第四讲-高速切削技术及刀具

高速切削及刀具,高速切削技术的概念；高速切削的发展史；高速切削的优点；高速切削的应用；高速切削的“软硬件”要求；,高速切削的概念与特点,高速切削技术的概念,20世纪90年代走向实际应用的先进制造技术，目前国际上对其定义尚无统一规定;通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣;现阶段一般把转速10000r/min以上视为高速切削;国外对高速切削两种表述方法：HighSpeedMachining（高速加工，HSM）HighVelocityMachining（高移速加工，HVM）,高速切削及刀具,高速切削的发展史,1929年由德国Salomon博士提出1931年发表切削速度与切削温度理论理论核心：VcTv上升到一定程度后达到极限。之后VcTv,高速切削及刀具,目前划分切削速度的方法和观点有多种：,根据切削速度划分：切削速度比常规高出510倍以上的切削加工。,按不同加工工艺:,按加工不同的材料：,机床主轴转速高当前主流的高速加工设备主轴转数已经普遍超过2万转，更高的可达到6、7万转以上。进给速度快通常快速空行程4060米/分,更快的可达80100米/分,高速切削的优点:,研究的出发点：提高效率解决难加工零件质量问题,1、切削速度和进给速度大幅提高,效果单位时间内的材料切除率大大增加，达到常规切削的36倍。,高速切削及刀具,2、切削力可降低30%以上。特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工,高速切削的优点:,高速带来突变滑移减少硬化阻力,基本原理:,3.减少切削热对机床和刀具的影响90%以上的切削热来不及传给工件被切屑带走，工件基本上保持冷态，适合加工容易热变形的零件。,高速切削的优点:,切屑成形模型,切削热的产生,切削角的变化和减少切削热,4可以加工难加工材料例如镍基合金和钛合金，100-1000m/min,为常规切速的10倍左右。可有效地减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量。,高速切削的优点:,5高速硬切削,高速切削的优点:,可以加工淬火材料HRC5060；模具精加工。,高速切削应用,航空航天制造业,（超）高速切削应用于航空航天工业的大型柔性件加工，提高工效10倍。,许多薄壁、细筋结构零件，高速切削成为此类零件加工工艺的唯一选择。,对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生产效率和产品质量，降低制造成本,例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。,高速切削应用,模具加工业,淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工质量和效率，可取代电火花加工,应用于精密模具的加工，可实现淬火钢模具加工“一次过”，直接达到级精度及接近镜面的表面质量。,高速切削应用,两种模具加工过程比较,高速切削应用,汽车发动机及其配件的高速切削加工,汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工,汽车制造业,高速加工中心组成柔性生产线(FTL),例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆,高速切削应用,高速切削应用,高速切削应用,高速切削的“软硬件”,高速加工系统化新技术,高速机床的进给系统,一、高速机床对进给系统的要求(1)高速度。由于高速机床的主轴转速比常规机床要高得多，为了保证高速和减少空程时间，要求进给系统必须提供足够高的进给速度。目前，高速机床对进给速度的基本要求为60m/min以上，特殊情况可达120m/min，甚至更高。(2)高加速度。由于大多数高速机床加工零件的工作行程范围只有几十毫米到几百毫米，提供极大的加速度来保证在瞬间（极短的行程内）达到高速和在高速行程中瞬间准停。目前高速机床要求进给加速度为12g，某些超高速机床要求加速度达到210g。,高速机床的进给系统,(3)高精度。在高速运动情况下，进给驱动系统的动态性能对机床加工精度的影响很大，高速机床一方面要提高各坐标轴自身位置闭环控制的精度，另一方面也须从合成轨迹和闭环控制的角度来研究高速情况下轨迹控制方法与实现技术。(4)高可靠性和高安全性。在高速加工情况下，机床可靠性与安全性比普通数控机床的要求更严格。故障率比较高，对机床整机的可靠性造成的影响也比较大；进给系统包含有运动部件，高速下一旦失控，将非常危险。,适用于高速机床的新型进给系统,(1)采用新设计、新工艺、新材料等对传统的滚珠丝杠副进行创新改进，研制生产出用于高速机床的高速高精度滚珠丝杠副，构成新一代“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的高速进给系统。,内循环滚珠丝杠,外循环滚珠丝杠,高速滚珠丝杠副传动系统,传统结构的滚珠丝杠副主要问题：(1)常规滚珠丝杠螺母副传动系统的刚度较低，受临界转速等的限制，限制了速度和加速度的提高；(2)高速下发热比较严重，影响机床精度；(3)噪声大；(4)受疲劳强度的限制，高速工作时寿命较低。,高速滚珠丝杠螺母传动系统,1、提高丝杠扭曲刚度和轴向刚度2、增大丝杠螺母的导程和螺纹头数螺旋升角为917的大导程滚珠丝杠副，兼顾精度和加（减）速等方面的要求，目前，丝杠名义直径与导程的匹配为：40mm20mm、50mm25mm、50mm30mm等。这些滚珠丝杠副进给系统的线速度可达到60mmin左右。3、实施强制冷却，减小发热的影响丝杠高速转动，产生大量的热。高速滚珠丝杠螺母副传动系统发热是将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却。4、减轻滚珠质量减小滚珠、空心滚珠和采用陶瓷等新材料制造滚珠,高速滚珠丝杠系统的优点和问题,(1)高速滚珠丝杠螺母副的制造难度大；(2)速度和加速度上限仍受到较大限制；(3)进给行程有限，一般不能超过4m.,适用于高速机床的新型进给系统,(2)新的并联机构驱动系统，空间机构学理论与现代驱动控制技术相结合，寻求解决机床高速进给问题的新途径。,德国Mikromat公司6XHexa型并联运动机床,高速进给路径,Z平面切削（等高线）,螺旋进给提高表面光洁度,螺旋进给加工孔,小直径铣刀螺旋进给加工槽,螺旋进给加工平面,内圆角均匀过渡,高速加工CAD/CAM,编程软件,高速切削模具的编程软件特点：1、根据高速切削特点确定切削参数2、需要特殊的刀具进给运动轨迹3、保护刀具，减少磨损,自动编程软件的高速加工模块DelcamUGNXCATIA,CAD模型的质量；机床和数控系统的选择；主轴的选择；加工刀具的选择；加工策略的正确选择；CAM系统的能力。,影响高速加工的因素,高速切削及刀具,高速切削机理,切削力；切削热。,切削力,在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低；,高速切削力下降的解释：,1）剪切断裂：发生在加工过程中不稳定的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化。,延展材料随着塑性变形而发生应变硬化,高速切削及刀具,2）不稳定性的解释：当变形缓慢时，上述过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加。这是传统速度切削时切削力的情况。然而如果切削速度足够快，使应变来不及发生，变形就只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度的切削力。此即高速切削时切削力下降的原因。,高速切削及刀具,3）突变滑移和绝热剪切：在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散。这个不稳定过程导致突变条件产生，称为突变滑移。随着切削温度的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的滑移区。因为特定滑移区的软化，发生附加滑移，最终得到完全剪切。,高速切削及刀具,4）高速切削力下降原因：,5）其他原因：,切削速度高，切屑流出的速度加快，改善了切屑与刀具前面之间的摩擦，切屑流出阻力减小，剪切区变形减小，从而使切削力减小。,高速切削比普通切削快得多，发生突变滑移和绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而高速切削力下降。,切削热,高速切削功的消耗：,1）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需能量2）剪切区的剪切变形功3）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功4）切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功,切削热,产生的热：,形成新生表面消耗的功：成为工件和切屑所增加的内能剪切变形功和动量改变消耗的功：大部分变为基本变形区的热量，小部分形成新生表面的内能前后刀面的摩擦功产生的热：变为第二、三变形区的热量,1）高速切削时，切屑变形所消耗的能量绝大部分转变成热,切削热,2）基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。,有一种假设认为，基本剪切区的高温刀具前刀面和切屑接触面上产生一层极薄的液体加快了塑性流动的速度高速下切除材料所需的切削力反而小一些。,切削热分布估算,切削热耗散渠道,3）切削热分布和耗散渠道：,切削热,高速切削范围内尽可能提高切削速度是有利的。,已有研究表明，切削速度越高，被切屑带走的热量越多，传入刀具和工件的热量越少。,4）切削速度越高，传入刀具和工件的能量越少,这也正是为什么高速切削工件热变形小的原因。,高速切削的刀具刀具磨损,损坏形式：磨损和破损损坏原因：磨料磨损、粘结磨损、化学磨损（氧化、扩散和溶解等）、脆性破损和塑性变形等低切削速度：以磨料磨损为主，随切削速度提高，切削温度增加，粘结磨损和化学磨损越来越突出高切削速度：后刀面磨损、前刀面磨损、边界磨损和微崩刃等磨损形态以及崩刃、碎断和塑性变形等破损形态,高速切削的刀具,高速切削对刀具材料有更高的要求，具体表现在：1)高硬度、高强度和耐磨性；2)韧度高，抗冲击能力强；3)高的热硬性和化学稳定性；4)抗热冲击能力强等。,由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面因素。,刀具材料,刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主，刀具的发展主要集中在如下两方面：,一是研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性；,二是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。,刀柄结构,刀柄的一端是机床主轴、另一端是刀具。高速切削时既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所以高速切削时刀柄须满足下列要求：,很高的几何精度和装夹重复精度；很高的装夹刚度；高速运转时安全可靠。,HSK刀柄,HSK型刀柄及其联结结构,它以其端面及1：10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7：24锥柄相比，有如优点：1)重量减少约50%；2)重复使用时装夹和定位精度高；3)刚度高，并可传递大的转矩；4)装夹力随转速升高而加大。,HSK刀柄,刀具与刀柄的连接,目前常用的有收缩夹头、液压膨胀夹头和力膨胀夹头。,收缩夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内。这种夹头的优点是精度高，刚性大。缺点是操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形。,刀具与刀柄的连接,液压膨胀夹头(a)外径胀套夹头(b)内径胀套夹头1推动活塞的螺栓2活塞3液压腔4膨胀薄壁,刀具与刀柄的连接,液压控胀夹头的原理如图所示，在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。其优点是精度高，刚性大，操作方便。缺点是对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。,刀具与刀柄的连接,液压膨胀夹头,刀具与刀柄的连接,力膨胀夹头的原理如图所示。刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变形成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性回复，刀具就被夹持在孔内。这种夹头的优点在于装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。,(a)夹头孔制成三棱,(b)受力后夹头孔呈圆形,力膨胀夹头(TRIBOS刀具夹头),VCP/UCP600/800主轴转速：12000/20000/42000转/分工作行程：X轴：600/530mmY轴:45