高速加工技术--

(2)减少切削振动。切削加工中振动是影响加工精度因素之一，振动 会恶化表面粗糙度，加速刀具磨损，缩短机床寿命。高速加工时 切削力减小，而切削力是切削系统振动的主要激励源，高转速使 切削系统的激振频率远离机床固有频率，切削稳定，振动小，加 工表面质量高。
(3 )切 削 温度及切削力的减小，使高速切削可加工45-65HRC硬度 高的工件材料及难加工材料，同时可采用干式切削，避免使用切 削液，有利保护环境、降低成本。
3.4 机床
HSC要求机床床身能快速移动，所以不充分考虑机床本身的设计就 不能把数控系统的高性能转化成高质量的切削性能和可靠的操作。 首先 是 定 位精度的问题。HSC要求CNC能快速处理大量的数据保 证快速的进给和保证机床的加速、减速性能，但是所有这些不能以 损失定位精度为代价。光是实现CNC对数据的快速处理是不够的， 机床必须携带巨大的负载做准确的三维甚至五维移动，当机床做插 补运动时，三个甚至五个伺服电机同时驱动滚珠丝杆或齿轮齿条把 回转运动转换成直线运动，电机必须有足够的动力克服机械运动阻 力、切削力和工件的重量。
(3) 减 振 装置。在加速度改变的过程中，为了保证加工轮廓的精度，采用 “平振装置”能够避免可能的振动，这是现代CNC的另一个特色。
(4) 进 给 控制系统。为了满足HSC机床的动态要求，只能采用数字电机 代替模拟电机。同老式的模拟电机相比，数字电机的主要优势是有较高的 可控快速进给速率、较高的精度和转速控制性、较大的补偿和漂移范围、 较高安全性的M/C故障诊断、较高的Kv一因子和较易在机床上安装。
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。 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。 和传统加工相比，高速加工有其独特优势:
广东工业大学的超高速机床
高速主轴单元
磁悬浮轴承
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。
§4.4 高速加工刀具
§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?
(5) 接口和数据处理网络。对于处理3D几何图形的HSC机床的CNC控制器 来说，因为数据量往往有几兆字节，采用串联接口(例如RS232)就要花费 相当多的时间。特别是在连续负载模式下过慢的传输速度对于主轴旋转速 度也会产生负面影响。由于这个原因，所有最新的控制器都必须能通过 “以太”网直接输送程序。
(4) 切 削 力的减少，尤其是径向切削力大幅度降低，夹紧力相 应减小，从而零件的内应力及变形小;加工时切削温度的降低也 减小热变形，所以特别有利于薄壁细筋件的加工。 (5 )高 速 加工切削力的减小，对刀具的刚性要求不高，故高速 加工可采用小直径刀具、小切深、小切宽和快速多次走刀来提 高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽。 (6) 高 速 加工明显缩短加工时间，可缩短交货期。同样的生产 量，机床的配置数减少，则节约投资成本，同时还减少车间占 地面积，减少工人数量。
§4.6 典型应用
高速加工技术得以应用的主要原因是这一技术自身具有很
多优点，高速加工的应用场合主要包括：模具业制造，飞
机制造工业，光学和精密仪器加工，汽车制造工业以及家
用设施生产(见表)。尽管高速加工不是制造精密零件必需
的加工方法，但它在精密加工领域取得了长足的进步，采 用高速切削技术，表面加工质量可达Ra=0.2µm和 Rz=3µm。
性对于刀具的寿命和能够达到的表面加工质量有显著影响； （4）刀 具长度和加工的方向对加工表面的质量也有较大的影响。
3.2 程序设计
程序 设 计 分为模型建构(CAD)和所需的制造工艺过程(CAM)— 即 刀具、加工策略等的制订两方面。HS C成 功 应用的关键在于 CAD/CAM用的程序编制器要能够自动调节机床刀具到最佳加工方 式。
v
d n
1000
(m/min 或m/s)
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
进给速度是刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，单位为mm／s ； vf 进给量f是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，工件和刀具在进给 运动方向上的相对位移量。
技术特点
应用范围
应用实例
飞机和航空制造业，汽车 高的金属切除率和高的进 加工铝、镁等轻金属合金、 制造工业中的发动机加工、 给速度 普通钢材及铸铁材料 模具制造业 光学及仪器制造工业，精 获得很好的已加工表面质 加工精密零件和特种精密 密机械加工工业，螺旋压 量，表面粗糙度值很小 表面要求的零件 力机精密零件 单位切削力小
3.3 CNC和电机
现代 CN C控制器能提高速度、精度和表面加工质量，它的特色主 要有:①程序段处理时间降到0.5ms;②内存达到1.5GB以上;③能进行 螺旋线、NURBS抛物线、双曲线)等插补;④前瞻功能可以达到100 个程序段以上，尤其在5轴机床上，对于刀具长度和加工几何尺寸 有自动补偿功能;⑤具备刀库管理功能(TCPM);⑥振动限制和补偿;⑦ 可以达到100MB的快速接口(以太网)速度。 对控 制 器 模块的要求是:程序段循环时间短、具有前瞻功能和减振 装置、优良的进给控制系统、标准的接口和数据处理网络。
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
刀具磨损
切削液 刀具材料
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
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.
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%！
§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。
超高速磨床
HSC技 术 的另一个主要问题是在一定的温度条件下保证机械精度。 轴承、滚珠丝杆及导轨的摩擦都会产生热量，此外电机会产生热量， 切削过程也会产生热量，所有的热量都会使机械部分产生热胀冷缩。 运动的速度越快，则产生的热量越多，由此而产生的热变形会影响 加工的精度，也会因增加负荷而加剧机械部件的磨损。因此提高机 床的机械精度应该放在HSC机床制造的第一位。
飞行器与航空工业中的薄 加工薄壁类和薄板类工件， 壁零件，汽车工业与家用 加工刚性差的工件 电器中的薄板类零件
机床具有极高的强迫振荡 加工复杂的且刚性差的零 光学和精密制造工业 频率 件 切削热绝大部分由切屑带 加工不耐热工件，加工对 精密机械工业，加工镁及 走 热和温度十分敏感的零件 合金
§4.7 技术制约因素
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。
§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
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
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。
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。 实验公式 x C c z f y a p
θ——实验测出的刀屑接触区的平均温度(℃)， Cθ——切削温度系数；
50％~86％
40％~10％
9％~3％
周围介质占1％
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。
wk.baidu.com
背吃刀量（切削深度）
p
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.
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、 刀具几何参数 其它方面的因素
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%
影响切削温度的因素
刀具磨损:磨损→F↑→切削温度↑
切削液可降低切削温度。
§4.1 基础理论研究
（一）问题描述：
§4.2 技术内涵
(1)加工时间大幅度缩短:产品加工中耗时最多的工序是精加工。对 精加工，高速加工比一般加工快4倍以上，普通数控机床精加工 时一般进给速度在3一6 m/min，而高速机床一般在巧一60m/min， 是常规的5一10倍;对粗加工，高速加工采取非常小的切深，但时 间范围内的切削量还是比普通数控机床加工快几倍。这意味着1 台用于高速加工的高速机床可代替几台普通CNC机床。
HS C技 术 的成功应用依赖于各种不同的因素，这些因素彼此紧 密相连。只有在影响加工过程的所有因素都达到最佳配合的状态 下，HSC技术才能成功。这些因素包括:刀具技术、程序设计、 CNC和电机以及机床自身设计。
3.1 刀具技术
（1）刀具材料； （2）刀具结构；
（3）机床、刀 具(刀具座/刀把)、工件(工件夹具)等整个系统的刚
高速加工技术具有的共性
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”)。
(1) 程 序 段循环时间短。对于3D几何图素来说，为了达到最好的表面加 工质量，轮廓被细分成大量微小的增量，这样势必造成程序运行时间非常 长，因此需要快速的程序模块执行功能。例如，如果一个程序段处理时间 为4ms，切削一段长为0.5mm的直线外形轮廓，那么进给速度可达到 7500mm/min 。 (2) 前 瞻 功能。通常划分的单元长度不同，产生的曲率半径也不同，因此 需要改变进给速度来适应不同的曲率半径。必须预测(前瞻)工件的几何图 形，以便提前确认方向的更改，相应地，NC主轴能够减速或加速以便保 持最小的轮廓误差和最经济的加工时间。