高速切削加工技术论文

高速切削加工技术 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 高速切削加工技术概述 一、引言 随着科技进步和工业的飞速发展，模具已经成为当今工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备。模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达500亿元的规模，我国模具制造市场潜力巨大。模具是一种专用工具，用于成形(型)各种金属或非金属材料所需要零件的形状制品，这种专用工具统称模具。模具是工业生产中最基础的设备，是实现少切削和无切削的不可缺少的工具。模具已广泛用于工业生产中的各个领域,如汽车、摩托车、家用电器、仪器、仪表、电子等,它们中60%,80%的零件都需要模具来进行制造;高效大批量生产的塑料件、螺钉、螺母和垫圈等 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 件也需要模具来生产;工程塑料、粉末冶金、橡胶、合金压铸、玻璃成型等更需要用模具来成型。 正因为模具应用如此广泛，与之相关的模具制造技术也有了很大的发展。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势。在国外一些模具生产厂家，高速机床大面积取代电火花机床，高速切削生产模具已经逐渐成为模具制造的大趋势。 二、高速切削加工技术概述 高速切削(High Speed Cutting,HSC)是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发展。 1、高速切削加工机床的关键技术 为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动,同时保证高精度(定位精度?0.005mm),性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。图1(a)、(b)所示为高速切削加工中心，其关键技术有以下几项: (1)高速主轴 高速主轴是高速切削加工机床的核心部件,随着对主轴转速要求的不断提高,传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求,取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴,它将主轴电机与机床主轴合二为一,实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度,自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒温,一般可控制在20?,25?范围内某一设定温度,精度为?0.7?,同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使主轴免维护、长寿命、高精度。 (2)高速伺服系统 为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的伺服系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件,否则会造成刀具的急剧磨损与升温,破坏工件加工的表面质量。 高速切削技术 一、概述 自20世纪30年代德国 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到90年代初，高速切削技术开始进入实用化，到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。 根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5,10倍的切削加工。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。目前，加工铝合金已达到2000,7500m/min;铸铁为900,5000m/min;钢为600,3000m/min;耐热镍基合金达500m/min;钛合金达150,1000m/min;纤维增强塑料为2000,9000m/min。 高速切削是一项系统技术，图1显示了影响高速技术的各方面因素，企业必须根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。 二、高速切削的特点与应用 实践表明，高速切削具有以下加工特点: 切削力降低 工件热变形减少 有利于保证零件的尺寸、形位精度 已加工表面质量高 工艺系统振动减小 显著提高材料切除率 加工成本降低 高速切削的上述特点，反映了在其适用领域内，能够满足效率、质量和成本越来越高的要求，同时，解决了三维曲面形状高效精密加工问题，并为硬材料和薄壁件加工提供了新的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。在航空航天业主要是解决零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、难加工材料和加工效率等问题，特别是整体结构件高速切削，既保证了零件质量，又省去了许多装配工作;模具业中大部分模具均适用高速铣削技术，高速硬切削可加工硬度达50,60HRC的淬硬材料，因而取代了部分电火花加工，并减少了钳工修磨工序，缩短了模具加工周期;高速铣削石墨可获得高质量的电火花加工电极。高速切削的高效率使其在电子印刷线路板打孔和汽车大规模生产中得到广泛应用。目前，适合高速切削的工件材料有铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢、石墨和石英玻璃等。 三、高速切削机床 高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。高速切削机床是高速切削应用的基本条件。 高速铣床的主轴转速一般在18,000rpm以上，30,000,60,000rpm也已在工业中实际应用，功率在十几至几十千瓦，高速状态下达到最大功率，但扭矩降到最小，同时许用的铣刀直径也将减小。高动态的进给驱动直线工作进给速度一般在20,40m/min，采用直线电机的驱动速度在60,120m/min，加速度1,2g。回转工作台速度可达360rmp，回转加速度达47?/s,，基本满足高速五坐标联动加工。 机床主轴和床身要有良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能。人造大理石床身具有很高的热稳定性，良好的吸振性能，并能根据需要制作最合理的机床结构。研究表明人造大理石的吸振性是铸铁的6倍左右。 图2 高速机床CNC控制技术 具有快速数据处理能力的CNC控制系统是高速机床的必要保证。图2显示了高速机床CNC控制系统的有关技术。前视技术、大容量内存和ETH-ERNET通讯等技术是高数据处理速度的基础，NURBS曲线插补为复杂曲面提供了短程序段和光滑插补解决方案，数字驱动克服了模拟控制微量的时间滞后问题，高分辨率反馈技术是高精度加工的保障。 此外，机床的安全防护、刀库数量、换刀速度、冷却润滑、排屑能力等等，也是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 或选购高速机床必须考虑的重要问题。 四、高速切削刀具技术 高速切削刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的 要求，在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。 从提高耐用度和可靠性角度，需要考虑: 刀具基体与涂层材料 刀尖几何结构 刀刃数和刀杆伸出量 切削用量 走刀方式 冷却条件 刀具与工件材料匹配 从提高使用安全性方面，需要考虑: 刀具系统强度与尺寸 刀 杆与机床的夹持方式 刀片夹紧方式 刀具动平衡 由于高速切削高转速和快进给等特点，除了良好的耐磨性和 高的强度韧性的先进刀具材料，优良的刀具涂层技术，合理的几图3 刀具伸出量对耐用度的影响 何结构参数和高同心度的刀刃精度质量等因素外，还需特别注意 其它因素对刀具耐用度的影响。图3为不同刀具伸出量对切削路 径长度的影响，可见伸出量越短，耐用度越高。一般情况下，顺 铣的耐用度高于逆铣，而往复铣的耐用度最低(见图4)。图4中向 下进实际反映刀具顶着进给方向进刀，而向上进反映刀具拖着进 给方向进刀，对耐用度也有较大影响。铝合金高速铣削通常用双 刃铣刀，过多的刀刃会减少容屑空间，容易引起切屑粘刀。为避 开共振频率，也可采用三刃铣刀以增加冲击频率。铝合金加工容 易产生积屑瘤，这对高速铣削非常有害。要减少积屑瘤的产生， 刀具表面要平滑;避免采用物理气相沉积(PVD)涂层刀具，因为 TiAlN涂层很易与铝产生化学反应，可以选用非涂层刀具，细晶金 刚石涂层或类金刚石涂层刀具;如有可能，尽量采用油雾刀具内 冷进行冷却润滑。 高速铣削刀具结构对刀具耐用度和安全性均有很大影响，图4 球头铁刀不同铣削方式对耐用度的影响 关键要点包括刀具系统的平衡设计;减少径向和轴向跳动;控制 动平衡精度;与机床联接普遍采用HSK刀柄或类似双面接触短锥刀柄;刀具的夹紧最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式)，装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧，这种结构刀具的径向跳动在4µm，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高的夹紧可靠性，特别适用于更高转速的高速铣削加工。 五、高速切削工艺技术 高速切削工艺主要包括:适合高速切削的加工走刀方式，专门的CAD/CAM编程策略，优化的高速加工参数，充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等等。 高速切削的加工方式原则上多采用分层环切加工。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，不宜采用。斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐加大的，因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入，最适合型腔高速加工的需要。 CAD/CAM编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进结速率变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有:尽可能减少程序块，提高程序处理速度;在程序段中可加人一些圆弧过渡段，尽可能减少速度的急剧变化;粗加工不是简单的去除材料，要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，尽可能减少铣削负荷的变化;多采用分层顺铣方式;切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证恒定的切削条件;充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。零件在加工前必须经过仿真，验证?刀位数据的正确性，?刀具各部位是否与零件发生干涉，?刀具与夹具附件是否发生碰撞，确保产品质量和操作安全。 高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时，加工用量会有很大差异，目前尚无完整的加工数据。通常，随着切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨损加剧，除较高的每齿进给量外，加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。对于刀具寿命，每齿进给量和轴向切深均存在最佳值，而且最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量fz、较小的轴向切深ap和适当大的径向切深ae。 在高速铣削时由于金属去除率和切削热的增加，冷削介质必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的能力。常规的冷却液及加注方式很难进入加工区域，反而会加大铣刀刃在切入切出过程的温度变化，产生热疲劳，降低刀具寿命和可靠性。现代刀具材料，如硬质合金、涂层刀具、陶瓷和金属陶瓷、CBN等具有较高的红硬性，如果不能解决热疲劳问题，可不使用冷却液。 微量油雾冷却一方面可以减小刀具,切屑,工件之间的摩擦，另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换热效果较冷却液热传导的换热效果方式能带走更多的热量，目前已成为高速切削首选的冷却介质。 氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中取得了很好的效果。氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作用外，还具有抗氧化磨损等作用，在33m/min的铣削速度时，相比较空气油雾冷却，刀具耐用度提高60%，铣削力可降低20%,30%。 六、结语 高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合，充分发挥高速切削技术的优势。高速切削工具技术也是一项关键技术，为了适应和推动我国高速切削技术的发展，我们应该充分认识到，工具制造是一个高技术含量的行业，应加强该领域的基础研究、工程研究和应用研究;迅速发展的高速切削技术极大的刺激高性能刀具的需求，我国工具行业应重点在刀具的耐磨性、精度和可靠性方面加强研发力度，提高刀具的竞争能力;刀具的竞争力应集中在高性能带来的整体经济效益，在应用领域推广使用高性能刀具;提供个性化技术服务;根据我国目前的实际情况，建议重点发展涂层技术(如耐磨(硬、软)涂层、复合涂层、纳米结构涂层等)，刀具质量保障技术和刀具数据库。 高速切削加工技术 简介:高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%,40%， 高速铣削制造周期与常用材料切削速度 [1] 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，低阶切削振动几乎消失。 随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的小量快进使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。 在模具的高淬硬钢件(hrc45,65)的加工过程中，采用高速切削可以取代电加工和磨削抛光的工序，避免了电极的制造和费时的电加工时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可顺利完成。而且在高速铣削cnc加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。这些优点在资金回转要求快、交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。 高速切削加工系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、安全可靠的高速切削cam软件系统等构成，因此，高速加工实质上是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步，高速加工已可以应用于加工合金钢(hrc>30)，广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。例如，高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金时为常规采用的顺铣速度。 随着高速切削加工的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。而且，切削过程的计算机辅助模拟技术也出现了，这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速切削 应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3， [2]而高速铣可正好用来缩短研制周期，降低加工费用。 优势:高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术,可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。近几年来，在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。 通过国内外汽车模具制造行业的高速切削加工技术实践应用，高速切削加工技术具有如下优势: 一、高速切削加工提高了加工速度 高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。 二、高速切削加工生产效率高 用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓“一次过”技术(One Pass Machining)。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。 三、高速切削加工可获得高质量的加工表面 由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。 四、简化加工工序 常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。现在则可以通过高速切削加工来完成，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产周期。 五、高速切削加工使汽车模具修复过程变得更加方便 汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该工作，取得以铣代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，无需重新编程，且能做到精确无误。 六、高速切削加工可加工形状复杂的硬质汽车模具 由高速切削机理可知:高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松，高速切削加工在切削高强度和高硬度材料方面具有较大优势，可以加工具有复杂型面、 [3]硬度比较高的汽车模具。 机床要求 超高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产 表1 国内外高速加工中心 [4] 物。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。然而，高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等。高速切削所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面: (1)机床结构的刚性 要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min),能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。 (2)主轴和刀柄的刚性 要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。 (3)控制单元 要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。 (4)可靠性与加工工艺 能够提高机床的利用率(6000h/y)和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。 常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g(重力加速度)。高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置 [5]和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。目前国内的高速机床，其性能与国外相比还存在一定的差距。 数控编程系统要求 高速铣削加工对数控编程系统的要求越来越高，价格昂贵的高速加工设备对软件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具外，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨 迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。 (1)CAM系统应具有很高的计算编程速度 高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。 (2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力 高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果，所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。 (3)丰富的高速切削刀具轨迹策略 高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式机能有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定的工艺要求。为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，CAM系统应能根据加工瞬时余量的大小，自动对进给率进行优化处理，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。CAM软件在生成刀具轨迹方面应具备以下功能: ?应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏; ?应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速; ?下刀或行间过度部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料;行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接; ?残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，避免用小刀一次加工完成，还应避免全力宽切削; ?刀具轨迹编辑优化功能非常重要，避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的镜像、复制、旋转等操作，避免重复计算; ?刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型重编; [6] ?可提供优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查，如Vericut软件就可很好地检测干涉。 高速切削加工技术的现状和发展 一、概述 机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点:今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150,1500cm3/min，超硬刀具材料硬度达3000,8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10µm到0.1µm。干(准)切削日益广泛应用。随切削速度提高，切削力降低大致为25,30%以上;切削温度增加逐步缓慢;加工表面粗糙度降低1,2级;生产效率提高，生产成本降低。 图1 不同材料的高速切削加工速度范围 高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。 高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度?100,200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。 但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。 二、高速切削加工理论基础 1. 切屑形成特征 不同材料在不同状态下的切屑形态见图2及图3。 (a) 供货状态，切削速度127.2m/min 连续带状切屑(D.LEE) (b) 硬度325HB，切削速度125.5m/min 锯齿状切屑 (c)硬度325HB，切削速度250m/min 锯齿状切屑 (d)硬度325HB，切削速度2600m/min 即将分离的锯齿状切屑 图2 高速切削不同状态AISI4340钢(40CrNiMoA)时的切屑形态(纵截面微观照片) 图3 切削渗碳淬硬20CrMnTi钢(HRC60,62)在100,110m/min时的切屑形貌 工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性的影响。 一般低硬度和高热物理性能KρC(导热性K、密度ρ和比热容C的乘积) 的工件材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等，在很大切削速度范围内容易形成连续带状切屑。 硬度较高和低热物理特性KρC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增 高，直至形成分离的单元切屑。 2) 切削力学 图4 直角切削时剪切角和前刀面受力简图 图5 高速切削4340钢(40CrNiMoA)时剪切角φ的计算值与测量值的比较(Recht) 图中Fs为剪切力，Fm为高速切削时切屑动量改变所需的作用力;Ff为作用在后刀面上的摩擦力。 剪切角φ和摩擦系数μ(=tgβ)的关系可用Merchant公式估算 0 φ= - + 4 2 2 实验证明在高速切削时计算的φ角与测量的结果有良好的一致性。 在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。 图6 Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力 图7 切削时热的产生与传出 3)切削热和切削温度 切削时的热量主要来自剪切变形功、刀-屑和刀-工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1%。 图8 立铣铝合金时，流入各部分的切削热量 图9 Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10A(HRC58,65)时的切削温度 切削速度对切削温度的影响试验结果。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。 4) 表面粗糙度 随V增加，加工表面粗糙度有所减少。实验用的ACE,V500加工中心最高转数为10000r/min，其一段和二阶固有频率分别为50Hz(3000r/min)和113Hz(6780r/min)。 图10 涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响 三、高速切削刀具材料 1) 高速切削刀具材料 金刚石 天然金刚石 聚晶金刚石(PCD) 人工合成单晶金刚石 金刚石涂层 立方氮化硼(PCBN) 陶瓷刀具:有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类 TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷) 涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。 硬涂层:CVD的TiCN+Al2O3+TiN;TiCN+Al2O3; TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3和TiCN、TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等 软涂层:硫族化合物(MoS2，WS2)涂层的高速钢刀具 超细晶粒硬质合金:细晶粒(0.2-0.5µm)的WC基硬质合金，添加TaC、NbC等 粉末冶金高速钢(PM HSS)和高性能高速钢HSS-E 图11 刀具材料应用示意 2) 高速切削刀具材料的合理应用 高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。 刀具材料性能 硬度大小:金刚石PCD>立方氮化硼 PCBN>Al2O3基>Si3N4基>TiC(N)基硬质合金>WC基超细晶粒硬质合金>高速钢HSS。 抗弯强度大小:HSS>WC基>TiC(N)基>Si3N4基>Al2O3基>PCD>PCBN。 断裂韧性大小:HSS>WC基>TiC(N)基>PCBN>PCD>Si3N4基>Al2O3基。 耐热性:PCD700?-800?;PCBN1400?-1500?;陶瓷1100?-1200?;TiC(N)基900?-1100?;超细晶粒硬质合金WC基800?-900?;HSS600?-700?。 高速切削刀具材料合理应用 加工铝合金:金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。 加工钢和铸铁及其合金:Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削;PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削;Si3N4和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁;WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。 加工超级合金:增韧补强的氧化铝基和Si3N4基陶瓷刀具(如SiC晶须增韧)和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。 加工钛合金:一般可用 WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。 四、高速切削加工的刀柄系统 JT或BT系统:刀柄锥度7:24，单面接触。 HSK系统:刀柄锥度1:10，双面接触。 JT刀柄(7:24) JT刀柄与主轴接合图 HSK刀柄(1:10) HSK刀柄与主轴接合图 刀柄与主轴接触 不同刀柄系统，高速加工时，离心力有很大影响。 7:24主轴/刀柄联结 主轴转速达到某一极限值 (n=15000r/min，F=15kN) 时，主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极大地降低了刀柄在主轴锥孔内的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可靠性。 (a)联结面间的间隙(单位:m) (b)联结面间的接触应力(单位:N/m2) 图12 7:24刀柄与主轴的联结 (转速n=15000r/min, 轴向拉力F=15kN) 而HSK则不同。 (a)联结面间的间隙(单位:m) (b)联结面间的接触应力(单位:N/m2) 图13 HSK-A63刀柄与主轴的联结 (n=10000r/min) 刀具转速对径向间隙有影响。 (a) 7:24 (b) HSK-A63 图14 旋转速度对径向间隙的影响 (n=10000r/min) 7:24联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，无法使用。HSK,63A刀柄系统最佳转速范围为0,30000r/min， 超过这个范围精度降低。 五、高速切削加工的安全技术 1) 高速旋转刀具的平衡 高速切削旋转刀具系统必须平衡，但应根据其使用速度范围予以平衡，以达到最佳经济条件。一般在6000rpm以上必须平衡，以保证安全。要求G?2.5, G为平衡品质(mm/s)， 即反映刀具平衡量与转速关系的参数。 U = 30 M 30?M e,偏心(g?mm/Kg) M,刀体质量(Kg) ,角速度(r/s) m,不平衡量(g) N,转速(r/min r,不平衡半径(mm) U,残余不平衡量(g?mm) 残余不平衡量 U=m?r 动平衡线图 SHENCK动平衡仪 在5000 r/min时刀片甩出的面铣刀 36000r/min时弯曲与折断的直径12 mm的带柄立铣刀 在36700r/min时爆碎的面铣刀 高速切削刀具的安全性:防止离心力造成刀体与夹紧零件破坏和刀片的夹紧不可靠。 高速切削刀具破坏实例见上图。 2) 可转位刀具安全性 (a)立装可转位铣刀 (b)平装可转位铣刀 可转位面铣刀 螺钉分析:刀片外移和螺钉弯曲 旋转速度对刀具变形的影响 金属去除率对螺钉最大等效应力的影响 不同装夹方式下的螺钉极限转速 分析结果表明:从安全性看，对可转位面铣刀刀具，旋转离心力造成刀片夹紧，螺钉的破坏和刀体的变形有最主要的影响，立装铣刀优于平装铣刀。 3) 整体硬质合金立铣刀的安全性 φ10mm三齿立铣刀仅受离心力作用的应力图(n=10,000r/min) φ10mm三齿立铣刀刀具受离心力、切削力作用的应力图 金属去除率对φ10mm刀具应力的影响 对于小直径整体式硬质合金铣刀而言，旋转离心力对刀具的变形、应力分布影响很小，完全可以忽略不计。其应力水平的高低是由切削力决定的。 六、高速切削加工技术的应用实例 七、高速切削加工技术展望 高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流 切削速度目标: 铣加工铝及其合金10000m/min;铣加工铸铁5000m/min;铣加工普通钢2500m/min。 钻削铝及其合金30000r/min，钻削铸铁20000r/min，钻削普通钢10000r/min。 进给速度目标20,50m/min，进给量1.0,1.5mm/齿。 铝及其合金等有色金属和碳纤维增强塑料等非金属材料的切削速度主要受限于机床主轴最高转速和功率。在高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速精密数控系统，以及配套的高速轴承及其润滑技术、刀库技术和自动换刀装置及监控技术等正在迅速发展，可望达到更高的加工水平。 铸铁、钢及其合金、钛及钛合金、高温耐热合金等超级合金以及金属基复合材料的高速切削加工目标主要受刀具寿命困扰，发展新型高温力学性能(硬度、强度与断裂韧性)和高抗热震性能更高的高可靠性的刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。 现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料(包括自润滑刀具材料)，特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点。 金刚石刀具领域，人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层刀具具有更好的优越性，随技术日益成熟和成本降低，可望成为高速切削有色金属和非金属材料比较理想的刀具材料。 陶瓷刀具有独特优越性，可望通过多种强韧化机理(如微,纳、纳,纳等)大幅度提高其性能，它将成为高速切削钢、铁材料的最有前途的刀具材料之一。 涂层刀具在高速切削加工技术领域具有巨大潜力，通过深入研究涂层技术和涂层物质，如高强度的硬质合金粉末表面涂层、CBN涂层，纳米涂层等进一步提高其性能，可望成为高速切削加工最具有诱人吸引力的刀具材料。 在发展高速切削加工技术领域，开发高效复合切削技术和高性能切削技术及其多功能与专用刀具，是提高切削效率和加工质量十分有效的方法之一，如下图所示，它是高效切削加工技术的重要发展方向。 侧铣和面铣复合加工刀具 钻镗复合的多功能刀具 叶根轮专用槽铣刀 高速切削过程的机床、刀具和工件质量的智能监控技术将得到更加重视和发展。 八、结束语 高速切削加工技术是一项全新的、正在发展之中的先进实用技术，在工业发达国家已得到广泛的应用，取得巨大的经济和社会效益。在我国高速切削加工技术的开发和应用还处于初步阶段，还有大量研究、开发工作需要进行。但国内已进口了大批高速加工设备，也开发了多种高速机床和加工中心，还有许多可供应高速切削刀具系统的工具企业，只要充分认识高速切削加工技术的优越性和诱人的巨大经济效益的潜力，完全有可能迅速把我国高速切削加工技术的应用推进到一个新水平。(end) 高速切削技术概述 一、 高速切削技术概述 1931年4月德国物理学家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削(High Speed Cutting)的理论，并于同年申请了专利。他指出:在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料都存在一个速度范围， 在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。由于实验条件的限制，当时高速切削无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示。 高速加工技术经历了理论探索，应用探索，初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广。特别是20世纪80年代以来，航空工业和模具工业的需求大大推动了高速加工的应用。飞机零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、长桁、框等，它们有很薄的壁和筋，加工中金属切除率很高，容易产生切削变形，加工比较困难;另外，飞机制造厂方也迫切要求提高零件的加工效率，从而缩短飞机的交付时间。在模具工业和汽车工业中，模具制造是一个关键，缩短模具交货周期，提高模具制造质量，也是人们长期努力的目标。高速切削无疑是解决这些问题的一条重要途径。自20世纪90年代起，高速加工逐步在制造业中推广应用。目前，据统计，在美国和日本，大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国，这个比例高于40%。在飞机制造业中，高速切削已经普遍用于零件的加工。 目前高速切削已经有了一定的应用，但要给高速铣削下一个确切的定义还较困难，高速切削的切削速度范围较难给出。高速切削是一个相对概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5,10倍。对常用材料，一些资料给出了大致数据:铝合金1500,5500 m/min;铜合金900 ,5000 m/min;钛合金100,1000 m/min;铸铁750,4500 m/min;钢600,800 m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为2,25m/min。 二、高速切削技术的优势 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。图2为某模具制造中采用常规加工与高速切削加工的工序比较。 三、高速铣削加工工艺 安全、高效和高质量是高速切削的主要目标。高速加工按目的分为两种情况:以实现单位时间最大材料去除量为目的的高速加工和以实现单位时间最大加工表面积为目的的高速加工。前者用于粗加工，后者用于精加工。 由于高速铣削要求切削载荷均匀，没有剧烈的变化，因此除铝合金和非铁合金外，通常粗加工可采用有较高金属切除率的常规铣削。精加工时由于余量较均匀，采用高速铣削能达到很高的走刀速度，切削更多的表面积。对小的零件，从粗加工到精加工都可采用高速铣削。在粗加工后的半成品工件上，怎样用半精加工方法获得余量比较均匀的半成品毛坯，为精加工采用高速铣削创造条件;另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和设置切削参数，采用先进的走刀方法等，这些都是要考虑的重要问题。 对于一个高速铣削加工任务来说，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体考虑，设计出一个合理的加工方案，从总体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势，这就是高速铣削工艺设计的原则。 1.粗加工 粗加工的目标是追求单位时间的最大切除量，表面质量和轮廓精度要求不高，重要的是让机床平稳地工作，避免切削方向和载荷急剧变化。 为了防止切削时速度矢量方向的突然改变，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角。所有进刀、退刀、步距和非切削运动的过渡也都尽可能圆滑，如在平面铣削中，可采用螺旋或倾斜方式(倾角为5?左右)的垂直进退刀运动、圆弧方式的水平进退刀运动;而在曲面轮廓铣中，使用切圆弧的进退刀运动等。 刀具通常采用球头铣刀和平底圆角铣刀，采用2.5轴加工方式，加工时充分利用主轴的加工功率。 为了平稳地加工硬化了的材料，步距通常不得大于刀具直径的6%,8%，深度不超过刀具直径的10%。 分层切削能控制切削载荷均匀，在粗加工中常采用此法。 2.半精加工 半精加工的目的是把前道工序加工后的残留加工面变得平滑，同时去除拐角处的多余材料，在工件加工面上留下一层比较均匀的余量，为精加工的高速铣削做准备。半精加工应沿着粗加工后的棱状轮廓进行铣削，以便使切入过程稳定，并减小切削力波动对刀具的不利影响。另外，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避免频繁地进退刀。 以前的CAM系统(包括目前的一般系统)基本上没有基于残留模型的编程功能。粗加工以后，不是针对残留材料作后续加工，而是以一个假设的、估计的“毛坯”作为加工对象，来进行半精加工的刀位轨迹计算。这样得到的加工指令，在实际切削过程中会出现空切现象，造成切削状态不连续，引起刀具震动或撞击，缩短了刀具寿命，并容易造成加工缺陷。现在，一些顶尖的CAD/CAM系统已推出了这项技术。如在UG中，粗加工后可生成工件的残留材料模型(IPW)，然后以该残留材料模型为毛坯，生成半精加工操作。这样可去除空刀，减小刀具切入/切出材料时的冲击，延长刀具寿命，并可获得较为均匀的加工余量，为高速铣削精加工创造条件。 3. 精加工 精加工的目的是按照零件的设计要求，达到较好的表面质量和轮廓精度。精加工的刀位轨迹紧贴零件表面，要求平稳、圆滑，没有剧烈的方向改变。精加工中除需对工艺参数进行优化外，还建议采用下面的加工顺序:外轮廓加工、凸起规范几何体的加工、自由型面的加工、阶梯层面加工、平面加工和凹陷规范几何体的加工等。 四、结论 在高速切削加工中，机床、夹具、刀具、数控系统及软件等只是必要装备，加工工艺方法及参数设定等因素才是直接影响加工是否成功的重要因素。这些因素需要经验的积累及反复实践和总结，才能真正发挥高速切削加工的优势。(end)