1、高速切削理論及其相關技術 定義及特點 條件和機理 現狀和趨勢高速切削概念是誰提出的？高速切削有哪些特點？高速切削應用在那些方面？高速切削對加工裝備的要求有哪些？機床和刀具是什么樣的？機理？重要試驗？發(fā)展趨勢？一、 高速切削技術的定義二、 高速切削技術的特點及應用三、 高速切削的裝備條件及關鍵技術四、 高速切削機理五、 高速切削技術的現狀以及發(fā)展趨勢概要 20世紀20年代末，德國的切削物理學家薩洛蒙（Carl Salomon）博士進行了超高速模擬實驗，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并獲得專利，簡稱HSM。在切削速度達到一個臨界值之后的一個范圍內

2、，切削速度增加，則切削溫度下降。結論Yeah！I GET IT ！要多少才算 ？ 事實上，HSM不是簡單意義上的高切削速度。它應當被認為是用特定方法和生產設備進行加工的工藝。 一、 高速切削技術的定義二、 高速切削技術的特點及應用三、 高速切削的裝備條件及關鍵技術四、 高速切削機理五、 高速切削技術的現狀以及發(fā)展趨勢概要 到哪？ 以瑞士MIKRON公司生產HSM-700高速銑床為例，其最高轉速可達42000r/min，是普通銑削轉速的幾十倍，加工效率自然遠遠高于普通銑削加工。精度高！ 對于同樣的切削層參數，高速切削的單位切削力明顯減小。這對減小振動和偏差非常重要，也使工件在切削過程的受力變形顯

3、著減小。質量高！速切削用在？一、 高速切削技術的定義二、 高速切削技術的特點及應用三、 高速切削的裝備條件及關鍵技術四、 高速切削機理五、 高速切削技術的現狀以及發(fā)展趨勢概要速切削的裝備條件？機床？裝備刀具？ 主軸？軸承？進給系統(tǒng)？驅動系統(tǒng)？實時監(jiān)控系統(tǒng)？材料？型號？參數？磨損？對高速切削主軸系統(tǒng)的要求：噪音小啟停性能良好足夠的剛性和回轉精度先進的潤滑冷卻系統(tǒng)可靠的主軸檢測系統(tǒng)大功率結構緊湊總質量小熱穩(wěn)定性良好主軸系統(tǒng) 為了提高機床的主軸靜態(tài)和動態(tài)精度，必須減少各主軸部件的制造誤差及裝備誤差，更重要的是，應盡可能減少主軸系統(tǒng)中的誤差源，盡可能縮短主軸傳動鏈的長度。借助電氣傳動技術，主軸電動機與

4、機床主軸“合二為一”的傳動結構形式“電主軸”應運而生。由于主要采用交流高頻電動機，故又稱“高頻主軸”。電主軸工作原理： 電動機定子通過冷卻套固裝在電主軸殼體中，其轉子就是機床的主軸，電主軸箱體就是電動機座。 主軸轉速通過電動機的變頻調速與矢量控制裝置來改變。在主軸的后部安裝有出盤和測速、測角傳感器，主軸前端外伸部分的內錐孔和端面用于安裝和固定加工中心可換刀柄。一些常見的電主軸：陶瓷軸承磁懸浮軸承高速主軸常用軸承： 陶瓷球軸承具有耐溫高、轉速高、壽命長、絕緣的特點,且其本身具有自潤滑性，常用的陶瓷球材料有氧化鋯（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有軸承鋼（GCR15）和不銹鐵（44

5、0、440C）及不銹鋼。 磁懸浮軸承（Magnetic Bearing）是利用磁力作用將轉子懸浮于空中,使轉子與定子之間沒有機械接觸。磁感應線與磁浮線成垂直，軸芯與磁浮線是平行的，所以轉子的重量就固定在運轉的軌道上，利用幾乎是無負載的軸芯往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉子懸空。機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染。 電主軸的電動機均采用交流異步感應電動機，有兩種驅動和控制方式： （1）普通變頻器標量驅動控制 以IBAG公司的HFK90S型電主軸用的 普通變頻器為例說明。這類驅動 控制特性為恒轉矩驅動，輸出功率和轉速成正比。 優(yōu)點：價格便宜。 缺點：起速時輸出功率不穩(wěn)定，不能滿足

6、低速大轉 矩要求，也不具備主軸的準停和C軸控制功能。 應用：高速工作范圍電主軸，如磨削、銷孔鉆削等。 （2）矢量控制驅動器驅動控制 以IBAG公司的HFK250電主軸的矢量控制驅動器為例說明。其特性為低速端恒轉矩驅動以及中、高速端的恒功率驅動。 這種驅動方式又有開環(huán)和閉環(huán)控制兩種。在閉環(huán)工作方式下可通過主軸上的位置傳感器來實現位置和速度反饋，并實現主軸準停和C軸控制功能。對高速機床進給驅動系統(tǒng)的要求：高速度（60120m/min）1 高加速度（普通機床12g，最高可達210g）2高靜態(tài)、動態(tài)精度3高安全性4低成本5 目前，高速機床的進給系統(tǒng)主要有：高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)和直線電動機進給驅動系統(tǒng)

7、。傳統(tǒng)的滾珠絲杠副在數控機床中應用比較廣泛，但其在高速場合下具有下列缺點：系統(tǒng)剛度低，動態(tài)特性差。高速下熱變形嚴重。噪聲大，壽命低，不易檢驗維修。 下面介紹一下滾珠絲杠螺母副結構。 滾珠絲杠是將旋轉運動轉換成執(zhí)行件的直線運動的運動轉換機構，由螺母、絲杠、滾珠、回珠器、密封環(huán)等組成。滾珠絲杠的摩擦系數小，傳動效率高。 滾珠絲杠主要承受軸向載荷，因此對絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高，長采用角接觸球軸承或雙向推力圓柱滾子軸承與滾針軸承的組合軸承方式。針對滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)的優(yōu)化措施：提高系統(tǒng)剛度。絲杠采用中空結構，并進行預拉伸處理；底稿絲杠的支撐剛度；優(yōu)化滾珠滾道接觸狀態(tài)；提高系統(tǒng)的接觸剛度。增大

8、絲杠螺母的導程和螺紋頭數，提高運動精度。強制冷卻，減小熱變形。可將循環(huán)冷卻液通入其內部。采用新型螺母結構。例如減小滾珠直徑，鋼珠中空。采用新材料制造滾珠。例如陶瓷。對螺母預緊力進行控制。可以使用壓電陶瓷。采用螺母旋轉絲杠不動的運動方案。采用雙電動機驅動結構。使其分別驅動絲杠和螺母。滾珠絲杠副傳動則仍然存在以下問題：高速滾珠絲杠螺母副制造困難，成本較高。速度和加速度的提高有較大限制。進給行程有限（42m） 。全閉環(huán)時系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。 與傳統(tǒng)的滾珠絲杠副結構相比，直線電動機高速進給系統(tǒng)有諸多優(yōu)點。 直線伺服電動機是一種能直接將電能轉化為直線運動機械能的電力驅動裝置，是適應超高速加工技術發(fā)展的需要而

9、出現的一種新型電動機。它代替了傳統(tǒng)的由回轉型伺服電動機加滾珠絲杠的伺服進給系統(tǒng) 其最大的特點是從電動機到工作臺之間的一切中間傳動都沒有了，可直接驅動工作臺進行直線運動，使工作臺的加/減速提高到傳統(tǒng)機床的1020倍，速度提高34倍。直線電動伺服電動機工作原理：定子初級轉子次級旋轉磁場平磁場 直線伺服電動機分為短初級和短次級兩種形式。 直線伺服電動機也分為同步式與感應式兩種。通電繞組初級永磁鐵次級 同步式 感應式與同步式最大的區(qū)別是在定件上用不同點的繞組取代同步式的永磁鐵，且每個繞組中的每一匝都是短路的。通電后在定件和動件之間的間隙中產生一個大的行波磁場，依靠磁力推動工作臺做直線運動。 優(yōu)點：結構

10、簡單，維護簡便，可靠性高，體積小，傳動剛度高，響應快，可得到瞬時高的加速度。 滾珠絲杠工作臺從靜止到25m/min，需時0.5s，而直線電動機驅動工作臺從靜止到75m/min，只需0.05s。 缺點：成本高，維修難。 其最大進給速度以達到150m/min至180m/min，最大加速度為8g。高速切削刀具？對高速切削刀具的要求： 高硬度，高強度，高耐磨性。 高韌度，高抗沖擊性。 高熱硬性，高化學穩(wěn)定性。 高抗熱沖擊性。高速切削常用刀具種類：金剛石刀具 優(yōu)點：刃鋒利，能切下極薄切屑，冷硬現象少，摩擦系數低，無積屑瘤。 缺點：熱穩(wěn)定性差，強度低，脆性大，對振動敏感，只適用于微量切削。金剛石刀具有三種

11、： 天然金剛石價格昂貴，使用較少。 人造金剛石是通過合金觸媒作用，在高溫高壓下由石墨轉化而成。 金剛石復合刀片是在硬質合金基體上燒結一層約0.5mm厚的金剛石。天然單晶金剛石刀具整體人造聚晶金剛石刀具金剛石復合刀片使用金剛石刀具時應注意： 金剛石與鐵有極強的化學親和力，故不適用于黑色金屬加工。 金剛石刀具僅適用于微量切削條件。 金剛石熱穩(wěn)定性低，切削溫度超過700至800攝氏度時，會完全失去其硬度。立方氮化硼刀具 （CBN） 特點：熱穩(wěn)定性好，化學惰性大，摩擦系數低。 應用：淬硬鋼、高溫合金、冷硬鑄鐵。 成分：錫、鉛、銻以及他們的氮化物。立方氮化硼刀具有兩種： 立方氮化硼復合刀片是在硬質合金基

12、體上燒結一層約0.5mm厚的立方氮化硼。整體聚晶立方氮化硼刀具立方氮化硼復合刀片陶瓷刀具 優(yōu)點：化學性好，耐氧化，不易粘結，加工表面粗糙度小。 缺點：強度低、韌性差。陶瓷刀具有兩種： 前者最大的缺點是抗彎強度低，沖擊韌度差。80年代進入刀具市場的氮化硅陶瓷相比具有高的強度和韌性，在加工鑄鐵及鎳基合金時取得良好效果，其代表牌號是Sialon。AlO基陶瓷氮化硅陶瓷 陶瓷立方氮化硼金剛石超硬材料涂層刀具涂層刀具有兩種： CVD指把含有構成薄膜元素的氣態(tài)反應劑或液態(tài)反應劑的蒸氣及反應所需其它氣體引入反應室，在襯底表面發(fā)生化學反應生成薄膜的過程 。 PVD指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技

13、術，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質與氣體都發(fā)生電離，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質及其反應產物沉積在工件上。 化學氣象沉積法（CVD）-硬質合金物理氣象沉積法（PVD）-高速鋼常用涂層材料：TiC 硬度高，抗磨損性好。TiN 與金屬親和力小，濕潤性好。AlO 高溫下熱穩(wěn)定性良好。刀具與刀柄的連接：錐形夾頭 收縮夾頭液壓膨脹夾頭力膨脹夾頭 傳統(tǒng)的錐形夾頭具有靈活性好等優(yōu)點，適用于不同的刀具直徑。但它可傳遞的轉矩有限，而且裝夾精度很低。 收縮夾頭利用材料熱膨脹收縮的原理，把刀具裝入刀柄時先用輔助系統(tǒng)將刀柄孔加熱膨脹，插入刀具后使之冷卻。 優(yōu)點：精度高、剛性大。 缺點：操作不便，易引起刀柄熱疲勞變形。 液壓膨脹夾頭，在刀柄孔的周圍是一個液壓強，刀具插入刀柄后用螺栓推動油腔頂部的的活塞使刀柄孔內結膨脹，從而加緊刀具。 優(yōu)點：精