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1、数控加工技术,1,数控加工技术,关 耀 奇湖南工程学院机械工程系,高速切削加工,数控加工技术,2,内容提要： 本节主要介绍数控高速切削加工的特点、工艺性分析（工艺原则、高速切削方法、刀具的选用）。,数控加工技术,3,高速切削简介,高速切削的概念早在1931年就由德国所罗门博士提出 ；高速切削（High Speed Cutting-HSC）是二十世纪九十年代迅速走向实际应用的先进加工技术 。 高速铣削可用于铝合金、铜等易切削家属和淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料以及碳纤维塑料等非金属材料。 在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在
2、热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。,数控加工技术,4,1.高速切削概述,高速加工是近年来迅速发展的一项先进制造技术，它极大促进了加工效率和产品品质的提高。高速加工不仅对数控系统和机床结构、刀具提出了新的要求。 当以适当高的切削速度（约为常规速度的510倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率。六十多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，到二十世纪九十年代逐渐在工业实际中推广应用。,数控加工技术,5,高速切削涉及机床的下列部件特性：,（1）高速主轴单元 （2）快速进给和高加（减）速的驱动系统 （3）高性能的高速CNC控制系统 （4
3、）高刚性的机床结构 （5）超硬刀具材料、结构和涂层工艺等 。,数控加工技术,6,高速铣削与常规铣削加工参数比较 ：,高速铣削与常规铣削加工相比较，高速铣削单位功率金属切除率提高了30%40%；切削力降低了30%；刀具的寿命提高了70%；工件的切削热大幅度降低；切削振动几乎消失。,数控加工技术,7,2. 高速切削的加工特点 ：,加工特点之一就是高速 。有75%的热量被刀屑迅速带走； 5%的热量由工件吸收，工件温度低，对解决切削变形、热稳定性很有好处 ；使用风冷即可以达到满意的冷却效果。 另一个特点是小切削用量 。主轴转速可达10000100000r/min，进给可达2040m/min，进给加速度
4、可达2g10g。高速铣削的切宽约为刀具直径的1/3，切深约为刀具直径的1/10，在加工中要求不同时进行端铣和周铣。,数控加工技术,8,3.1高速切削的应用,目前高速切削主要应用于以下几个方面：（1）有色金属，如铝、铝合金，特别是薄壁铝件的加工。目前已经可以切出厚度为0.1mm、高为几十毫米的成形曲面。 （2）石墨加工。（3）模具特别是淬硬模具的加工。高速切削已经可以达到很高的表面质量（Ra0.4um），省去了电加工后面的磨削和抛光的工序。高速切削中形成的已加工表面呈压应力状态，还会提高模具工件表面的耐磨性（有统计说模具寿命因此能提高35倍），因此，锻模和铸模仅经铣削就能完成加工已成为可能。 （
5、4）硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。,数控加工技术,9,3.2 高速切削的限制,作为一种新的技术，高速切削的优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。但目前即使是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对高速切削技术的研究也还处在不断的摸索当中。有待于解决的问题：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速切削时刀具轨迹的优化问题等等。主轴转速为1042000r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制 .,数控加工技术,10,3
6、.2 高速切削的限制,（1）刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不能超过16mm，且必须采用进口刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。 （2）扭矩极小，通常只有十几个Nm，最高转速时只有56Nm。这样的高速切削，一般只能用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工。 （3）应尽可能提高进给量，以保证机床既能进行粗加工，又能进行精加工，既省时效率又高。 （4）针对传统的加工方式和不同的被切削材料，应选择合适的刀具材料来实现高速加工，而不能一味地追求高速，为高速而高速。高速切削的刀具材料必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷、金属陶瓷及PCBN刀具
7、等适用于对钢铁等黑色金属的高速切削；PCD 和CVD等刀具则适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速切削。,数控加工技术,11,3.3 高速切削对CAM系统的要求,CAM系统应具有很高的计算编程速度 全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查 进给率优化处理功能 符合高速切削要求的丰富的加工策略 高速切削对编程人员的要求与编程方式的改变,数控加工技术,12,3.4 高速切削要求的加工策略,1）应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以避免因局部过切而造成刀具或设备的损坏； 2）应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速；3）下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或螺旋下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料； 4）行
8、切的端点采用圆弧连接，避免直线连接； 5）应尽量避免全力宽切削； 6）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，直至达到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成； 7）刀具轨迹编辑优化功能非常重要，应避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的摄像、复制、旋转等操作来避免重复计算； 8）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编程，仅需编辑修改边际，无需对整个模型重新编程。,数控加工技术,13,3.5 高速切削技术的发展和展望,（1）在提高机床进给速度的同时保持机床精度。目前铣削轮廓的进给速度是500600in/min
9、，这个速度还要提高一倍；（2）快换主轴。主轴看作刀具，用极快的速度交换，这样做可以延长主轴的寿命；（3）高、低速度的主轴共存。在同一台机床上，高速主轴和普通主轴同时存在，可以扩大机床的使用范围，以适应不同材料和尺寸工件的加工；（4）改善轴承技术。轴承的润滑、在轴承滚道上用铬钛铝镍镀层、采用陶瓷球以增加刚度和减少质量等等。磁悬浮轴承的推广应用，使轴承的Dn值达到2，000，000；（5）改进刀具和主轴的接触条件；（6）更好的动平衡；（7）高速冷却系统。,数控加工技术,14,4.高速切削工艺分析,1) 高速铣削的工艺过程与原则 : 高速铣削要求保持切削载荷平稳，最大限度地减少速率损失，同时使程序处
10、理速度最大化。 铣削时没有剧烈的变化，其前提是要求合理的粗加工和半精加工方案，上道工序的较为均匀的加工余量，是高速铣削发挥优势的基础之一。,数控加工技术,15,对于一个高速加工任务，要把粗加工、半精加工、精加工作为一个整体过程来考虑，设计出一个包括选用刀具和设置切削参数在内的合理的加工方案，从总体上达到加工的高质量和生产的高效率，充分发挥高速铣削的优势，就是高速铣削工艺设计的原则。高速铣削不仅仅是高的切削速度，应该把它看作一个过程，它的各个工序的完成，需要有非常特定的方法和依靠高精度的生产设备。 高速铣削是一种高生产率的加工，对小尺寸的工件，适合从粗加工到精加工，对其他尺寸的工件，适合精加工和
11、超精加工。,数控加工技术,16,粗加工的高速铣削要求：,（1）刀具总是以倾角，以螺旋或倾斜方式进入工件材料；（2）根据刀具材料、工件材料、机床和系统的能力和条件。使进给率与主轴转速之比值应该达到最佳；（3）即使在减少进给量或刀具停止时也要避免急剧改变切削方向。在严重情况下会造成刀具的立即损坏；（4）为了平稳从容地加工硬化了的材料，径向进给量不得大于6%8%的刀具直径，深度进给量最大不超过5%的刀具直径； （5）在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，在工件加工表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。,数控加工技术,17,半精加工的高速铣
12、削要求：,（1）避免急剧的铣切运动；（2）为了避免过切，刀具直接下沉到下一个切削平面；（3）径向切削量小于6%8%的刀具直径； （4）满足均匀切削条件。,数控加工技术,18,精加工的高速铣削要求：,（1）避免急剧变化的刀具运动；（2）避免在外形轮廓上进刀和退刀。在轮廓铣中直接下沉到下一个深度。直接下沉，可通过螺旋或斜坡式下沉；（3）每齿的横向进给量要与径向进给量相当；（4）用刀具的粗糙度值计算步距； （5）每齿进给量为常数可达到最好的表面加工质量。,数控加工技术,19,高速铣削的工艺特点：,（1）很窄的公差带；（2）浅切削；（3）高的切削速度（达到机床极限）；（4）用斜坡和螺旋式进刀；（5）大
13、量采用分层切削；（6）轮廓加工采用小的粗糙度； （7）多用球头刀和圆角立铣刀；（8）切削的切除率尽量保持常数；（9）防止产生切削的二次切断。,数控加工技术,20,2）高速铣削方法,能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置是高速铣削的物质基础，高速加工成功与否取决于技术链：机床主轴工夹刀具刀片，高的切削速度对切屑用量、表面加工质量、切削力和刀具寿命都有很大影响。 适应高速铣削的CAM系统在数控编程方法上也带来了本质的改变。,数控加工技术,21,高速铣削中CAM的特点：,高速铣削的顺利进行，对CAM系统提出了更高的要求，大多数工艺问题也都是通过CAM系统来得到体现的。具体
14、体现如下： （1）进退刀控制 （2）移刀方法 （3）刀路轨迹的拐角处理,数控加工技术,22,5.1高速铣削刀柄的选用,由于在高速切削时，切削力已经不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是传统的锥柄，而是短圆柄，即HSK型柄，不需拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响。重要的是需要动平衡，即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进行平衡。刀具本身采用整体硬质合金刀，或在硬质合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即PCD等，使刀具可以承受高达300500m/min的切削线速度。德国标准DIN 69893规定了高速切削用刀具主柄HSK的结构和尺寸，这一标准也已作为国际标准的草案。我
15、国已开始引进使用此刀柄的机床、刀具及其其它配套产品。,数控加工技术,23,5.2高速铣削刀具的选用,高速铣削刀具必须具备可靠的安全性和高的耐用度。高速切削刀具的安全性必须考虑刀具强度、刀具夹持、刀片压紧和刀具动平衡。高速切削刀具的耐用度与刀具材料、刀尖结构、切削用量、走刀方式、冷却条件、刀具工件材料匹配等因素有关。 高速铣削刀具材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金刚石刀具。,数控加工技术,24,5.3 刀杆结构,高速铣削刀具，分为整体式和机夹式两类。当机床最高转速达到15000 转/分时，通常需要采用HSK 高速铣刀刀杆，或其他种类的短柄刀杆。,数控加工技术,
16、25,刀杆夹紧刀具的方式,有侧固式、弹性夹紧式（a）、液压夹紧式(b)和热膨胀式(c)等。侧固式难以保证刀具动平衡，在高速铣削式不宜采用。,（a） （b）,(c),数控加工技术,26,6.高速切削对机床的特殊要求,（1）主轴转速高、功率大。 主轴最高转速一般大于10，000rmin，有的高达60，000100，000rmin，为常规机床的10倍左右；主电动机功率为1580kW，以满足高速铣削、高速车削等高效、重切削工序的要求。 （2）进给量和快速行程速度高。达60l00mmin以上，为常规值的10倍。保持刀具每齿进给量基本不变，以保证工件的加工精度和表面质量。 （3）主轴和工作台（拖板）运动都
17、要有极高的加速度。主轴从启动到达最高转速（或相反），只用12s的时间。（4）机床要有优良的静、动态特性和热态特性,数控加工技术,27,“零传动”理论,“零传动”是现代高速机床的基本特征，它不但大大简化了机床的传动与结构，更重要的是提高了机床的动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。这是为满足高速加工要求而出现的一种新型传动方式，是近十年来机床设计理论和制造技术的一个重大创新。电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构，而直线电动机高速进给单元则是高速机床进给运动系统实现“零传动”的典型代表。,数控加工技术,28,高速机床的主要组成部件,高速机床由一系列具有高速功能的部件及其支承部件组成。主要
18、组成部件有：（1）高速主轴部件（电主轴）。 （2）高速进给驱动和传动系统。 （3）采用最先进的数控系统。 （4）包括安装、夹紧、快速交换以及实现动平衡的高速刀具系统；（5）适用于高速切削的工件装夹装置；（6）高效冷却和排屑装置 切削时采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。（7）可靠的安全防护和监测装置；（8）动、静、热特性好的床身、立柱和工作台等支承部件。,数控加工技术,29,高速加工中心的技术特征,一是高速切削的技术指标；二是实现高速切削的机床结构特征。从高速切削的技术指标来看，高速加工中心必须具备高主轴转速和高进给速度和加速度等提高速度的特征。从机床的结构方面来看，高速加工中心具
19、有提供高旋转速度的主轴单元部件，目前高主轴转速主要由电主轴实现；提供高移动速度进给的伺服和控制系统以及适合于高速运动的机床主体结构等。,数控加工技术,30,高速加工中心的结构特点,高速加工中心类机床具有一些共同的结构特点，即装备有高速主轴系统和高速进给系统；同时，为了适应高速加工的需要，机床的其他结构部件也要做一些相应的改进。 （1）高速主轴系统（2）高速进给系统 （3）自动换刀技术的改进 （4）提高工件装卸速度和快速交换工件（5）其他适应于高速加工的结构,数控加工技术,31,本章结束 ！,请各位同学认真复习本章内容！,数控加工技术,32,（1）进退刀控制,高速铣削与常规铣削相比较，在进退刀控
20、制上要求更高，应尽量采用斜线、圆弧或螺旋线方式进退刀，轮廓、曲面切向进退刀，保证圆滑过渡，层间进退刀要减少进刀/退刀的相对高度，精加工时最好从工件外部进刀。,数控加工技术,33,（2）移刀方法,在（Zig-Zag）加工中，为避免行间过渡时方向急剧改变，可用采用空间内向圆弧走刀、空间外向圆弧走刀、“高尔夫”式走刀等方式加工。如下图所示。,a）空间内向圆弧走刀 b）空间外向圆弧走刀 c）“高尔夫”式走刀,数控加工技术,34,环切时可用空间螺旋式侧向移刀，如图所示。步距间与层间要圆滑过渡。采用螺旋加工方式，也是保持切削载荷平稳、保证圆滑过渡的方法之一。,数控加工技术,35,（3）刀路轨迹的拐角处理,遇到凹凸拐角加工时，可采用圆弧或圆环走刀，使刀具在拐角处进给速度得到调节，保证切削刃的切削速度恒定，必要时要进行降速处理。对陡壁与非陡壁面的加工，为防止切削载荷的急剧变化，应用不同的方法分开加工，可提高切削速度。,
