高速切削技术课后作业

《第二章高速切削技术》课后作业

班级：机设1506 姓名：吴利锋学号：10

1. 高速切削技术具有哪些优越性？

高速切削之所以得到工业界越来越广泛的应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：

1.可提高生产效率

高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。

2.降低了切削力

由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，参见图1。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

3. 提高了加工质量

因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

4.加工能耗低，节省制造资源

由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。

5. 简化了加工工艺流程

常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。

2. 与常规切削相比，高速切削机理有哪些特别之处？

与常规切削相比，高速切削具有下列特别之处：

(1) 加工效率高。随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5~10 倍。金属去除率可达到常规切削的3~10 倍。同时机床快速空行程速度的大幅度提高，也减少了非切削的空行程时间，极大地提高了机床的生产率。

(2) 切削力降低。在切削速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁细肋等刚性差零件的精密加工。

(3) 工件热变形减小。高速切削刀具热硬性好，95% ~98%以上的切削热被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，可进行高速干切削，不用冷却液，减少对环境的污染，能实现绿色加工。

(4) 已加工表面质量高。高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床- 刀具- 工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳振动小。

(5) 有利于保证零件的尺寸、形位精度。

(6) 能保证刀具和工件保持低温度，延长了刀具的寿命。在高速切削中切削量浅，切削刃吃刀时间短，进给比热传播的时间快。刀具和主轴上的径向力低。能减小主轴轴承、导轨和滚珠丝杠的磨损，对主轴轴承的冲击小。可以使用悬伸较长的刀具，振动风险小。

(7) 加工成本大大降低。高速加工提高了加工效率和加工质量，减少了打磨修整工序。

3. 高速切削刀具材料有哪些？各适应哪些场合？

目前适合高速切削的刀具材料有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、TiC(N)基硬质合金、硬质合金涂层、超细晶粒硬质合金和粉末冶金高速钢等。

1.金刚石：适合加工钛合金、高硅铝合金和FRP复合材料。

2.立方氮化硼：适合加工高硬钢、耐热合金、镍基高温合金等。

3.陶瓷：适合加工高硬钢、耐热合金、镍基高温合金、铸铁等。

4.TiC(N)基硬质合金：适合加工铸铁。

硬质合金涂层：适合加工耐热合金、钛合金、铸铁、纯钢等。

4. 为什么7∶24锥度的BT工具系统不能适应高速切削？而HSK 刀具系统能适应高速切削要求？

常规数控加工中心主轴与刀具的连接大多采用7∶24 锥度的单面夹紧刀柄系统, 常用刀柄规格ISO、CAT、D IN、BT等都属此类。高速切削加工时, 这类系统出现了许多问题, 主要表现为: 刚性不足; ATC(Automatic Tool Changing, 简称ATC) 的重复精度不稳定; 受离心力作用的影响较大; 刀柄锥度大, 不利于快速换刀及机床的小型化。针对这些问题, 为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度, 适应高速切削加工技术发展的需要, 相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。常规数控机床通常采用7 ∶24 锥度实心长刀柄,目前共有五种规格且已实现标准化即NT (传统型) 、D IN69893 (德国标准) 、ISO7388 /1 (国际化标准) 、ANSI/ASME (美国标准) 和BT (日本标准) 其中BT (7∶24锥度) 刀柄结构简单, 成本低以及使用便利而得以广泛应用。BT刀柄与机床主轴连接时仅靠锥面定位, 高速条件下因材料特性和尺寸差异造成主轴锥孔和配合的刀柄同时产生不均匀变形量, 其中主轴锥孔的扩张量大于刀柄,导致刀柄和主轴的配合面产生锥孔间隙。7∶24 标准锥度长刀柄仅前段70%与主轴保持接触, 而后段配合中存在微小间隙, 从而导致刀具产生径向圆跳动, 破坏了工具系统的动平衡。在拉紧机构作用下, BT刀柄沿轴向移动, 削弱刀柄轴向定位精度, 造成加工尺寸误差。大锥度还会限制自动换刀ATC过程高速化, 降低重复定位精度和造成刀柄拆卸困难。

由于传统的机床/刀具连接的结构和功能缺陷,已不能满足高速加工的高精度、高效率及静、动刚度、动平衡性等要求。国外厂家和研究机构不断开发推出各种新型结构刀柄如德国HSK系列、日本Big2Plus、美国KM系列和Showa D2F2C 系列等。

5. 高速切削技术在航空制造中的应用具体体现在哪些方面？

飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的主要部件，功能重要。高速铣削是该类零件机械加工的最主要方法。高速数控加工中心和高速铣床已在航空制

造企业中广泛应用。飞机结构件的材料主要有 3 类：航空铝合金、钛合金和复合材料，其中航空铝合金所占比重最大。铝合金切削性能好，但切削时容易粘刀、产生积屑瘤。随着铝合金硅含量的增加，加工难度在增大。钛合金切削性能差：切削温度很高、单位面积上切削力大、加工冷硬现象严重、刀具易磨损。从结构上看，飞机结构件壁薄、尺寸大、加工余量大、相对刚度较低。。为了减轻重量，进行等强度设计，往往在结构件上形成各种复杂槽腔、筋、凸台和减轻孔等要素。整体结构件尺寸更大，结构更复杂壁薄、易变形，零件槽间距离可能仅为2~5mm，腹板厚度也仅有2~4mm，筋顶形状复杂，切削时很容易产生变形。飞机结构件（尤其是整体结构件）的复杂型腔是用数控铣削方法由整块毛坯件逐步挖制而成。

首先，由于高的切削速度，单位时间内的材料切除率（切削速度、进给量和背吃刀量的乘积，）增加，切削加工时间减少，切削效率大幅度提高，从而加工成本也降低。同时，在高切削速度范围内，切削力降低，减少了切削变形引起的加工误差，从而有利于薄壁件或刚性差零件的切削加工。此外，高速切削时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热。切削速度提高愈大，带走的热量愈多（大约在90％以上），传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加工零件的内力和热变形，提高加工精度。高速切削时，工作平稳、振动小，零件的加工表面质量高。原因有2个方面：高速切削时，机床的激振频率高，远离了工艺系统的固有频率，避免了颤振；切削力是切削过程中的主要激励源，高速切削时切削力降低，使得激励源减小。高速切削也可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。高速切削的理论基础与常规速度的切削有很大不同，有关高速切削的理论最早源自于萨洛蒙假说，相关理论目前仍在探索完善中。