教 案
授课时间 月 日 至 月 日 课时数 授课方式 理论课□ 讨论课□ 习题课□ 实验课□ 上机课□ 技能课□ 其他□ 授课单元 目的 与 要求 第三章 先进制造工艺技术（第三节 高速加工技术） 1．掌握高速加工技术的概念、切削理论 2. 掌握高速切削加工的优点和应用领域 3. 了解高速切削加工所涉及的关键技术 重点 与 难点 重点：1.高速加工技术的概念；高速加工的切削理论 2.高速切削加工的优点和应用领域 难点：高速切削加工所涉及的关键技术 主 要 内 容 教学方法手段（教具） 1.盛晓敏著．先进制造技术．北京：机械工业出版社，2000。 2.孙大涌著．先进制造技术．北京：机械工业出版社，1999。 参考资料 3.张根保著．先进制造技术．重庆：重庆大学出版社，1996。 4.《中国机械工程》、《机械工程学报》、《制造技术与机床》等科技核心期刊。 讲授；多媒体和板书相结合；运用启发式、讲解式、讨论式、提问式教学方法 第三节 高速加工技术 高速加工技术的概念；高速加工的切削速度范围；高速加工的切削理论；高速切削加工的优点和应用领域；高速切削加工所涉及的关键技术 思考题、 作业 0
讲 稿
第三节 高速加工技术
一、高速加工的概念与特征
普通加工超过70％是辅助时间（零件的上下料、测量、换刀和调整机床）几十年，主要是减少加工
过程的辅助时间。
20世纪50年代美国麻省理工学院发明了数控技术，实现了多品种、小批量生产的柔性自动化，成功解决了形状复杂、重复加工精度高的零件的加工，节省了辅助工时，提高了生产效率。
机床空行程动作（自动换刀、上下料）大大加快，辅助工时也大为缩短。自动换刀时间缩短小于1s，空行程速度提高到30～60m/min。但再减少辅助工时，技术上有难度，经济上不合算。可以减少切削的工时，提高切削速度和进给速度。
高速加工可以成倍提高机床的生产效率，还可以改善加工质量和精度。
高速加工技术：是指采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。
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。
刀具：PCD、CBN、超细晶粒硬质合金、Si3N4陶瓷、TiN基硬质合金，涂层刀具。
高速切削和普通切削的比较
比较因素 转速（r/min） 切削力 运动传递方式 刀具材料 加工表面质量 机床配置 机床价格 环境状况 普通切削 小于10000 大 传动链 普通 一般 普通机床（国产） 低 噪声、油污、烟尘 高速切削 10000 小 电主轴 超硬 好 高速机床（进口） 高 清洁生产 1. 高速加工切削速度的范围
高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异
铝合金：1000-7000 m/min◎铜：900-5000 m/min◎钢：500-2000 m/min◎灰铸铁：800-3000 m/min◎钛：100-1000m/min
高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同
◎车削：700-7000 m/min◎铣削：300-6000 m/min◎钻削：200-1100 m/min◎磨削：50-300 m/s 2. 切削理论的提出
泰勒（Frederick W.Taylor）是最早研究金属切削机理的学者之一。提出了传统的切削速度和刀具寿命的关系为线性，即刀具的速度越高，刀具的磨损越快。但在实际生产中出现了违反这一规律的现象。 由德国Carl Salmon 博士,在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。
Carl Salmon萨洛蒙对铝和铸铜等有色金属进行了高速实验，所得结果图中的实线所示。虚线是推算出来的，并没有经过实验验证。
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萨洛蒙指出：A 区（常规切削区），切削速度t 随切削温度v 的提高而升高，但是在B 区（不可用切削区） ，当速度v增大到某一数值v0 后（ v 0的大小同工件材料的种类有关） ， v 再增大， t 反而下降了。
由于在这个区域，t 太高，任何刀具材料都无法接受，切削加工不可能进行，因此，这个区域被称之
为“死谷”。
C区，高速切削区。
1952年美国R.L.Vaughn教授首次主持了高速加工试验：将刀具装在炮里从滑台射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具。
结果是随着切削速度的提高，塑性材料的切削形态将从带状、片状向碎屑不断演变；单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降；刀具磨损减少了95％。切除率可提高50～1000倍。
1970年美国空军和海军先后也进行了一系列的高速铣削试
验。指出：可以大大缩短零件的加工过程，提高生产率。铣削力减少了70%，可以实现厚度为0.33mm薄筒件的铣削。 3.高速加工的特点
? 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
? 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，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
? 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残
余应力小，易于保证加工精度和表面质量
? 减少工序：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从
而可使工序集中在一道工序中完成。这对于模具加工具有特别意义
二、高速加工技术的发展与应用
1976年，美国的Vought公司的高速铣床，采用了内装式电机主轴，转速达20000r/min，功率15KW。 1983年德国Guerhing Automation公司格林自动化公司，高速磨床，转速10000r/min，功率60KW. 高速电主轴组件，多线滚珠丝杠或直线电动机，高压冷却系统，安全保障系统。
美国Ingersoll公司是高速机床应用直线电动机的先锋。该机床用于加工汽车模具的高速龙门铣床。三个坐标都采用直线电动机驱动。主轴最高转速20000r/min，快速移动40m/min 。加工模具时，与传统工艺比较，加工时间从350h缩短到40h。 已用在日本丰田公司模具加工。
五轴加工中心的工作台和铣头可以多轴联动实现连续回转进给，进行曲面加工，复杂形腔曲面的模具类零件。 一般有两种典型结构：一种是两个旋转轴安装在工作台上，由工作台带动工件回转进给，完成多轴或多面加工。
另一种是两个旋转轴的转动进给都由主轴系统实现，即主轴具有B轴和A轴的回转摆动，实现旋转切削进给，工作台和工件固定不动。
（1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。 飞机大梁、肋板、雷达组件、钛和钛合金零件、铝或镁合金压铸件。材料去除率达100-180cm3/min。
现代飞机构件都采用整体加工技术，高速切削，加工出高精度的铝合金的构件，不用铆接的工艺。 如波音公司的F15战斗机的起动减速板。由500个零件装配而成，约为3个月。高速加工，整体 铣削，仅需几天。 高速切削可加工薄壁件达0.04mm，孔直径0.08mm。 高速五轴加工叶轮，提高效率。以直径120mm铝叶轮，用普通加工需35分钟，高速加工只需10分钟。
（2）汽车工业领域。大批生产领域中铸铁和刚的高速切削。采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产
（3）模具工具工业领域 简化加工手段，缩短加工周期 ，提高加工效率，降低成本。可以直接在淬
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硬材料加工。可以达到高表面质量。省去了电加工，研磨和抛光的工序。锻模和铸模经高速切削即可。高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍。
对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。
高速切削加工电火花加工用工具电极 比普通加工快12倍，而且不需要手工修整。如图中的铜电极，粗铣：主轴转速35000r/min，进给速度6m/min;精铣：40000m/min，进给速度8m/min。整体加工时间为29min，提高了工具电极的加工速度。
★对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。电极制造1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修a）传统模具加工的过程1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修b）高速模具加工的过程图两种模具加工过程比较2009-3-9129（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1微米。
（5）超精密微细切削加工领域。电路板上有许多0.5mm左右的小孔，用高速加工。
三、高速切削加工的关键技术
高速主轴、快速进给系统、高性能CNC控制系统、先进的机床结构、高速加工刀具等。 1. 高速主轴
最关键部件。高速化指标：dm n值，至少达到1×106。目前，转速范围为10000～25000r/min，进给速度达到10m/min以上。
电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑的特点。
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?陶瓷轴承高速主轴结构?磁浮轴承主轴结构前径向轴承电主轴后径向轴承双面轴向推力轴承后辅助轴承陶瓷球轴承密封圈电主轴陶瓷球轴承冷却水出口旋转变压器前辅助轴承陶瓷轴承超高速主轴冷却水入口前径向传感器2009-3-9后径向传感器轴向传感器磁浮轴承超高速主轴138 采用的轴承有：滚动轴承、气体静压轴承、液体静压轴承、磁浮轴承。 135陶瓷轴承高速主轴结构特征 ? 采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；
? 采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似； ? 采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4； ? 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：
◎陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力； ◎陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度； ◎陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失； ◎陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。
? 轴承转速特征值（= 轴径（mm）×转速（r/min））较普通钢轴承提高1.2 ～2倍，可达0.5～1×
106。
? 液体静压轴承转速特征值可达1×106，空气静压轴承转速特征值可达3×106 。 磁浮轴承高速主轴
? 主轴由两个径向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。 ? 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。 ? 转速特征值可达4×106。
? 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2μm。 ? 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。 2. 快速进给系统
机床工作台要有很高进给速度为60m/min以上，特殊情况可达120m/min，甚至更高；高加速度，一般要求1～2g，特殊可达到2～10g；高精度；高可靠性和高安全性；合理的成本。
伺副电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副。用于中小载荷、中小速度（10～40m/min）和中小加速度（0.5～1.0g）的场合。
直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。直线电机：进给速度可达160m/min，加速度可达2.5-10g。消除了机械传动间隙和弹性变形，几乎没有反向间隙，是未来机床进给传动的基本形式。用于高档高速加工中心。可以消除机械传动系统的间隙和弹性变形。 3. 高性能的CNC控制系统
要有很高的运算速度和精度，以及快速响应的伺服控制。32位或64位CPU，计算机处理软件。几何补偿软件。
4. 先进的机床机构
床身和工作台的要求：高的动、静刚度和抗振性；好的精度保持性；更好的抗热变形能力。
采取的措施：床身、立柱、横梁、工作台等基础件一般采用整体铸造；多应用高强度铸铁、聚合物混凝土、大理石等材料。
2009-3-94
安全保障系统：在线监控系统，来监测刀具的破损；用足够厚钢板做安全罩，用防弹玻璃做观察窗。 5. 高速加工刀具
对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损；必须良好的平衡，可靠定位。 刀具材料：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮花硼刀具。 天然金刚石
? 天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000。 ? 天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。
? 天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01μm。 ? 天然金刚石耐热性为700-800℃，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。
? 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反
射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。 ? 聚晶金刚石
? 人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。 ? 在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。 ? 聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000 。
? 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。 ? 金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极
易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。
聚晶立方氮化硼（PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride） 1970年问世
? 较高的硬度和耐磨性：
? PCBN硬度HV3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀
具的30倍，陶瓷刀具的25倍。
高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具
? 良好的化学稳定性
1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000 ℃才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。
? 良好的导热性
CBN导热性仅次于金刚石，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。
? 较低的摩擦系数
CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高
[教学后记]：
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先进制造技术-第七次教案
