高速切削加工技术

LOGOADDYOURSUBTITLEHERE高速切削加工技术高速切削的概念和基本原理高速切削技术，是以比常规高数倍的切削速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。1931年德国物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。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。他指出，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，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。Salomon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)切削不适应区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高速加工定义尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面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5～10倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000r/min高速切削是个相对的概念，是相对常规切削而言。高速切削包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削和大进给切削等。超高速加工的切削速度范围因不同的刀具材料、工件材料和切削方式而异，目前，高速切削的高速范围国内外专家尚无共识。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。高速加工各种材料的切削速度范围为：钢和铸铁及其合金500-1500m/min铸铁最高达2000m/min钻削100～200m/min，攻丝100m/min淬硬钢(35～65HRC)100-400m/min铝及其合金达到2000-4000m/min，最高达7500m/min耐热合金达90-500m/min；钛合金达150-1000m/min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工方法不同也有所不同车削：700-7000m/min铣削：300-6000m/min钻削：200-1100m/min磨削：50-300m/s自从Salomon提出高速切削的概念以来，高速切削技术的发展经历了高速切削理论的探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段。现已在生产中得到了一定的推广应用。特别是20世纪80年代以来，各工业发达国家投入了大量的人力和物力，研究开发了高速切削设备及相关技术，20世纪90年代以来发展更迅速。美、德、法等国处于领先地位，英、日、瑞士等国亦追踪而上高速切削已成为当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。高速切削的特点随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，切削效率提高3～5倍。加工成本可降低20％-40％。在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上，减少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，切削热大部分被切屑带走，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，传给工件的热量大幅度减少，工件整体温升较低，工件的热变形相对较小。因此，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度，适合于热敏感材料的加工。高速切削的特点转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高1～2等级。高速切削可加工硬度HRC45～65的淬硬钢铁件，如高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/min汽车工业：采用高速数控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。模具制造：高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍仪器仪表：精密光学零件加工。高速加工的应用高速切削的应用领域由于高速切削加工具有高生产效率，减少切削力，提高加工精度和表面质量，降低生产成本并且可加工高硬材料等许多优点，已在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势，取得了重大的经济效益。对提高切削加工技术的水平，推动机械制造技术的进步也具有深远的意义。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）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）b）高速模具加工的过程两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修对于复杂型面模具，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，从而可降低模具生产成本。高速切削加工的工件材料包括钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的加工，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工，甚至传统切削很难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。高速切削可加工的工件材料目前高速切削工艺主要在车削和铣削，各类高速切削机床的发展将使高速切削工艺范围进一步扩大，从粗加工到精加工，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、磨削等。随着市场竞争的进一步加剧，世界各国的制造业都将更加积极地应用高速切削技术完成高效高精度生产。高速切削的加工工艺方法高速切削加工在国内的研究与应用我国高速切削加工技术研究起步较晚，20世纪80年代初期，我们切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45#钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗炭淬硬齿轮钢等，淬硬HRC50-65，切削速度为100-500m/min，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。高速切削加工在国内的研究与应用高速切削加工在国内的研究与应用20世纪90年代后，我们先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命与切削力沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金高速钻削和铣削数据库等。广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统东北大学研究了高速磨削技术成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化等尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能力但金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、品种与国外差距很大。高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。几乎所有国际知名的工具厂商都在国内设立了或独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)和涂层刀具以及刀柄系统80％以上由它们提供。目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材料(包括涂层材料、涂层技术)、刀具制造工艺技术、刀具安全技术等还处于初步阶段，要努力建立我国自己的“高效率、高精度、高可靠性与专用化”刀具研究开发和产业体系。我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。采用PCBN、Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件，铣削速度达2200m/min；采用PCD、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件，铣削速度为2200m/min，钻、铰削速度达80－240m/min；采用Si3N4基陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/min。近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造行业引进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精铣采用主轴转速18000rpm，切削深度2mm，进给速度5m/min；精铣采用20000rpm，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工周期为6h，质量完全满足客户要求。工件材料基本结构高速主轴进给机构CNC控制冷却系统安全防护换刀装置温控系统刀刃形状刀体结构刀具材料装卸定位夹紧机床刀具工艺加工参数NC编程CAD/CAM加工表面完整性刀具寿命切屑形成机理切削热切削力刀柄结构工件切削理论高速切削加工技术动平衡加工特征工艺优化稳定性数据库监控与测试技术高速切削加工研究体系及关键技术高速加工虽具有众多的优点，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：◎高速加工刀具与磨具制造技术；◎高速主轴单元制造技术；◎高速进给单元制造技术；◎高速加工在线检测与控制技术；◎其他：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。此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。高速切削加工的关键技术高速主轴系统高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转速高达100000-150000rpm的加工中心。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1)要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润滑和冷却系统；(6)可