第二章 第8节-高速切削.

第八节高速切削切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末也取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。高速切削是当今世界机械制造业中一项迅速发展的高新技术。在现代工业发达国家，高速切削作为一种新的切削加工理念，被愈来愈多的工程技术人员所认可。第八节高速切削一、高速切削技术的概念与特点1.高速切削技术的概念对大多数工件材料而言，高速切削指高于常规切削速度五倍乃至几十倍条件下所进行的切削。第八节高速切削高速切削在实际生产中切削铝合金的速度范围为1500m/min~5500m/min,铸铁为750m/min~2500m/min,普通钢为600m/min~l200m/min。切削进给速度已高达20m/min~40m/min。第八节高速切削高速切削的核心是速度与精度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速10000r/min以上视为高速切削。第八节高速切削在切削速度达到一个临界值时,切削温度达到最大值,在这个临界值之后的一个范围内,切削速度增加,则切削温度下降。见图7-9。图7-9切削速度对切削温度的影响第八节高速切削2.高速切削技术的特点高速切削有如下主要特点:(1)能获得很高的加工效率随着自动化程度的提高，辅助时间、空行程时间已大大减少，有效切削时间占工件在制时间的主要部分。由于主轴转速高，进给速度快，因此使单位时间内的金属切除量增加，提高了加工效率。第八节高速切削(2)能获得较高的加工精度高速切削具有较高的材料去除率并相应减小了切削力。对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小。若在保持高效率的同时适当减低进给量，切削力的减幅还要加大。在加工过程中，切削力的降低对减小振动和偏差非常重要。这使工件在切削过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。第八节高速切削加工时可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。特别对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效加工，高速铣削是很有效的方法。第八节高速切削(3)能获得较高的加工表面质量高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率也远远高于切削工艺系统的高阶固有频率，因此切削振动对加工质量的影响很小。第八节高速切削另一方面，高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。第八节高速切削(4)加工能耗低、节省制造资源高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，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。第八节高速切削由于采用小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量很小，因而机床主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。因此高速切削符合可持续发展的要求。高速加工机床振动小、噪声低，少用或不用冷却液，符合环境要求。第八节高速切削以洛克希德飞机公司的铝合金高速铣削为例，主轴转速从4000r/min提高到20000r/min时，切削力下降30%，而材料切除率增加3倍（如图7-10）。图7-10切削载荷随切削深度和主轴转速的变化第八节高速切削二、高速切削的机理1.切削力切削力是在切削过程中，刀具切入工件使被加工材料发生变形成为切屑时所需的力，它包括克服被加工材料弹性变形和塑性变形的抗力以及切屑对前刀面的摩擦力和后刀面对过渡表面和已加工表面间的摩擦力。第八节高速切削在常速切削时通常随切削速度的提高切削力也随之增大，但在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低。第八节高速切削图7-11直角切削时剪切角和前刀面受力简图RaNaFaNwFmFmNaFaNfFfNwF0N0γ0φNsFsvacach切屑刀具工件βvvsvcvcvγ0φ第八节高速切削2.切削热大量的切削热在切削过程中对刀具磨损、工件材料性能、工件加工精度和质量等都有着重要的影响，切削热的主要来源是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。第八节高速切削高速切削时，总的切削功消耗在以下几方面：(1)形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需要的能量，其值等于物体该表面的表面能。(2)剪切区的剪切变形功;第八节高速切削(3)前、后刀面与切屑、工件的摩擦功；(4)切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功。第八节高速切削3.刀具磨损高速切削时，刀具的损坏形式主要是磨损和破损。损坏原因随刀具材料和工件材料不同，主要是以磨损为主，但有的则是以破损为主。或者是磨损伴有微崩刃而损坏。随切削速度提高，切削温度升高，磨损的机理主要是粘结磨损和化学磨损。第八节高速切削对于脆性大的金刚石、立方氮化硼和陶瓷刀具高速断续切削高硬材料时，常是在切削力和切削热的综合作用下造成的崩刃、剥落和碎断形式的破损。第八节高速切削高速切削时：以磨损为主而损坏的刀具，则可按磨钝标准，根据刀具磨损寿命与切削用量和切削条件之间的关系，确定刀具磨损寿命。以破损为主而损坏的刀具，按刀具破损寿命分布规律，确定刀具破损寿命与切削用量和切削条件之间的关系。第八节高速切削三、高速切削的关键技术1.高速切削机床结构高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。第八节高速切削根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展：一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。第八节高速切削⑴进给驱动系统高速化高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在1997年进给速度已达120m/min。第八节高速切削直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图7-12所示图7-12直线电动机进给驱动系统1－导轨系统2－笼型绕组二次侧3－三相绕组一次侧4－直线行程测量系统第八节高速切削⑵运动部件较量化和伺服进给控制精密化图7-13是一台高速切割的加工中心，其X、Y、Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直线电机驱动。图7-13高速切削的加工中心结构示意第八节高速切削图7-14是美国Ingersoll公司为英国BritishAerospace公司提供的大型高速型面铣床。床身底面积为33m×15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。图7-14大型高速型面铣床1－基座2、6－可移动铣头及滑台3、4－顶部辅助支承导轨5－工件安装和夹压台7－主支承导轨及驱动系统第八节高速切削2.高速切削的刀具系统高速切削时的一个主要问题是刀具磨损，与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨损机理与普通切削有很大区别。第八节高速切削由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面因素。第八节高速切削⑴刀具材料刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主。第八节高速切削刀具的发展主要集中在如下两方面：一是研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性。采用适宜的镀膜可成倍地提高刀具的使用寿命。此外，刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命的重要因素。第八节高速切削图7-15是采用不同镀膜的硬质合金铣刀可达到刀具寿命。图7-15用不同刀具材料铣削合金钢和铸铁时的刀具寿命υc－切削速度(m/min)ƒz－每齿进给量(mm)VB－刀具后面磨损量(mm)切削条件：顺铣刀刃倾角：15º吃刀量（切削深度）：1(mm)铣削进刀行距：0.7mm，CBN(立方氮化硼)刀具为0.5mm第八节高速切削另一个发展方面是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。有的刀具工厂在1997年汉诺威的世界机床博览会上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花钻。形状更为复杂的聚晶金刚石刀具仍在研究中。第八节高速切削⑵刀柄结构刀柄结构是高速切削时的一个关键件，主要体现在它传递机床精度和切削力的作用。第八节高速切削高速切动时既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所以高速切削时刀柄须满足下列要求：l)很高的几何精度和装夹重复精度；2)很高的装夹刚度；3)高速运转时安全可靠。第八节高速切削刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以图7-16所示的圆锥空心柄（HSK）为主。图7-16HSK型刀柄及其联结结构第八节高速切削它以其端面及1：10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7：24锥柄相比，有如下优点：1)重量减少约50％；2)重复使用时装夹和定位精度高；3)刚度高，并可传送大的转矩；4)装夹力随转速升高而加大。第八节高速切削⑶接装刀具的模块常用的锥形夹头灵活性好，适用于不同的刀具直径，缺点是可传递的扭矩有限且装夹精度很低。提高装夹精度和刚度需采用其他方法，目前常用的有收缩夹头、液压膨胀夹头和力膨胀夹头。第八节高速切削收缩夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内。这种夹头的优点是精度高，刚性大。缺点是操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形。第八节高速切削液压控胀夹头的原理如图7-17所示，在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。其优点是精度高，刚性大，操作方便。缺点是对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。第八节高速切削图7-17液压膨胀夹头(a)外径胀套夹头(b)内径胀套夹头1－推动活塞的螺栓2－活塞3－液压腔4－膨胀薄壁第八节高速切削力膨胀夹头的原理如图7-18所示。刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变形成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性回复，刀具就被夹持在孔内。这种夹头的优点在于装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。第八节高速切削(a)夹头孔制成三棱(b)受力后夹头孔呈圆形图7-18力膨胀夹头(TRIBOS刀具夹头)