磨床
广东工业大学的超高速机床
学习交流PPTLeabharlann 21学习交流PPT
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高速主轴单元
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磁悬浮轴承
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直线电机进给机构
特点 •高往复速度； •高加速度；（降低非切削时间） •高定位精度； •由内装在机床的磁性运动滑块组成，实现零传动。
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4、切削热的产生和传出
• 切削中所消耗的能量几乎 全部转换为热量，即切削 热.
• 来自工件材料的弹、塑性 变形和前、后刀面的摩擦 功.
50％~86％
40％~10％
9％~3％ 周围介质占1％
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切削温度对工件、刀具和切削过程的影响
• 对工件材料机械性能的影响
• 切削温度对工件材料强度、硬度的影响不大。
• 对刀具磨损和刀具材料的影响
• 是刀具磨损的主要原因，它将使刀具磨损加剧，刀具 耐用度下降。但较高的切削温度，对硬质合金刀具材 料的韧性有利。
• 对加工件尺寸精度的影响
• 工件本身和刀杆受热膨胀会使工件尺寸精度达不到要 求，还会影响已加工表面质量。
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5、影响切削温度的主要因素
• 切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的 平均温度。
• 刀具几何参数 • 其它方面的因素
• 刀具磨损 • 切削液 • 刀具材料
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3、 切削热和切削温度
• 影响工件加工精度、已加工表面的质量、刀具的 磨损和耐用度及生产率等。
• 1 切削热的产生和传出 • 2 影响切削温度的主要因素 • 3 切削温度的理论计算 • 4 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响
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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”)。
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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。
1000 d——完成主运动的刀具或工件上某一点的回转直径(mm)； n——主运动的转速(r／min或r／s)。
进给速度 进给量f 每齿进给量
进进给给速量vf度是f 是工刀件刃或上刀选具定的点主相运对动于每工转件或的每进一给行运程动时的，速工度件，和单刀位具为在m进m／给s ；
运动方向上的相对位移量。
• 刀具磨损:磨损→F↑→切削温度↑ • 切削液可降低切削温度。
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§4.1 基础理论研究
（一）问题描述：
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§4.2 技术内涵
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目前关于高速加工的经济效益定位指标是：在保证家伙精度和 加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90%，同 时将加工费用减少50%！
在常 规 切 削速度范围内，切削温度随切削速度的增大提高，刀具 磨损随切削温度的提高而加剧，当切削速度达到某临界值时，切削 温度及切削力会减小。切削温度的降低、切削力的大幅度下降及切 削变形的减小，不仅使现有刀具进行超高速切削变为现实，还大幅 度减少切削时间，成倍提高机床的生产率。
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§4.0 切削理论回顾
1、切削用量 三要素
• 切削速度 • 进给量(或进给速度)
• f ——mm/r、mm/行程、mm/s、
mm/齿
• 背吃刀量（切削深度） aP
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• 切削速度vc
• 切削速度vc是刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度。 • 当主运动是回转运动时
vdn (m/或 m min/s)
高速与超高速加工技术(4h)
高速加工技术作为21世纪影响深远的先进制造技术之一， 其应用与发展已有10多年的历史，一般凡切削速度、进给速 度高于常规值5一10倍以上，称为高速加工。由于高速加工 的高切削速度和高进给速度使切削效率高于传统加工5-10倍， 且高速加工的切削机理较传统加工更具有优越性，使高速加 工技术在航空航天工业、汽车工业、摩托车工业及模具工业 中得到广泛应用。
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§4.4 高速加工刀具
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§4.5 与传统加工方法相比之优势
影响切削加工质量的因素有那些?原因是什么?
高速加工技学术习交具流有PP的T 共性
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背吃刀量（切削深度）
p
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主要内容提纲
• 1. 研究现状与发展趋势; • 2. 优越性及其原因; • 3. 机床结构与关键技术; • 4. 刀具材料与结构; • 5. 高速磨削技术.
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2、影响切削力的因素
• 影响切削力的因素主要有四个方面： • 工件材料、 • 切削用量、