高速加工技术讲座

哈尔滨工业大学（威海）高速加工工程技术讲座高速加工技术HighSpeedMachiningTechnology封面1哈尔滨工业大学（威海）高速加工一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要概要目录3哈尔滨工业大学（威海）高速加工高速加工技术：高速加工包括高速切削和高速磨削。采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。高速切削（High-speedCutting）：采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。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5～10倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥8000~10000r/min。高速加工的概念与特征4哈尔滨工业大学（威海）高速加工20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（HighSpeedMachining）概念并获得专利，简称HSM。1.高速加工的产生和发展萨洛蒙5哈尔滨工业大学（威海）高速加工萨洛蒙曲线1931年C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”切削不适应区图2Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃16001200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属6哈尔滨工业大学（威海）高速加工结论萨洛蒙结论在切削速度达到一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。8高速加工切削速度刀具寿命切削力图4.8-1所罗门（Salomon）曲线哈尔滨工业大学（威海）高速加工高速加工发展1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达1500~4500m/min）德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已成为世界上超高速机床的主要提供者高速加工的产生和发展9高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异◎车削(Turing)：700-7000m/min◎铣削(Milling)：300-6000m/min◎钻削(Drilling)：200-1100m/min◎磨削(Grinding)：50-300m/s◎镗削（Boring）：35-75m/min高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同◎铝合金(AluminumAlloy)：1000-7000m/min◎铜(Cu)：900-5000m/min◎钢(Steel)：500-2000m/min◎灰铸铁(Graycastiron)：800-3000m/min◎钛(Ti)：100-1000m/min高速加工切削速度的范围1011高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1）图1高速与超高速切削速度范围10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金不同材料哈尔滨工业大学（威海）高速加工由于刀具、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。ISO1940规定主轴转速大于8000r/min的加工形式为高速切削。现阶段一般把主轴转速在10000r/min以上的加工形式视为高速切削。主轴转速-高速12哈尔滨工业大学（威海）高速加工事实上，HSM不是简单意义上的高切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。3.HSM意义13哈尔滨工业大学（威海）高速加工一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要概要目录14151.高速加工特点切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。工件受力变形小，适于加工薄壁件和细长件切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件，可提高加工精度动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍1.高速加工特点哈尔滨工业大学（威海）高速加工高效率高质量低消耗高精度3高1低16哈尔滨工业大学（威海）高速加工效率高！17哈尔滨工业大学（威海）高速加工主轴转速高，进给速度快，单位时间内的材料去除量反而增加了。因此，加工效率也相应提高了。高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于去除率增加18机床主轴转速高当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万转，更高的可达到6、7万转以上。进给速度快通常快速空行程40~60米/分,更快的可达80~100米/分哈尔滨工业大学（威海）高速加工以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。瑞士机床为例19哈尔滨工业大学（威海）高速加工精度高！20哈尔滨工业大学（威海）高速加工对于同样的切削层参数，由于高速带来突变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工。切削层-受力21哈尔滨工业大学（威海）高速加工质量高！22哈尔滨工业大学（威海）高速加工一方面，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远远高于切削工艺系统的高阶固有频率。另一方面，由于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。加工表面质量显著提高。两方面23哈尔滨工业大学（威海）高速加工低消耗！24哈尔滨工业大学（威海）高速加工高速加工机床振动小、噪声低、少用或不用切削液，也符合环保要求。高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而机床的主轴、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。低能耗原理25哈尔滨工业大学（威海）高速加工速切削用在……26272.高速加工应用不同材料的高速加工铝、铜合金的高速切削加工铝、铜合金的强度和硬度相对较低，导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获得好的加工表面质量。切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合金、金刚石镀层硬质合金以及PCD等。不同材料的高速加工282.高速加工应用表2PCD刀具切削铝、铜合金实例加工对象加工方式工艺参数刀具参数加工效果车辆汽缸体AiSi17Cu4Mg合金精铣v=800m/mimvz=0.08mm/齿ap=0.5mm12mm方形刀片齿数z=12α＝12°Ra=0.8μm，可连续加工500件（使用WC基硬质合金只能加工25件）照相机机身13％硅铝合金精铣v=2900m/mimvz=0.018mm/齿ap=0.5mm齿数z=4γ＝10°α＝12°Ra=0.8～0.4μm，可连续加工20000件（使用WC基硬质合金只能加工250件）活塞环槽LM24铝合金车削v=590m/mimf=0.2mm/rap=10mmγ＝10°α＝12°α’＝2°可连续加工2500件，无颤振活塞式阀门LM24铝合金钻孔v=132m/mimvf=380mm/min麻花钻可连续加工5000件，取代硬质合金钻头定中心、钻孔、铰孔整流子CDA105铜合金精车v=350m/mimf=0.05mm/rap=0.25mm,干切γ＝0°α＝7°r＝0.5mm可连续加工2500件（使用WC基硬质合金只能加工50件）油泵喷射内孔GdAlSi12Cu硅铝合金精镗v=173m/mimf=0.02mm/rap=0.2mm阶梯镗刀Ra=0.35μm，每把刀可加工150000件PCD刀具切削铝、铜合金实例292.高速加工应用铸铁与钢高速切削加工不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。表3PCBN刀具高速切削钢和铸铁实例以铣代磨，工效提高5～6倍v=850m/mim立铣HRC3840Cr钢Ra=0.8μm，平面度0.02μmv=1200m/mim端铣Cr、Cu铸铁连续加工2600件，Ra=0.8μmv=460m/mimf=0.24mm/rap=0.3mm,干切精镗HB210汽缸套孔珠光体铸铁以铣代磨，工效提高6～7倍，Ra=1.6～0.8μm，平面度0.02μmv=800m/mimvf=100mm/min端铣A3热压板以车代磨，工效提高4～5倍，Ra=0.8～0.4μmv=180m/mimf=5.6mm/rap=1.5mm车削HRC71轧辊Cr15钢加工效果工艺参数加工方式硬度加工对象铸铁与钢高速切削加工30难加工材料的高速切削加工钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等，采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果表4PCBN刀具在高速切削中的应用实例行程达13000m，Ra=1.6～0.8μmv=110m/minf=0.08mm/rap=0.3mm镗孔HRC50柴油机机体主轴承孔（表面热喷涂镍基合金）Ra=1.6～0.8μmv=200m/mimvf=50mm/mimap=0.5mm铣削HV330钛合金Ti6Al4V工效较电火花加工提高30倍，Ra=0.8～0.4μmv=50m/mimf=0.1mm/rap=0.1mm镗孔HRA87冷挤压模YG15加工效果工艺参数加工方式硬度加工对象软材料的高速切削加工如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的难加工材料的高速切削加工哈尔滨工业大学（威海）高速加工图3132高速加工应用领域航空航天大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000m/min航空航天（超）高速切削应用于航空航天工业的大型柔性件加工，提高工效10倍。对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生产效率和产品质量，降低制造成本例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。33航空航天图4高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）（米克朗公司）图5增压器叶轮实物航空航天342.高速加工应用图6高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）薄壁样件哈尔滨工业大学（威海）高速加工汽车制造业汽车发动机及其配件的高速切削加工汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工汽车制造业高速加工中心组成柔性生产线(FTL)例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min；3536汽车工业采用高速NC机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）图7汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）汽车工业汽车车门外覆盖件模具的高速加工高速加工与传统数控加工的