高速切削

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高速加工技术
High Speed Machining Technology
内容提要
高速加工概述
切削技术的发展 高速切削定义 高速切削的特征 高速切削的应用
相关的技术
高速加工刀具 高速切削机床
高速加工路径规划
2
切削技术的发展
目标 手段
柔性制造系统wenku.baidu.com
提高柔性
提高加工质量
提高切削速度
目前准干切多指“最小量润滑技术” (Minimal Quantity Lubrication——MQL) ,此法将压缩空气与少量润滑液混合 气化后,喷射到加工区,进行有效润滑,可大大减小刀 具-工件及刀具-切屑之间的摩擦,起到抑制温升、降 低刀具磨损、避免粘接、提高加工表面质量的作用 准干切因使用润滑液量很小(一般为0.03~0.2L/h,仅 为湿切冷却液用量的几万分之一),不会产生污染
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例:传统高速两种模具加工过程比较
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 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 高速模具加工的过程
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与高速加工密切相关的技术
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
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
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高速切削的应用
例: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。 例: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
• 天然金刚石耐热性为 700-800℃,高于此温度,碳原子 转化为石墨结构,硬度丧失。 • 天然金刚石价格昂贵,刃磨困难,主要用于加工精度和 表面粗糙度要求极高的零件,如激光反射镜、感光鼓、多 面镜、磁盘等。
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高速加工刀具
聚晶金刚石 • 人造金刚石是在高温高压条件下,借助于某些合金触媒的 作用,由石墨转化而成。 • 在高温高压下,金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石 • 聚晶金刚石硬度略低于天然金刚石,为HV6500-8000 。 • 聚晶金刚石价格便宜,焊接方便,可磨性好,应用广泛, 可在大部分场合代替天然金刚石。 • 用等离子CVD(化学气相沉积)可将聚晶金刚石作成涂层, 用途和聚晶金刚石刀具相同。 • 金刚石刀具不适于加工铁族材料,因为金刚石中的碳元 素与铁元素有很强的亲和力,碳元素极易向含铁的工件扩 散,使金刚石刀具很快磨损。
低切削力,较常规切削至少降低30%,径向力降低更明显。
有利于减小工件受力变形,适于加工薄壁件和细长件
切削热由切屑带走,95%以上切削热被切屑带走,工件积聚
热量极少,温升低,适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变 形的零件
减少后续工序 ,降低加工成本
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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。 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。
† 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
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高速加工刀具
普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比
刀具材料种类 材料性能 硬度 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 HRC65 HRC66 3.2GPa 20-30 620 ℃ 1.45GPa 0.8GPa 70-100 低 30-40 惰性大 天然 聚晶金刚石 金刚石 PCD 聚晶立方氮 化硼 PCBN HV4000 1.5GPa 40-100 >1000 ℃ 惰性大
前刀面 刀具
后刀面 工件
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
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高速切削的优点
高单位时间切除率,进给率较常规切削提高5-10倍,材料去
除率可提高3-6倍
高加工表面质量,精度,刀具激振频率远离工艺系统固有
频率,不易产生振动;又切削力小、热变形小、残余应力小,易 于保证加工精度和表面质量
立 方聚 晶 氮化 錋CB N 氧 化陶 瓷 金 属陶 瓷 硬 质合 金 涂 层硬 质 合金
际应用创造
了条件。
铸 造 硬质合 金
高 速钢
工 具钢
1900
1925
1950
1975
2000
10

高速切削的特征
单位时间切除量 表面质量
切削力 刀具寿命
切削速度
来源:PTW
11
高速切削的特征
切削速度对刀具寿命的影响
24
高速加工刀具
天然金刚石 • 天然金刚石是目前已知的最硬物质,根据其质量不同, 硬度范围为HV8000-12000,相对密度为3.48-3.56。 • 天然金刚石是一种各向异性的单晶体,在晶体上取向不 同,硬度及耐磨性也不相同。
• 天然金刚石耐磨性极好,刀具寿命可长达数百小时;刃 口锋利,切削刃钝圆半径可达0.01μm。
HST

High-Speed-Turning
High-Speed-Turn-Milling
5
HSTM =
高速切削定义
20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加 工的理论
Tcr
切削 温度
Ta
v1 vcr
切削 速度
6
v2
高速切削定义
切削温度/℃
1600

1200
青铜
铸铁
硬质合金980℃
v=200m/mim vf =50mm/min a p= 0.5mm v=110m/min f =0.08mm/r a p= 0.3mm
钛合金Ti6Al4V 柴油机机体主轴 承孔(表面热喷 涂镍基合金)
HV330
铣削
HRC50
镗孔
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高速切削的应用
干切系指不使用冷却液的切削技术
准干切则指使用最少量冷却液的切削技术
一般钢 材、铸 铁粗、 精加工 高硬度 钢材精 加工
最高 最高 高精度 Ra=0.1-0.05 IT5-6
硬质合金、铜、 铝有色金属及 其合金、陶瓷 等高硬度材料
很高 Ra=0.4-0.2 IT5-6 可替代磨削
淬火钢、冷硬 铸铁、高温合 金等难加工材 料
低速加 加工对象 工一般 钢材、 铸铁
一般钢 材、铸 铁粗、 精加工
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精铣
精铣
车削 钻孔 精车
精镗
高速切削的应用
PCBN刀具在高速切削中的应用实例
加工对象 冷挤压模YG15 硬度 HRA87 加工方式 镗孔 工艺参数 加工效果 工效较电火花加工提高30倍, Ra=0.8~0.4μm Ra=1.6~0.8μm 行程达13000m, Ra=1.6~0.8μm
v=50m/mim f = 0.1mm/r a p= 0.1mm
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
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高速切削的特征
降低切削力
(用PCD刀具材料车削铝合金)
(主切削力)
(切削速度) 来源:PTW
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高速切削的特征
减少传递给工件的热量 切屑和接触面之 接触区 间的接触区域产生 的高温会导致温度 高速切削的剪切角 效应并降低工件材 料变形的阻力 常规切削的剪切角 剪切角增大
(刀具寿命) 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 (切削速度)
CBN:立方氮化錋
Cermet:金属陶瓷
来源:PTW
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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
Stelite合金850℃
800 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃ 400
软铝
非铁金属
切削不 切削适应区 适应区
0
600
1200
1800
2400
3000
切削适应区
切削速度v/(m/min)
图2 Salomon切削温度与切削速度曲线
7
高速切削的定义
高速范围与加工材料密切相关
工件材料
纤 维增 强 塑料
普通切削
铝 合金
青铜, 黄铜
过渡区 高速切削
铸铁

钛 合金 镍 基合 金 10 100 1000 m/min 10000
切削速度 vc(铣削)
来源:PTW
8
高速切削的定义
高速范围与加工方法密切相关
车削:700~7000 m/min; 铣削:300~6000 m/min; 钻削:200~1100 m/min; 磨削:150m/s以上。
4
高速切削定义
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。
术语:
HSC
HSM HSM HSD

= = =
High-Speed-Cutting
High-Speed-Machining High-Speed-Milling High-Speed-Drilling
小时就完全达到了工艺要求。
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高速切削的应用
PCD刀具切削铝、铜合金实例
加工对象 车辆汽缸体 AlSi17Cu4Mg 合金 照相机机身 13%硅铝合金 活塞环槽 LM24铝合金 活塞式阀门 LM24铝合金 整流子 CDA105铜合 金 油泵喷射内孔 GdAlSi12Cu 硅铝合金 加工方式 工艺参数 v = 800m/mim fz = 0.08mm/齿 a p= 0.5mm v = 2900m/mim fz = 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 v = 173m/mim f = 0.02mm/r a p= 0.2mm 刀具参数 12mm方形刀片 齿数z = 12 α0=12° 齿数z = 4 γ0=10° α0=12° γ0=10° α0=12° α0’=2° 麻花钻 γ0=0° α0 = 7 ° rε=0.5mm 阶梯镗刀 加工效果 Ra=0.8μm,可连续加工500件 (使用WC基硬质合金只能加 工25件) Ra=0.8~0.4μm,可连续加工 20000件(使用WC基硬质合金 只能加工250件) 可连续加工2500件,无颤振 可连续加工5000件,取代硬质 合金钻头定中心、钻孔、铰孔 可连续加工2500件(使用WC 基硬质合金只能加工50件) Ra=0.35μm,每把刀可加工 150000件
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。
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高速切削的定义
2000
聚 晶金 刚 石PC D
Si3N4
20世纪80年
代以来,新
切 削速 度 v
型刀具材料 的发展为高 速切削的实
c
m/min 800 600 400 200 100 80 60 40 20 10 8 1875
HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 0.3GPa 146.5 惰性小 2.8GPa 100-120 600-800 ℃ 惰性小
抗弯强度 2.4GPa 导热系数 40-50 热稳定性 350℃ 化学惰性
1000 ℃ 1400 ℃ 800 ℃
耐磨性
加工质量


较高 高 一般精度 Ra≤0.8 Ra≤0.8 IT7-8 IT7-8
切削加工 提高精度 扩大加工材料范围 提高生产率 降低加工成本 减少消耗
高速切削
精密与超精密加工 高硬材料切削(HRC60以 上) 干切削与微切削
3
切削技术的发展
条件
高速切削
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
干切削
硬切削
+ 刀具涂层 + 标准化与多功能 化刀具
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高速加工刀具
聚晶金刚石应用实例
聚晶金刚石应用实例
加工对象
铝合金 共晶硅 铝合金 共晶硅
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