v = 800m/mim vz = 0.08mm/齿 a p= 0.5mm
v = 2900m/mim vz = 0.018mm/齿 a p= 0.5mm
v = 590m/mim f = 0.2mm/r a p= 10mm
v = 132m/mim vf = 380mm/min
v = 350m/mim f = 0.05mm/r a p= 0.25mm, 干切
学科前沿讲座之五
高速加工技术
High Speed Machining Technology
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内容提要
高速加工概述 高速加工应用 高速加工刀具技术 高速加工机床技术 高速加工路径规划 高速磨削技术
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1. 高速加工概述
高速加工概念
➢ 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≥10000 r/min。 ➢ 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同：
➢ 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
➢ 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
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2. 高速加工应用
表2 PCD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
照相机机身 13％硅铝合金
活塞环槽 LM24铝合金
活塞式阀门 LM24铝合金
整流子 CDA105铜合金 油泵喷射内源自 GdAlSi12Cu硅铝合金
精铣 精铣 车削 钻孔 精车 精镗
可连续加工2500件，无颤振
可连续加工5000件，取代硬质 合金钻头定中心、钻孔、铰孔
可连续加工2500件（使用WC 基硬质合金只能加工50件）
Ra=0.35μm，每把刀可加工 150000件
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2. 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。
➢ 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
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1. 高速加工概述
高速加工的产生和发展
➢ 1931年德国切削物理学家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
v = 180m/mim f = 5.6mm/r a p= 1.5mm
图1 高速与超高速切削速度范围
10000
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1. 高速加工概述
高速加工特点
➢ 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
Real Real
➢ 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
不宜采用金刚石刀具，可以选用涂层硬质合金、陶瓷 和PCBN等刀具，在超高速切削时应首选PCBN。
加工对象
表3 PCBN刀具高速切削钢和铸铁实例
硬度 加工方式
工艺参数
加工效果
轧辊 Cr15钢
HRC71
A3热压板
汽缸套孔 珠光体铸铁
Cr、Cu铸铁 40Cr钢
HB210 HRC38
车削
端铣
精镗 端铣 立铣
v = 173m/mim f = 0.02mm/r a p= 0.2mm
12mm方形刀片 齿数z = 12 α＝12° 齿数z = 4 γ＝10° α＝12° γ＝10° α＝12° α’＝2°
麻花钻
γ＝0° α＝7° r＝0.5mm
阶梯镗刀
Ra=0.8μm，可连续加工500件 （使用WC基硬质合金只能加 工25件） 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）
➢ 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
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1. 高速加工概述
切削温度/℃
1600
钢
1200
青铜
铸铁
硬质合金980℃
Stelite合金850℃
800
高速钢650℃
400
软铝
碳素工具钢450℃
非铁金属
0 切削不 切削适应区 适应区
600
1200
切削适应区
高速加工工艺
实时监控与安全保障系统
切削力 切削热 切屑形态 切削振动
刀具材料与结构设计 刀具使用寿命 磨损、破损机理与在线检测 动平衡 刀具刃磨与修整
切削方式 路径规划 加工参数选取 工序、工步优化设计
图3 高速加工技术体系及关键技术
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2. 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。
◎车削：700-7000 m/min ◎铣削：300-6000 m/min ◎钻削：200-1100 m/min ◎磨削：100-300 m/s
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1. 高速加工概述
➢ 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1）
塑料 铝合金 铜 铸铁 钢 钛合金 镍合金
10
100
1000
切削速度V（m/min）
1800
2400
3000
切削速度v/(m/min)
图2 Salomon切削温度与切削速度曲线
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1. 高速加工概述
高速加工关键技术
高速加工体 系结构及关
键技术
高速切削与磨削机理
高速加工机床
机床整体结构 机床主轴系统 机床进给系统 冷却系统 安全防护装置 数控系统 实时监控系统
高速加工刀具
工件
工件材料 定位夹紧 动平衡