先进的制造技术在航空领域的应用高速切削加工

高速切削加工及其应用高速切削加工及其应用1.高速切削加工技术的特点和现状2.高速切削加工理论基础3.高速切削加工的工具系统4.高速切削加工的安全技术5.高速切削加工技术的应用实例6.结束语高速切削加工及其应用1.高速切削加工技术的特点和现状高速切削加工技术的特点：高速切削是一个相对概念，一般认为切削速度为普通切削速度5～10倍的切削。刀具转速8000～10000rpm以上的切削。1978年CIRP切削委员会定为500～7500m/min的切削。高速切削加工及其应用高速切削优越性：随切削速度提高，切削力降低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；大致是切削速度和进给速度提高15～20％，可降低制造成本10～15％。高速切削加工及其应用国外现状：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。高速切削加工及其应用钢和铸铁及其合金：500～1500m/min。铸铁：最高达2000m/min（钻削160～200m/min，攻丝100m/min，滚齿300～600m/min）。40～65HRC淬硬钢：100～400m/min。高速切削加工及其应用铝及其合金：3000～5000m/min，最高达7500m/min，主要受限于机床主轴最高转速和功率（整体硬质合金钻头钻孔：200～300m/min，PCD钻头加工硅铝合金：300～400m/min），加工Si含量≥12％的铸造硅铝合金：500～1500m/min。镁及其合金：很高的切削速度，主要受限于镁的易燃性（燃点650℃）。超级合金：90～500m/min。高速切削加工及其应用切削速度目标：铣削：加工铝及其合金10000m/min；加工铸铁5000m/min；加工普通钢2500m/min。钻削：加工铝及其合金30000rpm；加工铸铁20000rpm；加工普通钢10000rpm。大进给目标：进给速度：Vf＝20～50m/min每刃进给量：fz=1.0～1.5mm/齿高速切削加工及其应用国外现状：20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢，其后引起对高速切削加工的普遍关注。目前，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。高速切削加工及其应用2.高速切削加工理论基础2.1不同材料在不同状态下的切屑形态（a）6061-T6铝合金，刀具前角3°，(b)6061-T6铝合金，刀具前角3°，切削深度为0.25mm，切削速度为切削深度为0.25mm，切削速度为1.56m/min130m/min高速切削加工及其应用(c)4340钢，刀具前角3°，(d)4340钢，刀具前角3°，切削深度为0.18mm，切削深度为0.18mm，切削速度为1.50m/min切削速度为127.2m/min图16061－T6铝合金和AISI4340钢在不同切削速度时的切屑形态（纵截面微观照片）高速切削加工及其应用(a)40m/min下连续切屑(b)125.5m/min下连续切屑与锯齿状切屑过渡状态(c)250m/min下锯齿状切屑(d)2600m/min下即将分离的锯齿状切屑图2硬度325HB的40CrNiMoA的切屑形态高速切削加工及其应用图3切削渗碳淬硬20CrMnTi钢（HRC60～62）在100～110m/min时的切屑形貌高速切削加工及其应用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影响：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，在宽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。高速切削加工及其应用2.2切削力学在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。0.55x0.60切削速度X进给量（1000m/minX1mm/r）1.5x0.221.1x0.300.75x0.44Fx(N)Fz(N)Fy(N)50100150200250300350400450500切削力（N）01.84x0.182.2x0.15图4PCBN刀具车削铸铁时的切削力高速切削加工及其应用2000120010008006004001400070140210280350切削分力（N）切削速度（m/min）FzFxFy图5Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45＃钢时的切削力高速切削加工及其应用2.3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6切削时热的产生与传出切屑刀具工件高速切削加工及其应用图7切削速度对切削温度的影响（Salomon曲线）常规切削区a不宜切削区b高速切削区c切削速度(V)切削温度(T)VcTc高速切削加工及其应用100150200250600800100012001400最高温度最低温度切削速度v（m/min）温度（。C）试验结果表明：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。图8Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10A（HRC58～65）时的切削温度高速切削加工及其应用2.4刀具磨损和破损图9Al2O3基陶瓷刀具铣铸铁时的前、后刀面磨损高速切削加工及其应用图103020涂层刀具铣铸铁时的微崩刃高速切削加工及其应用损坏机理：主要是粘结磨损、化学磨损（扩散、溶解、氧化）、塑性变形和脆性破损。连续切削是以磨损为主伴随微崩刃。断续切削是磨损伴随破损，有的以破损为主。刀具材料的高温力学性能、热性能和化学稳定性对其抗损坏能力具有最重要的作用。高速切削加工及其应用2.5表面粗糙度随切削速度V的增加，加工表面粗糙度有所减少。图11切削速度对表面粗糙度的影响高速切削加工及其应用4.高速切削加工的安全技术对于铣刀等回转类刀具而言，当转速超过8,000r/min时，刀具系统的安全性就成为需要迫切解决的一个关键问题：工件质量；刀具结构、精密主轴；人身安全。高速切削加工及其应用图17在5000rpm时刀片甩出的面铣刀高速切削加工及其应用图18在36700rpm时爆碎的面铣刀高速切削加工及其应用图1936000rpm时弯曲与折断的直径12mm的带柄立铣刀高速切削加工及其应用(a)50,000r/min(b)55,000r/min图20旋转速度对刀体弹塑性变形的影响高速切削加工及其应用图21刀片外移和螺钉弯曲高速切削加工及其应用结构和工艺的安全性制造过程的安全性与应用有关的安全性高速旋转刀具系统安全性要求刀体材料强度可移动零件的封闭力流减少离心力作用的固定方式刀具形状和尺寸径向摆动精度制造和装配公差平衡品质，降低许用不平衡量生产制造过程的优化主轴/刀柄联结机床防护毛坯质量切削用量图22高速旋转刀具系统的安全性要求高速切削加工及其应用图23用于40000rpm的高速面铣刀高速切削加工及其应用5.高速切削加工技术的应用实例图24陶瓷刀具车削淬硬钢（HRC60～62高速切削加工及其应用图25注塑模具高速切削加工及其应用图26标志性建筑物高速切削加工及其应用高速切削加工及其应用6.结束语高速切削加工技术是先进制造技术，具有巨大的潜力。它的发展和应用，带动整个制造业效益的提高和技术进步，因此，大力发展和推广应用高速切削加工技术，对建设现代化的制造业强国，具有重大的意义。