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学号：4209040625商 丘 工 学 院 Shang qiu institute of technology 毕业论文（设计） 题 目: 高速切削发展概论 系 别: 机电工程系 专业班级： 数控技术六班 学生姓名： 李 肖 肖 成 绩： 指导教师： 黄 胜 银 2011 年 11 月商丘工学院毕业论文（设计）摘要本文针对数控高速切削加工技术，较全面地介绍了数控高速切削加工的基础理论和发展过程，分析了高速加切削工的优点和应用领域，总结了发展数控高速切削加工需要的关键技术和研究方向。数控高速切削技术（High Speed Machining,HSM,或High Speed Cutting,HSC），是提高加工效率和加工质量的先进制造技术之一，在机械加工中，高速切削是当今应用最为广泛的一项先进制造技术之一。近年来，高速切削技术的蓬勃发展，已成为切削加工的主流和重要发展方向。数控发展前，在工件的上料下料、测量、手动换刀等等辅助功能中，投入了很大的力度，大大的增加了工件加工时间，为了提高效率、增加效益，随之以数控车床为基础的制造技术的发展与应用，从根本上缩短了加工时间，切削所占的时间越来越大。因此，高速切削已成为提高机床效率的重要手段，即高速切削在航空航天、模具生产、汽车制造等行业中得到了广泛应用，并缩短了加工时间，提高了经济效益。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，需要掌握先进制造核心技术，高速切削作为一种新的加工理念，对其深入研究和发展，对我国机械制造业具有重要意义。关键词： 加工技术 高速切削 核心技术 目 录摘要I第1章 绪论1 1.1 高速切削的基本概述1 1.2 高速切削的发展与应用2第2章 高速切削的加工基础3 2.1 高速切削技术的特点3第3章 高速切削刀具和刀柄的发展5 3.1 高速切削常用刀具材料5 3.2 高速切削刀具的磨损7 3.3 高速切削新型刀柄的开发与应用9 第4章高速切削主轴的发展12 4.1 高速切削主轴的类型12 第5章 高速切削机床14 5.1 高速数控车床14 5.3 高速加工中心14结论16参考文献1715商丘工学院毕业论文（设计）第一章 绪论1.1 高速切削的基本概述 高速切削（High Speed Cutting)和高速加工（High Speed Machining)分别简称HSC和HSM。1931年4月德国物理学家Carl.j.Salomon 提出的高速切削理论:在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度提高而提高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反而会降低，该切削速度值与工件材料有关，如图1-1所示。 图1-1 高速切削的概念示意 高速切削技术是在高性能CNC系统、机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能刀具系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分的发展的基础上综合而成的，因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程和一项先进制造技术。对于机械零件而言，高速加工即是以比较快的生产节拍进行加工。零件的一个生产节拍为：零件送进定位夹紧刀具快进刀具工进（在线检测）刀具快退工具松开、卸下质量检测等七个基本生产环节，石高速加工中的一个主要的子系统。对于整个条生产自动线而言，高速加工的技术的表征是较简捷的工艺流程，较短、较快的生产节拍。对于某一产品而言，高速切削加工技术也意味着企业要以较短的生产周期，完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。1.2 高速切削的发展与应用 由于高速切削在提高生产效益方面具有巨大潜力，早己成为美、日、德等国竞相研究的重要技术领域。美国日本等国早在60年代初，就开始了超高速切削机理的研究。上世纪70年代，美国已经研制出最高转速达20000r/min 的高速铣床。如今，欧美等发达国家生产的不同规格的各种超高速机床已经商业化生产并进入，在飞机、汽车及模具制造行业实际应用。近年来，美、欧、日等国对新一代数控机床、高速加工中心、高速工具系统的研究和产业化进程进一步加快，高性能的电主轴技术及其产品的专业化生产步伐加大；高性能的刀具系统技术也进展迅速；直线电机技术应用于高速进给系统。 我国在研究和开发高速切削技术方面，许多高校和研究所作了努力和探索，包括切削机理、刀具材料、主轴轴承、等方面，也取得了相当大的成就。 然而，与国外发达国家相比，仍存在着较大的差距，基本上还处在实验室的研究阶段。为适应发展需要，满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求，数控高速切削技术应用研究任重道远。目前，针对高速切削技术的研究已从实验阶段转向应用阶段。在应用方面的研究包括两个层面：一是高速加工关键技术的基础理论研究，包括高速主轴单元和高速进给单元等，实现高速机床国产化。另一方面，在现有实验室实践技术基础上，进行工艺性能和工艺范围的应用研究。其中，关于高速切削工艺的研究是当前最活跃的研究领域之一。第二章 高速切削的加工基础2.1 高速切削技术的特点 高速切削针对不同金属材料的工件，当切削速度到达某一特定值时，切削温度不但不会升高反而会降低，产品的质量也会改善，生产效率也会大幅度提高。 g/ c; n$ O; y n( T( 高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的510倍，铝合金1 5005 500m/min；铜合金9005 000m/min；钛合金1001 000m/min；铸铁7504 500m/min；钢600800m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为225m/mink,，e( X+ _: K- X高速切削之所以得到制造业越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：# F- 8 6 z& Q* w# F（1） 可提高生产效率( n* u5 f; 6 . L0 H高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高510倍，单位时间材料切除率可提高36倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。（( E7 l* S! |( N! M% e2）降低了切削力& p* Q6 N5 L2 o O5 t$ I9 z由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。（. K/ F6 g& I9 5 o; z3）提高了加工质量 T2 |( 2 E4 p7 A% # O: J因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。0 y. Y6 e2 I/ V6 从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。 （4）加工能耗低，节省制造资源2 j& l# S8 B2 x D, j; H) w由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。) X1 i l% n& d; g- g2 x& g4 e常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。- q1 s! _- S6 g6 由于高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料和切削工时，从而可极大限度地节约自然资源和减少对环境的污染，提高生产率和产品质量，因此，高速切削在工业生产尤其是规模较大的汽车企业和与之相关的模具制造业上的应用具有“燎原”之势。W/ p O! t5 f o& F9 i g3 第三章 刀具和刀柄的发展 3.1 高速切削常用刀具材料 刀具是高速切削加工中最活跃最重要的因素之一，直接影响着加工效率、制造成本和成品的加工精度。刀具在高速切削加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和震动等载荷，因此，其硬度和耐磨性、强度和任性、耐磨性、工艺性和经济性等基本性能是实现高速切削加工的关键因素。 高速加工时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件，才能获得最佳的切削效果。下面分析高速切削时常用的刀具材料。 图3-1 金刚石材料刀具(1)金刚石。有天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石刀具主要用于超精密镜面切削，而更多的金刚石刀具是人造金刚石。人造金刚石又分为3种：聚晶金刚石(PCD)。这种金刚石刀具焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量较好，抗腐蚀性差;化学气相沉积金刚石(CVD)，化学气相沉积金刚石厚膜抗腐蚀性好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性较好，可焊性差;利用超高压装置，在1400一1 600高温下，人工合成的单晶金刚石，人工合成单晶金刚石刀口质量的抗磨损性和抗喷蚀性好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性差。 图3-2 立方氮化硼材料刀具 （2）立方氮化硼(CBN)是纯人工合成材料，化学稳定性优于金刚石，是高速切削黑色金属的理想刀具材料，聚晶立方氮化硼(PCBN)刀坯有2种：高CBN含量的刀具(CBN含量80%一90%)，它具有高硬度、高导热性;低CBN含量的刀具(CBN含量50%一65%)，它具有较好的强度和韧性。 图3-3 陶瓷材料刀具(3)陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3)和氮化硅基(Si3M4)两大系列。通过添加各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物，构成了不同品种和不同性能的陶瓷刀具，现有40多个品种陶瓷刀具，大约200多个牌号。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性。硬度可达HRA9395，耐磨性能也很好，可以加工HRC65的高硬度材料，高温性能，抗粘结性能、化学稳定性都比较好。陶瓷刀具的缺点主要是强度和断裂韧性较低、脆性较大。 图3-4 涂层材料刀具(4)涂层刀具是高速切削应用研究中发展速度很快的刀具。在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物。涂层刀具的涂层物质不同，刀具的切削性能也有明显变化，适于高速切削的涂层物质主要有CVD法的TiCN+A12O3+TiN、TiCN+A1203、TiCN+A1203+HfN以及PVD法的TiAlN/TiN、TiAlN等。3.2 刀具的磨损进行金属切削加工时，刀具一方面将切屑切离工件，另一方面自身也要发生磨损或破损。磨损是连续的、逐渐的发展过程；而破损一般是随机的、突发的破坏(包括脆性破损和塑性破损)。3.2.1刀具的磨损形式刀具的磨损形式有以下三种， 图3-5 后刀面磨损 前刀面磨损 前后刀面同时磨损（1）前刀面磨损 切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，刀具前刀面上会形成月牙洼磨损。它是以切削温度最高点的位置为中心开始发生，然后逐渐向前向后扩展，深度不断增加。当月牙洼发展到其前缘与切削刃之间的棱边变得很窄时,切削刃强度降低，容易导致切削刃破损。前刀面月牙洼磨损值以其最大深度KT表示。（2）后刀面磨损后刀面与工件表面实际上接触面积很小，所以接触压力很大，存在着弹性和塑性变形，因此，磨损就发生在这个接触面上。在切铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时，主要也是发生这种磨损。后刀面磨损带宽度往往是不均匀的，可划分为三个区域，如图所示。 图3-6 后刀面磨损情况 C区刀尖磨损 强度较低,散热条件又差,磨损比较严重,其最大值为VC。N区边界磨损 切削钢料时主切削刃靠近工件待加工表面处的后刀面(N区)上，磨成较深的沟,以VN表示。这主要是工件在边界处的加工硬化层和刀具在边界处的较大应力梯度和温度梯度所造成的。B区中间磨损 在后刀面磨损带的中间部位磨损比较均匀，其平均宽度以VB表示,而其最大宽度以VBmax表示。（3）前后刀面同时磨损在常规条件下，加工塑性金属常常出现图8.1所示的前后刀面同时的磨损情况。3.2.2 刀具磨损的原因刀具磨损不同于一般的机械零件的磨损，因为与刀具表面接触的切屑底面是活性很高的新鲜表面，刀面上的接触压力很大(可达23GPa)接触温度很高(如硬质合金加工钢,可达8001000以上)，所以刀具磨损存在着机械的、热的和化学的作用，既有工件材料硬质的刻划作用而引起的磨损，也有粘接、扩散、腐蚀等引起的磨损。（1）磨料磨损磨料磨损是由于工件材料中的杂质、材料基体组织中的碳化物、氮化物、氧化物等硬质点对刀具表面的刻划作用而引起的机械磨损。（2）粘结磨损在切削过程中,当刀具与工件材料的摩擦面上具备高温、高压和新鲜表面的条件，接触面达到原子间距离时，就会产生吸附粘结现象，又称为冷焊。各种刀具材料都会发生粘结磨损，磨损的程度主要取决于工件材料与刀具材料的亲和力和硬度比，切削温度、压力及润滑条件等。粘结磨损是硬质合金刀具在中等偏低切削速度时磨损的主要原因。（3）扩散磨损当切削温度很高时，刀具与工件材料中的某些化学元素能在固体下互相扩散，使两者的化学成分发生变化，削弱了刀具材料的性能，加速磨损进程。扩散磨损是硬质合金刀具在高温（8001000）下切削产生磨损的主要原因之一。一般从800开始，硬质合金中的Co、C、W等元素会扩散到切屑中而被带走，同时切屑中的Fe也会扩散到硬质合金中，使刀面的硬度和强度下降，脆性增加，磨损加剧。不同元素的扩散速度不同，例如Ti的扩散速度比C、Co、W等元素低得多，故YT类硬质合金抗扩散能力比YG类强。 （4）氧化磨损 当切削温度700800时，空气中的氧与硬质合金中的钴、碳化钨、碳化钛等发生氧化作用生成疏松脆弱的氧化物。这些氧化物容易被切屑和工件擦走，加速了刀具磨损。3.3新型刀柄的开发与应用为了适应高速切削加工对刀具系统的要求，最近10年各工业发达国家相继研制开发了多种新型结构的刀柄。 1.HSK刀柄 图3-7 HSK刀柄 HHSK(德文Hohlschaftkegel缩写)刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。HSK刀柄已于1996年列入德国DIN标准，并于2001年12月成为国际标准ISO12164。由于其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍，因此在机械制造业得到了广泛的认同和采用。例如，在德国奔驰汽车公司和大众汽车公司，HSK刀柄被广泛用于铣削、钻削和车削加工中。在我国一汽大众公司的发动机、传动器生产线上共有二百五十多台数控机床采用了HSK高速短锥空心柄工具系统，共6个规格。HSK刀柄由锥面（径向）和法兰端面（轴向）双面定位，实现与主轴的刚性连接，当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此刻，HSK刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm的间隙。在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪得外锥面作用在空心短锥柄内孔的30锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧实现其刀柄与主轴端面同时定位和夹紧的功能。 HSK刀柄结构的主要优点是： 有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。 有较高的重复定位精度，并且自动换刀动作快，有利于实现ATC的高速化。由于采用1:10的锥度，其锥部长度短(大约是7:24锥柄相近规格的一半)。每次换刀后刀柄与主轴的接触面积一致性好，故提高了刀柄的重复定位精度。由于采用空心结构，质量轻，便于自动换刀。 刀柄与主轴间由弹性扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力越大，锁紧力越大。按德国DIN标准的规定，HSK刀柄采用平衡式设计，其结构形式有A、B、C、D、E、F6种型式，每一种型式又有多种尺寸规格，A、B型为自动换刀刀柄，C、D型为手动换刀刀柄，E、F型为无键连接，适用于超高速切削用刀柄。 图3-8 KM刀柄与主轴连接结构 2.KM刀柄 KM刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司与德国怀迪尔公司于1987年联合开发出来的，与HSK刀柄并存的1:10短锥空心柄，其结构如图2所示。KM刀柄首次提出了端面与锥面双面定位原理。KM刀柄采用了1：10短锥配合，配合长度短，仅为标准7:04锥柄相近规格长度的1/3，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。另一方面，KM刀柄与主轴锥孔间的配合过盈量较高，可达HSK刀柄结构的25倍，其连接刚度比HSK刀柄还要高。同时，与其他类型的空心锥柄连接相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，因而主轴锥孔在高速旋转时扩张小，高速性能好。 HSK刀柄和KM刀柄存在的问题 由于采用双面定位，造成刀柄在主轴内孔产生过定位。要很好实现过定位，就要求刀柄锥面和法兰盘端面自身有较高的形状精度以及相互位置精度，这给刀柄的制造增加了难度。因而这种类型的刀柄制造成本较高，其价格通常是常规标准7:24锥柄的1.52倍。 它与传统的主轴端部结构和刀柄不兼容，不能直接用于传统的机床，需对机床主轴端部进行重新设计。当然，目前国外许多机床厂家生产的高速机床其主轴端部直接按与中空短锥结构刀柄结合设计。如2003年4月在北京举行的第八届中国国际机床展览会上，几乎所有的高速机床均采用了HSK刀柄。制造刀柄的材料要求较高。由于这种刀柄采用过定位，要求其受热变形小而均匀，否则将会破坏原有的定位精度，且不易装卸。 综上所述，高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理，提高刀柄系统的结合刚度。同时，解决好刀柄过定位带来的相关问题，并不断改善刀柄材料的性能。第四章高速切削的主轴的发展快速发展起来的高速切削技术是上世纪机械制造业的重要技术进步之一。由于其具有切削速度高、切深小、进给快、运转平稳、效率高、切削过程散热快、表面精度高、适合切削高硬度材料和以切代磨等独特的优点，受到了工业界极大的关注，并已成为制造技术发展的重要方向，主轴的发展对金属切削起到很大的作用，主轴的好坏内部结构起到很大的作用，首先我们介绍一下: 4.1 轴承类型(1)空气轴承及静压轴承 图4-1 空气轴承及静压轴承空气轴承采用空气冷却和气膜支承，运转平滑，由于气体的粘度小，允许在摩擦损耗不大、润滑剂和支承的温升不高的情况下实现高速旋转。因此，特别适合做高速回转副的支承元件，但由于受到能承受的切削载荷及过载能力较小的限制，在机床结构中，通常适宜于应用在高速内圆磨床磨轴的轴承(105r/min以上)上。静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而使转速受到限制，但由于通过静压原理润滑轴承而使轴承润滑系统相对简单，因此，在机床主轴支承中也有一定的应用。 (2)动静压轴承 图4-2 动静压轴承 动静压混合轴承采用流体动力和流体静力相结合的方法，同时利用高压油的静压作用和轴转动引起的动压效应来形成油膜，使主轴在油膜支撑中旋转，它在运转时既利用动压又利用静压来承载，既发挥了高速时的动压效应又利用了低速和高速时优良的静压效应，因而兼有动压和静压轴承的优点：径向和轴向跳动精度高、刚性好、阻尼特性好、粗精加工均适用、轴承寿命无限长等优点。但这种轴承必须根据具体机床进行专门设计，单独生产，因此，标准化程度低，维护保养也困难。 (3)磁悬浮轴承 图4-3 磁悬浮轴承磁悬浮轴承是由电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来的新型智能化轴承。其转子与定子之间无任何接触，工作中完全无磨损，精度高，温升小，无振动和噪声，因此允许的最高转速可比球轴承高14倍，最大线速度可达300m/s。并能进行实时诊断和在线监控，是高速加工机床主轴比较理想的支承元件。 高速主轴是实现高速切削的重要条件，而轴承又是主轴单元的核心部件，其性能好坏将直接影响主轴单元的工作质量。由于速度的提高，轴承的温升、振动和噪声等也将随之增大，而寿命将可能缩短。因此，提高主轴转速的前提是研制开发出性能优越的高速主轴轴承。第五章高速切削机床.高速数控车床 图5-1 Ck6150数控车床 数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computerized Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938