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1、 先进制造技术 高速加工技术摘要：论述了高速切削的概念，高速的特点，以及高速切削机床技术、控制系统、高速切削刀具技术、高速切削工艺技术以及高速切削加工理论等高速切削过程中的关键技术的现状与最新进展。关键词：高速加工，加工优势，切削相关技术一、概述1.高速加工的基本概念高速加工的关键技术一般认为高速加工是采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000r/min。高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon
2、）于1931年提出的，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。他认为，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，一定的工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率。2.高速加工的切削速度范围高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异。高速加工切削速度范围随加
3、方法不同而不同。加工工艺切削速度范围（m/min)加工材料切削速度范围（m/min)车削7007000铝合金20007500铣削3006000铜合金9005000钻削2001100钢6003000拉削3075耐热合金500磨削500010000铸钢8003000较削20500钛合金1501000锯削50500纤维增强塑料200090003.高速加工的特点、加工效率高：切削速度、进给速度比常规切削高510倍，加工时间通常可缩减到原来的13，材料去除率可提高36倍。、切削力小：加工切削力比常规降低30，径向力降低更明显，这有利于减小工件以及刀具受力变形，单位功率材料切除率可提高40以上，通常刀具寿
4、命可提高约70。、切削热少：加工过程迅速，95以上的切削热来不及传给工件而被切屑迅速带走，工件积聚热量极少，温升低，适合加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件。、加工精度高：切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影响小，从而使工件表面的残余应力小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性、较好的表面质量。、加工过程稳定：高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，已远远超出“机床一工件一刀具”系统的固有频率范围，不会造成工艺系统振动。、良好的技术经济效益：缩短加工时间、加工能耗低、可加工刚性差的零件、零件加工精度高、提高了刀具耐用度和机床利用率、节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。、工序集约化：可获得
5、高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义。4.高速加工的应用航天航空航天航空工业中许多带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件，采用高速加工，材料去除率达100180cm/min，并可获得好的质量。此外，航空航天工业中许多镍合金、钛合金零件，也适于采用高速加工，切削速度达2001000m/min。在航空航天部门，高强度铝合金整体构件通常都采用“整体制造法”制造，即在整块毛坯上切除大量材料后，形成高精度的铝合金复杂构件，其切削工时占整个零件制造总工时的比例很大。整体结构件还具有结构复杂、壁薄等特点，从而使得整体结构件加工周期长
6、、产品质量难于控制，尤其薄壁加工时，零件尺寸更是难以保证。在高速加工中，由于小的切削力会减轻薄壁的机械变形，另外切削时产生的热量由切屑带走而来不及传递到工件中，避免引起零件的热应力变形，可以稳定地完成薄壁加工。这是航空航天制造业开发和应用高速切削技术的主要原因汽车工业汽车发动机及其配件的高速切削加工，用高速加工中心组成高效率的柔性生产线，具有小型化、柔性突出以及易于变更加工内容等显著特点。对于有大量材料需要移除的工件，具有复杂结构或超薄结构的工件（如发动机机体、缸盖，汽车覆盖件模具等），传统上需要花相当长的机动工时加工的工件以及设计变更快速、产品周期短的工件，均能显示出高速切削所带来的优点。
7、模具制造用高速铣削代替传统的电火花成形加工，可使模具制造效率提高35倍。对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可将低模具生产成本。仪器仪表主要用于精密光学零件加工。5.高速加工的关键技术虽然高速加工具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：高速加工刀具与模具制造技术，高速切削刀具技术刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用；高速主轴单元与高速进给单元制造技术，传统的滚珠丝杠副传动系
8、统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其进行技术改进和技术创新，才能适应高速切削的要求；高速加工在线检测与数控技术，用于高速切削的数控装置必须具备很高的运算速度和精度。采用快速响应的伺服控制，以满足复杂型腔的高速度加工要求；其他技术，如高速加工毛坯制造技术、干切技术、高速加工的排屑技术、安全防护技术等。二、 高速切削刀具材料1.高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高强度和耐磨性；高韧度、良好的耐热冲击性；高热硬性、良好的化学稳定性。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金刚石（PCD）材料等。材料性能刀具材料种类合
9、金工具钢高速钢W18Cr4V硬质合金YG6陶瓷Si3N4天然金刚石聚晶金刚石（PCD）聚晶立方氮化硼（PCBN)硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗弯强度（GPa）2.43.21.450.80.32.81.5热导系数（W/mk)40502030701003040146.510012010100热稳定性（）350620100014008006008001000化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高加工质量一般精度Ra0.8IT78Ra0.8IT78高精度Ra=0.10.05IT56Ra=0.40.2IT56可替代磨削加工对象
10、低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁的粗、细加工一般钢材、铸铁、有色金属的粗、细加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝、有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料2.金刚石天然金刚石天然金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石的原身，它是一种由碳元素组成的矿物，是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，硬度范围为HV8000HV12000,相对密度为3.483.56。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可小至0.01m。天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于
11、加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。聚晶金刚石（PCD）PCD由微米尺寸的人造金刚石微粉在高温高压条件下烧结而成，金刚石单晶随晶面及晶向的不同而表现出不同的特性，聚晶金刚石则表现出各向同性，在各个方向表现出相同的性质。PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的812倍；PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.59倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；PCD的摩擦系数一般仅为0.10.3（硬质合金的摩擦系数为0.41），因此PCD刀具可显著减小切削力；PCD的热膨胀系数仅为0.910-61.1810-6，仅相当于硬质合金的1/5，因
12、此PCD刀具热变形小，加工精度高；PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤 加工对象硬度加工方法工艺参数加工效果铝合金端铣v=4000m/minRa0.80.4m共晶硅铝合金HRC71车削v=600m/min=0.1mm/r一次刃磨切削行程800km,Ra0.8m,刀具寿命为硬质合金的50倍共晶硅HRC71铣削v=2900m/minz=0.018mm/Z刀具寿命为硬质合金的80倍，Ra0.8m玻璃纤维强化塑料HRA87车削v=500m/min刀具寿命为硬质合金的150倍，Ra0.80.4m热塑性醋酸盐铣削v=4500m/minV=10mm/mi
13、n比硬质合金寿命提高380倍，Ra0.80.4m高Si-Al铸件铣削v=2200m/minRa0.8m铝合金钻削v=360m/min以钻代镗，Ra0.8m3.聚晶立方氮化硼从1957年美国GE公司研制出立方氮化硼（CBN）单晶粉末、70年代研制成功PCBN刀具至今，经过30多年的发展，PCBN刀具已逐步趋于成熟。目前PCBN刀具多由PCBN刀片与刀杆或可转位刀片焊接而成，近年来整体式PCBN刀片种类也越来也多。PCBN刀片是0.5mm左右的PCBN层直接烧结在硬质合金基体上形成的复合整体。这种材料既具有PCBN的高硬度、高热稳定性和高的化学稳定性，同时又具有硬质合金强度好、可焊性好的优点，使P
14、CBN刀具不仅可切削各种硬度的工件，而且也易于生产。PCBN刀片质量的好坏直接影响着刀具切削性能。PCBN刀片的质量受到多种因素的影响，其中烧结过程中各种工艺参数的改变，对PCBN刀片的质量影响最大。粘结剂/催化剂材料、基体材料等组成材料，以及颗粒表面清洁度、颗粒度等都决定了PCBN刀片的性能。加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果Cr15钢轧HRC71车削v=180m/min=5.6mm/r以车代磨，工效提高45倍，Ra0.80.4mYG冷挤压模HRA87镗孔v=50m/min工效较电火花加工提高30倍，Ra0.80.4mA3热压板端铣v=800m/minv=100m/min以铣代磨，工效提高
15、67倍，Ra1.60.8m，平面度0.02m凸轮轴HRC60磨削v=80m/s比单晶刚玉砂轮寿命提高20倍，生产效率提高50%GCr15轴承内孔HRC62磨削v=65m/s比棕刚玉砂轮耐用度提高170倍，生产效率提高一倍Cr、Cu铸铁端铣v=800m/minRa0.8m，平面度0.02m40CrHRC38立铣v=850m/min以铣代磨，工效提高56倍三、超高速切削的主轴系统 超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现高速加工最关键的技术之一。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。高速主轴单元在结构上分为两类，即分离式高速主轴与内装式电主轴。
16、分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、装配及调整，主轴单元冷却系统的设计及主轴单元的试制等。 内装式电主轴采用电机直接驱动方式，主轴电机与机床主轴合二为一，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，因而把主传动链的长度缩短为零。我们称这种新型的驱动与传动方式为“零传动”。 集成式电机主轴振动小，由于直接传动，因而减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮的传动误差。同时，集
17、成式主轴也简化了机床设计中一些关键性的工作，如简化了机床外型设计，容易实现高速加工中快速换刀时的主轴定位等。 这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在： 有很大的驱动功率和扭矩； 有较宽的调速范围； 有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性。国外超高速主轴单元的发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速已普遍达到10 000 r/min，甚至更高。四、超高速轴承技术高速主轴轴承是机床的核心部件，其功能是带动刀具（砂轮）或工件旋转，实现高速精密加工。随着现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提高，
18、机床对主轴性能的要求也越来越高，传统的高速主轴概念已难以充分描述机床主轴的技术内涵。 高性能机床用高速主轴轴承是指在满足加工精度和加工效率的前提下，速度、精度、刚度、功率、转矩匹配特性好，可靠性高，性能价格比高的机床主轴。 机床高速主轴轴承按所采用的轴承类型可分为滚动轴承（角接触球轴承、滚子轴承）、液体滑动轴承（动压轴承、静压轴承、动静压轴承）、气体轴承和磁悬浮轴承等，按照与电动机的连接方式可分为机械主轴和电主轴。 电主轴（高速主轴轴）是将机床主轴功能与电动机功能从结构上融为一体的新型主轴部件，它省去了皮带传动或齿轮传动环节，具有速度高、精度高、调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和准停等优点。
19、用电主轴取代传统机械主轴是机床工业发展的大趋势。 电主轴按照电动机的类型又可分为异步型电主轴和永磁同步型电主轴。 从机床行业的客观需求来看，角接触球轴承电主轴、液体（动）静压轴承电主轴和气体轴承电主轴既是市场开发的重点，也是学术研究的热点。角接触球轴承是最适宜高速化的高速主轴轴，具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和标准化等优点，其极限转速高、精度高、刚度高，在加工中心、数控铣床、车床、内圆磨床和高速雕铣机中获得了广泛应用，其主要技术难点在于提高精度寿命和可靠性。液体（动）静压主轴以液态“油膜”作为支撑，具有显着的“误差均化效应”和阻尼减振性，回转精度远高于滚动轴承式主轴，其刚度高，磨损
20、小，寿命长，在精密超精密机床上获得了广泛应用，其主要技术难点在于控制高速时主轴的温升和热变形。气体轴承电主轴以“气膜”作为支撑，回转精度和极限转速高于液体（动）静压电主轴和滚动轴承式电主轴，其热稳定性好，是超精密机床和印刷电路板（PCD）钻床不可或缺的核心部件，其不足之处在于承载能力低，工艺要求高。 磁悬浮轴承也是一类重要的主轴支撑方式，极限转速高，运转过程中无磨损，其技术难点在于如何提高动刚度和阻尼减振性能，在实现高速的同时保证高加工精度。磁悬浮主轴的核心研究内容是机械系统特性和电磁特性的控制问题。 参考文献：张世昌先进制造技术M天津：天津大学出版社，2004 陈日曜. 金属切削原理M北京：机械工业出版社，2002 先 进 制 造 技 术 学校：太原科技大学 班级：机自112206H 姓名：曹生文 学号：201122010602
