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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一 直为电加工所垄断，其加工效率低。以前为电加工后再进行 抛光加工。
图
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。 （过去多用组合机加工，柔性差） 其加工的典型零件：伺服阀、各种泵、电机的壳体、电机转 子、气缸体等
前刀面 刀具 后刀面 工件
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超高速加工技术的特征
高激励频率，避免自激振荡 减少后续工序 ，降低加工成本 因为超高速加工的表面质量几乎可以和磨削 相比，可以直接作为最后一道精加工工序
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超高速加工技术的特征
单位时间切除量 表面质量
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切削速度
切削力 刀具寿命
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3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
航空航天工业轻合金的加工： 模具制造业： 汽车工业： 难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金） 纤维增强复合材料加工 精密零件加工 薄壁易变形零件的加工
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超高速加工技术的特征
高速切削的特征
减少传递给工件的热量
切屑和接触面之 间的接触区域产生 的高温会导致温度 效应并降低工件材 料变形的阻力
剪切角增大
切削热大部分由 切屑快速带走
避免积屑瘤的产 生
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接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
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超高速加工技术的相关技术
1.高速切削机床结构
高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床 上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求 高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下 仍有高的定位精度。此外高速进给要靠很大的加速 度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚 度，还必须有很高的动刚度。
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超高速加工技术的相关技术
• 根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本 上从两个方向上发展： 一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。 二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。
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超高速加工技术的相关技术
面向高速切削的切削机床
我国在这一领域与国外差距巨大，工业上应用的磨削速度 还未达到100m/s，实验室中才为250m/s。
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超高速加工技术的发展现状和趋势
• 超高速加工技术的发展趋势
超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技 术的发展方向，即高效高速化、实用廉价化、多功能复合 化，最主要的是高效高速化方向。
（常规铣削）
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（高速铣削）
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超高速加工技术的机理
高加工表面质量，提高加工精度 切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变 形小，保持了尺寸的精确性。
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超高速加工技术的特征
高速切削的特征
提高加工表面质量
行距
加工 余量 要求轮廓
行距
高单位时间切除率，降低加工成本 进给速度随切削速度的提高也可相应的提高 5－10倍，这样，单位时间材料的去除率可 提高3－6倍，因而加工时间可缩减到1/3.
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超高速加工技术的特征
高速切削的特征
提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间
后续工作 精加工 半精加工 粗加工 加工准备 设计
例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削， 而 400 m/min 就定义为高速钻削。
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概述
• 目前定位的超高速切削的指标：
保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工 的加工时间减少90％，同时将加工费用减少50％
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超高速加工技术的发展现状和趋势
• 超高速加工技术的发展现状－磨削
超高速磨削的研究开始是在50、60年代，在80年代兴起。 在超高速磨削技术方面，德国领先，日本后来巨上，美国 则在奋起直追。
目前发达国家，工业上应用磨削速度已达到150－250m/s, 实验室中达到400/s。
切削速度 vc
2000 m/min
800 600 400 200
100 80 60 40 20
聚 晶金 刚 石PC D Si3N4
立 方聚 晶 氮化 錋CB N
氧化陶瓷 金属陶瓷 硬质合金
涂层硬质合金
铸造 硬质合金
高速钢
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10 8
1875
1900
工具钢
1925
1950
1975
年
2000
超高速加工技术的发展现状和趋势
• 超高速加工技术的发展现状－切削
1976年美国首次推出有级超高速铣床，最高转速达 20000r/min，功率15kw。此后，法国、德国也开始了超高 速加工技术的研究。
20世纪80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断 出现。
目前，日本在超高速机床的研究和开发领域已跃居世界领 先地位，法国、瑞士、英国、意大利、澳大利亚等国也做 了大量的工作。
近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙 、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现 高 速 度 和 高 精 度 驱 动 ， 在 1997 年 进 给 速 度 已 达 120m/min
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超高速加工技术的相关技术
直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图所示
图 直线电动机进给驱动系统 1－导轨系统 2－笼型绕组 3－三相绕组 4－直线行程测量系统
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超高速加工技术的发展现状和趋势
• 超高速加工技术的发展现状－切削
我国在超高速加工的关键领域也做了一定的研究，但与国 外相比，有较大的差距。
主轴转速在20000r以下，快速进给速度在30m以下；而国 外，采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度达到40－ 60m，采用直线电机的进给系统中 ，快速进给可达160m。
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超高速加工技术的相关技术 图 超高速主轴的结构
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超高速加工技术的相关技术
⑵ 进给驱动系统高速化
高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用 大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实 现的，一般进给速度可达60m/min左右。
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金） 纤维增强复合材料加工 精密零件加工 薄壁易变形零件的加工
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3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
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概述
范围
工件材料
纤维增强塑料 铝合金 青铜，黄铜 铸铁 钢 钛合金 镍基合金
10
高速范围与加工材料密切相关普通 切削 过渡区 高速切削1001000
切削速度 vc（铣削）
m/min 10000
2来01源9年：9月P1T0日W
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范围
概述
高速范围与加工方法密切相关 车削：700～7000 m/min； 铣削：300～6000 m/min； 钻削：200～1100 m/min； 磨削：150m/s以上。
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概述
内涵
高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高
的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的
5～10倍。 高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相
关。 HSC ＝ HSM ＝
High-Speed-Cutting High-Speed-Machining
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
• 航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常 采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一 般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切 削时间。
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超高速加工技术的应用
• 美国波音公司的F15战斗机两个方向舵之间的气动减速板 以前需要500多个零件装配而成，制造一个需要交货期为3 个月；而现在应用高速切削技术直接在实体铝合金毛坯上 铣削加工出来交货期只需要几天时间。
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概述 • 超高速加工技术的历史背景
图 不同年代切削加工的制造时间及费用的变化图
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概述
• 超高速加工技术的历史背景
1995年，米兰国际机床博览会以来，高速化是每次国际性 机床博览会一个突出的主题。超高速加工已经成为20世纪 末国际机械制造业最热门的话题。
在切削速度达到一个临界值时,切削温度达到最大值,在这个临界值之后 的一个范围内,切削速度增加,则切削温度下降。