高速切削加工的研究
（2）床身部件
为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动，同时保证高精度，高速 切削机床必须具有足够的刚度、强度和阻尼特性以及高的热稳定性。 大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部 件材料，有的公司还在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加 其抗振性和热稳定性，不但保证了机床精度稳定，也可防止切削时刀具 振颤；也有采用封闭式床身设计，整体铸造床身，“箱中箱”结构或对 称床身结构并配有密布的加强筋，如法国Forest line公司的高架三龙门五 坐标Mi2numac 30TH数控铣床；德国DeckelMaho公司的桥式结构或龙门 结构的DMC系列高速立式加工中心，使机床获得了在静态和动态方面更 大限度的稳定性。



1996年首次研制出采用直线电机驱动的3D铣削中心；
2000年研制出采用直线电机驱动的最优化的铣削中心。
高速切削加工的研究
1. 高速切削机理研究
高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础。 研究成就比较突出的是美国洛克希德导弹和空间公司的科 学家罗伯特· 金(RobetI1King) 和麦克唐纳(Mcd1nddJ)，从 理论上证实了高速切削的可行性和优越性。他们的研究主 要在切屑成形理论、金属断裂、突变滑移、绝热剪切以及 各种材料的切屑成形方面。
的20多年时间里，没有人对此进行深入系统的研究。
直到50 年代末期， 美国工程师Robert L.Vaughan才开始
继续Salomon的研究工作，从切屑形成过程和切屑形态的变化， 说明了高速切削时切削机理将发生变化，切削过程将变得容 易和轻松。此后美国、日本、英国等国家才先后有人开始高
速切削机理及相关技术的研究，其中以德国Darmstadt工业大
和揭示高速切削加工规律；基于优化的加工参数源数据和 高速切削加工规律，采用实例推理方法建立高速切削数据
库；研究具有复杂曲面特征的汽车覆盖件模具保持近似恒
定切削载荷的高速切削加工策略，突破3＋2轴数控加工方 式关键应用技术环节，开发汽车覆盖件模具3＋2轴数控加
工辅助编程工具，最后将这些成果在实际高速切削加工中


积，减少工人数量。
高速切削加工的发展
德国Darmstadt工业大学和机床研究所( PTW) 的成果：

1983年首次制造了带主动磁轴承的高速电主轴，投入工业 生产； 1985年首次生产出系列高速加工中心； 1990年生产出具有三种功率的印刷电路板钻床； 1992年生产出用于加工增强塑料的五轴高速加工中心；
形，生产效率极低。
用高速铣削加工模具，不仅可用高转速、大进给，而且粗、 精加工一次完成，而且加工过程是在热处理之后，大大提 高了生产效率，而且避免了热处理变形。
汽车模具高速切削工艺研究路线
汽车模具高速切削工艺研究
其研究过程为： 首先进行材料力学性能试验，利用试验数据构建有限
元模型，探讨高速切削加工机理，优化高速切削加工参数
其是径向切削力的大幅减小，特别有利于提高薄壁件等刚
性差的零件的加工。

加工时间大幅度缩短，只有原来的1/4左右，意味着一台 高速加工时，机床的激振频率很高，远离“机床 — 刀
用于高速加工的高速机床可以代替4台普通CNC机床；

具 —工件”工艺系统的固有频率，工作平稳，振动小，所 以其加工表面质量很高，无需再进行其它表面处理工序；
先进制造技术—高速切削 与高速机床
本章重点

高速切削概念 高速切削的应用领域
高速切削加工的起源

高速切削 加工 （ High-Speed Machining 或 HSM ）理 论是 1931 年 4 月由德国的 Carl Salomon 博士首先提出的，他认为： 在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大
高速切削加工的研究

润滑与冷却 电主轴的润滑多采用定时定量的油气润滑来替代污染 严重的油雾润滑；油气润滑的润滑油不经雾化易回收，对 环境没有污染。喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行 润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在 20000 转 / 分钟以上的超高速主轴上。环下润滑是一种改进的润滑方 式，比普通的喷射润滑和油气润滑效果好，可进一步提高 轴承的转速。为了给高速运行的电主轴散热，通常对电主 轴的外壁通以点是，取消了从驱动电机至工 作部件(主轴、工作台等)之间的一切中间机械传动环节(皮 带、齿轮、滚珠丝杠、螺母等 ) ，把传动链的长度缩小为
零。零传动不但大大简化了机床的传动与结构，而且还显
著地提高了机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性，是 一种新型的传动方式。
高速切削加工的原理
A 现在的切 削区域 不能切削的区域 B 高速切削区域 C
切削温度
O 切削速度
高速切削的应用
在飞机工业中，采取措施来减轻零部件的重量：
即零部件尽量采用铝合金、铝钛合金或纤维增强塑料等轻质材料制造； 把过去由几十个、甚至几百个零件通过铆接或焊接起来的组合构件，合并 成一个带有大量薄壁和细筋的复杂零件，用“整体制造法”制造。即从一 个实心的整体毛坯中，切除和淘空85%以上的多余材料加工而成。 由于切削余量很大，如果采用普通方法加工，则切削工时长，切削变 形大，生产效率低，不能满足飞机产品更新换代的要求。

加工精度高，表面粗糙度低 高速切削时，机床的激振频率相当高，远离了工艺系 统的低阶固有频率，因而工作平稳，振动小，能加工出非 常精密、光洁的零件，表面质量可达到磨削的水平。

工件无飞边、毛刺, 切屑易处理；

可完成高硬度材料的加工。

切削力小，变形小 当切削速度达到一定数值时，切削力可减低 30% ，尤


单位时间的材料切除率可增加6倍，故生产率极高；
切削力可减少 80%以上，尤其是径向切削力大幅度降低， 零件变形小，加工时基本不产生热量，所以特别有利于薄 壁细筋件的加工； 高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽和快速多次走 刀来提高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切 深、大切宽； 高速机床的投资回收快，可缩短交货期，减少车间占地面
而提高。对于不同的工件材料，存在一个切削速度范围，
在这个范围中，由于切削温度过高，刀具材料无法承受而 不能进行加工，故该速度区域被称为“死区”。当切削速 度超过“死区”以后，随着切削速度的增大切削力会下降， 切削温度也会降低。
高速切削加工的起源
由于二次大战等种种原因， 20世纪 30~50年代后期之前
高速切削加工的研究
也可采用磁悬浮轴承、液体动静压轴承、空气轴承等。 磁悬浮轴承无机械接触，无需润滑，寿命长，可实现很高 转速，它还是一种可控轴承，能自动消除不平衡引起的振 动，具有很高的阻尼。但是磁悬浮轴承电气控制系统极其 复杂且价格昂贵。液体静压轴承的最大特点是运动精度高， 回转误差一般在 0.2μm 以下。另外，其动态刚度高，特别 适合于铣削类的断续切削过程。
进行应用。
高速切削的应用领域
3. 在特殊材料加工领域的应用 随着石墨电极在工业生产中越来越广泛的应用。与金 属材料不同，石墨在加工时不会产生从工件剥离出的连续 切屑。但是，它却容易产生挤压和剥落，在工件表面留下 加工缺陷。能否加工出表面光洁的石墨电极是石墨加工的 技术关键。 石墨的超高速切削，可以实现表面的光洁加工。
高速切削的应用领域
高速切削的应用领域
各种加工工序的切削范围： 车削：700-7000m/min 铣削：300-6000m/min
转削：200-1100m/min
磨削：1500m/s
高速切削加工的特点
较之传统的加工方法, 高速切削加工具有明显的优势： 切削效率高 随着刀具切削速度的大幅提高，工件进给速度亦相应 提高5～10倍，这样大大缩短了加工时间和空行程的时间， 生产效率显著提高。
通过极高速切削加工钛合金时切屑的形成机理的研究； 机床结构动态特性及切削颤振的避免；多种刀具材料加工 不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度 以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配等，证 实了高速切削时大部分切削热被切屑所带走。
高速切削加工的研究
2. 高速切削加工设备研究 由于高速切削机床的主轴转速通常达到每分钟几万转 甚至十几万转。为了提高效率，降低振动、噪声， 提高机 床的动、静态精度及其稳定性， 高速切削机床都采用电主 轴结构，它包括内藏式交流变频电动机电主轴和内埋式永 磁同步电动机电主轴两种。由于取消了中间传动环节，实 现了主轴的“零传动”，极大地简化了结构。 （1）高速电主轴结构


高速切削的应用领域
另外，航空发动机叶片的加工，采用高速切削加工工艺， 不仅使叶片的制造费用降低一半，而且减少了零件的热负 荷，降低了内应力，提高了发动机叶片的使用寿命。
2、在模具制造领域的应用
大量的模具有复杂的三维几何形状，传统的加工方法
要经过粗加工、热处理和磨削等工序，最后工序靠手工抛 光。 大多数模具都是由高硬度、耐磨性能好的合金材料（经热 处理）制造，加工难度很大。以往广泛采用电火花加工成
采用“整体制造法”有三个优点：用高速加工来加工这类带有大量薄 壁、细筋的复杂轻合金构件，其材料切除率高达100～180cm3/min，为常规 加工的3倍以上，大大压缩了切削工时；飞机上的零件数量可减少 40%以上， 省去了原来组合构件的装配和铆焊工序，节省了大量的装配、调校工时和 制造工模夹具的时间，减少了占用的生产面积，减轻了飞机部件的重量， 扩大了柔性生产的能力，减少了部件之间的结合面，提高了飞机飞行的安 全性。
高速切削加工的研究
电主轴技术是高速切削机床的关键技术，它所融合的 内容包括：

高速轴承技术 电主轴通常采用角接触陶瓷球（氮化硅SiN）轴承，和 钢球相比，耐磨耐热，密度减少 60% ，因而可大幅度降低 离心力，寿命是传统轴承的几倍；角接触球轴承在 20000转 以下的高速主轴单元中应用，无论是速度极限、承载能力、 刚度、精度等各方面均能很好地满足要求，并已标准化， 且价格低廉，目前90%的主轴组件采用这种类型的轴承。