高速切削技术1

来源：PTW
（切削速度）
先进制造技术专题 高速切削的特征
减少传递给工件的热量 切屑和接触面之 间的接触区域产生 的高温会导致温度 效应并降低工件材 料变形的阻力
高速切削技术
前刀面 接触区 刀具 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角 后刀面
剪切角增大
切削热大部分由 切屑快速带走 避免积屑瘤的产 生
优化的切屑下落及运送系统
可靠的安全防护系统
先进制造技术专题 面向高速切削的切削机床
设计特征
焊接结构横梁
高速切削技术
直线电机（Z轴）
高速电机主轴
焊接结构XY工作台 直线电机驱动
混凝土聚合物 床身框架
先进制造技术专题 面向高速切削的切削机床
高速电机主轴
驱动电机与主轴的一体化
高速切削技术
转速至80.000r/min，用于小直径刀具的高速切削 大转速范围内的高扭矩输出 首选球轴承、液压轴承、气压轴承或磁轴承
高速切削技术
方案
用空心短锥柄（HSK系列）取代快换锥柄（SK系列） ＋ 通过主轴端面进行轴向定位 ＋ 主轴和空心锥柄的胀塞配合
HSK
先进制造技术专题 面向高速切削的切削机床
对高速切削机床要求
高速切削技术
床身等固定部件的高刚度和高抗振性 主轴的高转速和高加速度 进给系统的高进给速度和高加速度 主轴轴承的高刚度和高抗振性
高速切削机理及工艺
高速切削技术
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
† 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
先进制造技术专题 面向高速切削的切削刀具
抗磨损强度，热硬性，允许切削速度
CBN vc = 200 - 300 m/min GG: - 1.000 m/min PKD vc = 2.000 - 10.000 m/min
高速切削技术
理想刀具材料
Oxidkeramik v c = 700 beschichtete Cermets 2.000 Nitridkeramik v c = 400 m/min 1.200 m/min Cermets v c = 180 beschichtete Hartmetalle 500 v c = 60 - 350 m/min Hartmetalle auf Wolframkarbid-Basis v c = 60 - 130 m/min
先进制造技术专题 面向高速切削的切削机床
对进给系统的要求
高进给速度：>20 m/min 高进给加速度：>0.5 g
高速切削技术
进给速度 vf
HSC加 工
常规 加工
主轴转速 n
先进制造技术专题 面向高速切削的切削机床
直线进给电机
初级线圈 导轨
高速切削技术
机床滑台
技术指标：
vf > 75 m/min a = 1-7 g
高速切削技术
特点：“三高一专 ”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化
以高强度铝合金做基 体的HSC端面铣刀
带内部冷却的钻头
在基体上焊接刀片（材料 CBN，PCD）的HSC刀具
先进制造技术专题 高速切削刀具装卡系统
要求
• 最小的动不平衡量 • 最小的径向偏差 • 高刚性 • 传递高扭矩 • 高精度 • 换刀时的高重复精度 • 高转速下的安全性
HSTM ＝
先进制造技术专题 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
高速切削技术
普通切削
铝 合金
青铜， 黄铜
过渡区 高速切削
铸铁
钢
钛 合金 镍 基合 金 10 100 1000 m/min 10000
切削速度 vc（铣削）
来源：PTW
先进制造技术专题 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；
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
先进制造技术专题 高速切削的特征
提高加工表面质量
高速切削技术
加工 余量 要求轮廓 行距 行距
实际轮廓
行距
来源：PTW
先进制造技术专题 高速切削的特征
降低切削力
高速切削技术
（用PCD刀具材料车削铝合金）
（主切削力）
型刀具材料
的发展为高 速切削的实 际应用创造 了条件。
c
铸 造 硬质合 金
高 速钢
工 具钢
1900
1925
1950
1975
2000
年
先进制造技术专题 高速切削的特征
高速切削技术
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
先进制造技术专题 高速切削的特征
切削速度对刀具寿命的影响
（刀具寿命）
薄壁易变形零件的加工
先进制造技术专题 高速切削的应用领域
高速切削技术
例1：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，
高速切削技术
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
先进制造技术专题 高速切削的特征
高速切削技术
提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间
工件
先进制造技Leabharlann Baidu专题 高速切削的优点
高速切削技术
高单位时间切除率，降低加工成本
高加工表面质量，提高加工精度
低切削力，降低加工系统力变形
高激励频率，避免自激振荡 切削热由切屑带走，减少工件热变形 减少后续工序 ，降低加工成本
先进制造技术专题 高速切削的应用领域
高速切削技术
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。 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
vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。
例2：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小时就完全达到了工艺要求。
先进制造技术专题 实现高速切削的关键技术
Feinkorn-Hartmetalle v c = 60 - 130 m/min TiN/TiCN-besch. HSS vc = 30 - 70 m/min HSS vc = 15 - 30 m/min
脆韧性与抗弯强度
适用于高速切削的刀具材料：
涂层硬质合金、金属陶瓷、刀具陶瓷、CBN及PCD
先进制造技术专题 面向高速切削的切削刀具
先进制造技术专题
高速切削技术
先进制造技术专题
高速切削技术
切削技术的新发展
高速切削的定义
高速切削的特征和应用领域
面向高速切削的切削刀具
面向高速切削的制造装备 面向高速切削的夹紧技术 高速切削的安全防护
先进制造技术专题 切削技术的新发展
目标 手段
高速切削技术
提高柔性 提高加工质量
柔性制造系统
提高切削速度
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
硬材料切削 干切削与微切削
先进制造技术专题 切削技术的新发展
高速切削技术
高速切削
边界条件 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 ＋ 刀具涂层 ＋ 标准化与多功能化刀具
干切削
硬切削
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
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。
HSC HSM HSM HSD HST ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ High-Speed-Cutting High-Speed-Machining High-Speed-Milling High-Speed-Drilling High-Speed-Turning High-Speed-Turn-Milling
高速切削技术
铣削：300～6000 m/min；
钻削：200～1100 m/min； 磨削：150m/s以上。
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。
先进制造技术专题 高速切削的定义
高速切削技术
20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理论
位置测量系统
次级线圈
先进制造技术专题 面向高速切削的切削机床
高速切削技术
HALLER HILLE Specht 500 L 高速铣床（EMO 1997）
• 焊接的钢机架 • 直线电机进给驱动 • Z滑台：钢－CFK三明治体 • 箱中箱结构 • 全封闭结构 • 刀卡：HSK63 • 最大进给：100m/min • 主轴转速：24.000r/min • 加速度：20 m/s2
Tcr
切削 温度
Ta
v1 vcr
切削 速度
v2
先进制造技术专题 高速切削的定义
2000 m/min 800 600 400 200 100 80 60 40 20 10 8 1875
高速切削技术
聚 晶金 刚 石PC D
Si3N4
20世纪80年
切 削速 度 v
代以来，新
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