先进制造技术-高速加工

超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线
• 超高速切削理论研究可追溯到1931年4月德国切削物 理学家萨洛蒙Carl Salomon发表的著名的超高速切 削理论，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。
• 不同工件材料的萨洛蒙曲线
超高速切削概念的产生可用下图示意
•萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度 随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一 数值vc以后，切削速度再增大，切削温度反而降低。并指出 vc之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在 一个速度范围，在这个速度范围内（B区），由于切削温度 太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范 围在美国被称之为“死谷”（dead valley）。
实验研究
• 这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切 削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容 易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，目 前这项理论研究工作还在进一步深入。
超高速切削的应用研究
• Βιβλιοθήκη Baidu国
• 在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界 做了许多领先的工作。1977年在一台带有高频电主轴的 加工中心上进行超高速切削试验。其主轴转速可在 1800 ～18 000 r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度 为76 m/min。
•切削机理 •发生了根本
•的变化
•单位功率的金属切除率提高了30~ 40%， •切削力降低了30%， •刀具的切削寿命提高了70%， •留于工件的切削热大幅度降低（2～3%）， •切削振动几乎消失
问题的提出
• 从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实 质，归根到底，是以加快空程动作的速度和提高零件生 产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术 手段。
• 1990年以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司为代 表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心 和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提 供者。
• 德国
• 在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。 1984年该部拨款 1160万马克，组织了以Darmstadt工业大学 的生产工程与机床研究所（PTW）为首的、有41家公司参加 的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床 、刀具、控制系统等相关的工艺技术，分别对各种工件材料 （钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和 纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与试 验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛 应用，获得了良好的经济效益。
• 超高速加工是指被加工金属材料在切除过程中的剪切滑 移速度达到或超过某一阈值，使得切削力、温度、磨损明显优 于传统• 切削速度。 • 铝合金>1600m/min，钛合金>150-1000m/min • 车削700-7000m/min，铣削300-600m/min
•超高速切削技术
•切削速度为常规高10倍左右 •进给速度提高20倍
先进制造技术-高速加工
2020年5月28日星期四
•主要内容： •1 问题的提出 •2 综合性高技术体系 •3 发展的结果 •4 加工策略与特点 •5 CAM技术支持 • 保持刀具载荷的恒定 • 减少速率损失 •6 加工实例
•什么是高速铣削（HSM）？
• 就是以更快的速度运行已有的程序？
• 高速铣削是一种不同的、更好的加工复杂零件 的方法！
• 图示为1960以年来铣削工 时的变化情况。由图可见 ，1970～1980年，由于加 工中心的大发展，零件加 工的辅助工时迅速下降； 80年代以来，由于高速切 削技术的推广应用，零件 加工中的切削工时开始呈 现较大幅度的下降。在整 个90年代，随着超高速切 削技术的飞速进步，这个 趋势将继续发展下去。
• 试验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增 加了2～3倍，主切削力减小了70％，而加工的表面质量 明显提高。
超高速切削的应用研究
• 受萨洛蒙理论的启发，美国空军和Lockheed飞机公司 首先研究了用于轻合金材料的超高速铣削。1979年美国 防卫高技术研究总署（DARPA）发起了一项“先进加工 研究计划”（Advanced Machining Research Program） ，研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速 切除金属材料提供科学依据。 • 研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表 面质量提高。刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，并 确定铝合金的最佳切削速度范围是1560～4 500 m/min。
• 但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前 加工中心自动换刀时间已缩短到1S，快速空程速度已提 高到 30～50 m/min。再提高空程速度不但技术上有困难 ，经济上不合算，且对提高机床的生产率意义也不大， 矛盾的主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低 切削工时（即提高切削速度和进给速度等），才有可能 在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近 20年来超高速切削技术得以迅速发展的历史背景。
• 日本
• 日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现 ，在超高速切削时，切削热的绝大部分被切屑迅速带走，工 件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界 善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤 其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居 世界领先地位。
实验研究
• 由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削 温度和工件温度的界限。但是，他的思想给后来的研究者一 个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C 区)进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从 而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。
• 美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验采用了 将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件或将工件当作子弹 射向固定的刀具。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑 的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材 料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变。单位切削力 初期呈上升趋势，尔后急剧下降。