1、高速與超高速加工技術高速與超高速加工技術(4h) 高速加工技術作為21世紀影響深遠的先進制造技術之一，其應用與發展已有10多年的歷史，一般凡切削速度、進給速度高于常規值5一10倍以上，稱為高速加工。由于高速加工的高切削速度和高進給速度使切削效率高于傳統加工5-10倍，且高速加工的切削機理較傳統加工更具有優越性，使高速加工技術在航空航天工業、汽車工業、摩托車工業及模具工業中得到廣泛應用。1、切削用量 三要素三要素 切削速度 進給量(或進給速度)f mm/r、mm/行程、mm/s、mm/齒 背吃刀量（切削深度） aP 4.0 切削理論回顧 切削速度切削速度vc切削速度vc是刀刃上選定點相對于工件的

2、主運動的速度。 當主運動是回轉運動時d完成主運動的刀具或工件上某一點的回轉直徑(mm)；n主運動的轉速(rmin或rs)。 m/s)(m/min 1000或ndv進給速度進給速度 進給量進給量f 每齒進給量每齒進給量進給速度是刀刃上選定點相對于工件的進給運動的速度，單位為mms ；進給量f是工件或刀具的主運動每轉或每一行程時，工件和刀具在進給運動方向上的相對位移量。 背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）fvp主要內容提綱 1. 研究現狀與發展趨勢; 2. 優越性及其原因; 3. 機床結構與關鍵技術; 4. 刀具材料與結構; 5. 高速磨削技術.2、影響切削力的因素 影響切削力的因素主要有四

3、個方面： 工件材料工件材料、 切削用量切削用量、 刀具幾何參數刀具幾何參數 其它方面的因素其它方面的因素刀具磨損刀具磨損切削液切削液刀具材料刀具材料3、 切削熱和切削溫度 影響工件加工精度、已加工表面的質量、刀具的磨損和耐用度及生產率等。 1 切削熱的產生和傳出 2 影響切削溫度的主要因素 3 切削溫度的理論計算 4 切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響 4、切削熱的產生和傳出 切削中所消耗的能量幾乎全部轉換為熱量，即切削熱. 來自工件材料的彈、塑性變形和前、后刀面的摩擦功.5086 4010 周圍介質占1 93 切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響 對工件材料機械性能的影響 切削溫度對工件材

4、料強度、硬度的影響不大。 對刀具磨損和刀具材料的影響是刀具磨損的主要原因，它將使刀具磨損加劇，刀具耐用度下降。但較高的切削溫度，對硬質合金刀具材料的韌性有利。 對加工件尺寸精度的影響 工件本身和刀桿受熱膨脹會使工件尺寸精度達不到要求，還會影響已加工表面質量。 5、影響切削溫度的主要因素 切削溫度一般是指前刀面與切屑接觸區域的平均溫度。 實驗公式 實驗測出的刀屑接觸區的平均溫度()， C切削溫度系數；xpyzcafC切削用量 切削速度Vc一倍切削溫度30%45% 進給量f一倍切削溫度15%20% 背吃刀量aP一倍切削溫度5%8%影響切削溫度的因素 刀具磨損:磨損F切削溫度 切削液可降低切削溫度。

5、4.1 基礎理論研究（一）問題描述：4.2 技術內涵 目前關于高速加工的經濟效益定位指標是：在保證家伙精度和目前關于高速加工的經濟效益定位指標是：在保證家伙精度和加工質量的前提下，將通常切削速度加工的加工時間減少加工質量的前提下，將通常切削速度加工的加工時間減少90%，同，同時將加工費用減少時將加工費用減少50%！4.3 高速加工機床與設備超高速機床特點：高轉速，高進給，高效 率，高定位精度。組成：高速主軸加工單元高速進給驅動高速控制系統高速切削刀具。 超高速磨床 廣東工業大學的超高速機床高速主軸單元 磁懸浮軸承 直線電機進給機構 特點 高往復速度； 高加速度；（降低非切削時間） 高定位精度；

6、 由內裝在機床的磁性運動滑塊組成，實現零傳動。 4.4 高速加工刀具影響切削加工質量的因素有那些?原因是什么? 高速加工技術具有的共性 4.5 與傳統加工方法相比之優勢長期以來 ，傳統的加工方式是“重藍切屑”加工方式，它的特點是切屑深度大，進給速度和旋轉速度較低，在低速范圍內需較大的扭矩，根據標準直流電機最大速度和扭矩關系，需要較大的齒輪傳動速比。這種加工方式不可避免地給工件和機床帶來較大的力負荷和熱負荷。HSC技 術 是“快、輕切削”方式，切削深度較小，但是切削速度卻可以提高5-10倍。這意味著在主軸軸承、刀具和工件上的切削力負荷較小，同時因為產生的熱量大部分被切屑帶走，工件和刀具上的熱負荷

7、較小。試驗可以證明，隨著切削速度的提高，切削過程中產生的熱負荷減少，這樣可以延長刀具壽命，并能獲得較好的表面加工質量(在加工表面沒有“微焊接效應”)。傳統 加 工 中工件材料、刀具材料及刀具的幾何角度、切削用量及零件的幾何結構是影響切削效率和加工質量的主要因素。考慮到切削力、切削變形和刀具磨損對加工的影響，在粗加工時采用大吃刀量和大進給量以提高加工效率，而在精加工時則采用小吃刀量和小進給量以保證表面加工精度，因而在加工大型薄壁零件、難加工材料及幾何結構復雜零件時其加工工藝復雜，加工時間長。在常 規 切 削速度范圍內，切削溫度隨切削速度的增大提高，刀具磨損隨切削溫度的提高而加劇，當切削速度達到某

8、臨界值時，切削溫度及切削力會減小。切削溫度的降低、切削力的大幅度下降及切削變形的減小，不僅使現有刀具進行超高速切削變為現實，還大幅度減少切削時間，成倍提高機床的生產率。和傳統加工相比，高速加工有其獨特優勢:(1)加工時間大幅度縮短:產品加工中耗時最多的工序是精加工。對精加工，高速加工比一般加工快4倍以上，普通數控機床精加工時一般進給速度在3一6 m/min，而高速機床一般在巧一60m/min，是常規的5一10倍;對粗加工，高速加工采取非常小的切深，但時間范圍內的切削量還是比普通數控機床加工快幾倍。這意味著1臺用于高速加工的高速機床可代替幾臺普通CNC機床。(2)減少切削振動。切削加工中振動是影

9、響加工精度因素之一，振動會惡化表面粗糙度，加速刀具磨損，縮短機床壽命。高速加工時切削力減小，而切削力是切削系統振動的主要激勵源，高轉速使切削系統的激振頻率遠離機床固有頻率，切削穩定，振動小，加工表面質量高。(3 )切 削 溫度及切削力的減小，使高速切削可加工45-65HRC硬度高的工件材料及難加工材料，同時可采用干式切削，避免使用切削液，有利保護環境、降低成本。(4) 切 削 力的減少，尤其是徑向切削力大幅度降低，夾緊力相應減小，從而零件的內應力及變形小;加工時切削溫度的降低也減小熱變形，所以特別有利于薄壁細筋件的加工。(5 )高 速 加工切削力的減小，對刀具的剛性要求不高，故高速加工可采用小

10、直徑刀具、小切深、小切寬和快速多次走刀來提高效率，而傳統的加工一般采用大直徑刀具、大切深、大切寬。(6) 高 速 加工明顯縮短加工時間，可縮短交貨期。同樣的生產量，機床的配置數減少，則節約投資成本，同時還減少車間占地面積，減少工人數量。高速加工技術得以應用的主要原因是這一技術自身具有很多優點，高速加工的應用場合主要包括：模具業制造，飛機制造工業，光學和精密儀器加工，汽車制造工業以及家用設施生產(見表)。盡管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工領域取得了長足的進步，采用高速切削技術，表面加工質量可達Ra=0.2m和Rz=3m。 4.6 典型應用技術特點應用范圍應用實例高的金屬切

11、除率和高的進給速度加工鋁、鎂等輕金屬合金、普通鋼材及鑄鐵材料飛機和航空制造業，汽車制造工業中的發動機加工、模具制造業獲得很好的已加工表面質量，表面粗糙度值很小加工精密零件和特種精密表面要求的零件光學及儀器制造工業，精密機械加工工業，螺旋壓力機精密零件單位切削力小加工薄壁類和薄板類工件，加工剛性差的工件飛行器與航空工業中的薄壁零件，汽車工業與家用電器中的薄板類零件機床具有極高的強迫振蕩頻率加工復雜的且剛性差的零件光學和精密制造工業切削熱絕大部分由切屑帶走加工不耐熱工件，加工對熱和溫度十分敏感的零件精密機械工業，加工鎂及合金4.7 技術制約因素HS C技 術 的成功應用依賴于各種不同的因素，這些因

12、素彼此緊密相連。只有在影響加工過程的所有因素都達到最佳配合的狀態下，HSC技術才能成功。這些因素包括:刀具技術、程序設計、CNC和電機以及機床自身設計。3.1 刀具技術（1）刀具材料；（2）刀具結構；（3）機床、刀 具(刀具座/刀把)、工件(工件夾具)等整個系統的剛性對于刀具的壽命和能夠達到的表面加工質量有顯著影響；（4）刀 具長度和加工的方向對加工表面的質量也有較大的影響。3.2 程序設計程序 設 計 分為模型建構(CAD)和所需的制造工藝過程(CAM) 即刀具、加工策略等的制訂兩方面。HS C成 功 應用的關鍵在于CAD/CAM用的程序編制器要能夠自動調節機床刀具到最佳加工方式。3.3 C

13、NC和電機現代 CN C控制器能提高速度、精度和表面加工質量，它的特色主要有:程序段處理時間降到0.5ms;內存達到1.5GB以上;能進行螺旋線、NURBS拋物線、雙曲線)等插補;前瞻功能可以達到100個程序段以上，尤其在5軸機床上，對于刀具長度和加工幾何尺寸有自動補償功能;具備刀庫管理功能(TCPM);振動限制和補償;可以達到100MB的快速接口(以太網)速度。對控 制 器 模塊的要求是:程序段循環時間短、具有前瞻功能和減振裝置、優良的進給控制系統、標準的接口和數據處理網絡。(1) 程 序 段循環時間短。對于3D幾何圖素來說，為了達到最好的表面加工質量，輪廓被細分成大量微小的增量，這樣勢必造

14、成程序運行時間非常長，因此需要快速的程序模塊執行功能。例如，如果一個程序段處理時間為4ms，切削一段長為0.5mm的直線外形輪廓，那么進給速度可達到7500mm/min 。(2) 前 瞻 功能。通常劃分的單元長度不同，產生的曲率半徑也不同，因此需要改變進給速度來適應不同的曲率半徑。必須預測(前瞻)工件的幾何圖形，以便提前確認方向的更改，相應地，NC主軸能夠減速或加速以便保持最小的輪廓誤差和最經濟的加工時間。(3) 減 振 裝置。在加速度改變的過程中，為了保證加工輪廓的精度，采用“平振裝置”能夠避免可能的振動，這是現代CNC的另一個特色。(4) 進 給 控制系統。為了滿足HSC機床的動態要求，只

15、能采用數字電機代替模擬電機。同老式的模擬電機相比，數字電機的主要優勢是有較高的可控快速進給速率、較高的精度和轉速控制性、較大的補償和漂移范圍、較高安全性的M/C故障診斷、較高的Kv一因子和較易在機床上安裝。3.4 機床HSC要求機床床身能快速移動，所以不充分考慮機床本身的設計就不能把數控系統的高性能轉化成高質量的切削性能和可靠的操作。首先 是 定 位精度的問題。HSC要求CNC能快速處理大量的數據保證快速的進給和保證機床的加速、減速性能，但是所有這些不能以損失定位精度為代價。光是實現CNC對數據的快速處理是不夠的，機床必須攜帶巨大的負載做準確的三維甚至五維移動，當機床做插補運動時，三個甚至五個伺服電機同時驅動滾珠絲桿或齒輪齒條把回轉運動轉換成直線運動，電機必須有足夠的動力克服機械運動阻力、切削力和工件的重量。(5) 接口和數據處理網絡。對于處理3D幾何圖形的HSC機床的CNC控制器來說，因為數據量往往有幾兆字節，采用串聯接口(例如RS232)就要花費相當多的時間。特別是在連續負載模式下過慢的傳輸速度對于主軸旋轉速度也會產生負面影響。由于這個原因，所有最新的控制器都必須能通過“以太”網直接輸送程序。HSC技 術 的另一個主要問題是在一定的溫度條件下