第二章-第八节-高速切削及刀具

第二章金属切削原理与刀具,内容提要,刀具的结构刀具材料金属切削过程及物理现象切削力与切削功率切削热和切削温度刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择及工件材料加工性高速切削及刀具,第八节高速切削及刀具,刀具的结构刀具材料金属切削过程及物理现象切削力与切削功率切削热和切削温度刀具磨损与刀具寿命切削用量的选择及工件材料加工性高速切削及刀具,第八节高速切削及刀具,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）,第八节高速切削及刀具,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,第八节高速切削及刀具,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：,第八节高速切削及刀具,根据机床主轴转速等划分,按主轴的Dn值区分：,Dn=D（mm）*n（r/min）一般为5000002000000,主轴要达到所规定的平衡标准，速度至少要超过8000r/min,按主轴锥孔的大小划分：,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。,第八节高速切削及刀具,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机床的激振频率特别高远离“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，能加工精密、非常光洁的零件。,高速切削的优点:,5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:,6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,EDM电极加工，提高电火花加工质量和效率，减少后续加工工序,快速样件制造，比快速原型制造技术效率高、质量好,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，制造节拍1150辆/min；,高速切削应用,高速切削应用,高速切削应用,高速加工的问题和难点,为什么高速切削推广有障碍？,新技术,新观念,新机床,新刀具,新工艺,担心什么？,刀具磨损机床损坏安全问题,高速切削的“软硬件”,高速加工系统化新技术,第八节高速切削及刀具,高性能的高速机床,高速切削刀具,专用高速切削编程软件,高速主轴单元,高速进给单元,高速数控装置,高速机床结构,新刀具材料,新工艺涂层,专业化服务,适合于高速工艺策略,保护刀具的走刀路径,高速加工已经不是难题,电主轴的结构和系统组成,ElectrospindleMotorSpindleMotorizedSpindle电主轴主要采用交流高频电机也称“高频主轴”（HighfrequencySpindle）；,主轴由内装式电机直接驱动；,高转速主轴单元电主轴,加工中心电主轴结构,具有加工中心的功能结构和电机结构,无外壳主轴电机,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；(4)存在由失动量等形成的非线性特性，全闭环时系统稳定性不易保证。,适用于高速机床的新型进给系统,(2)用直线伺服电机实现机床直线运动部件的直接驱动，新型环形伺服电机及伺服系统实现高速机床旋转部件（如转台、摆头等）的直接驱动。由于这两种驱动方案中，电机输出部件直接与机床被驱动部件相联结，电机与机床运动部件间不存在传动链，因此这两种传动方案也称为“零传动”进给驱动。,直线电机进给驱动系统,一、直线电机工作原理,a旋转电机,c直线电机,旋转电机向直线电机的演变示意图,b展开,一台直线电机的外观,初级,次级,直线电机的运行原理与旋转电机基本相同，都基于电磁感应定律和电磁力定律，构造都是利用高效的导磁和导电材料，构成相互发生电磁感应的磁场和电场，输出电磁功率和电磁力（或者力矩）。同步旋转电机的特点是转子的转速与定子产生旋转磁场的转速相等。同步直线电机是将“转子转速”变成了“动子平移速度”，“旋转磁场”变成了沿水平方向移动的“行波磁场”。,直线电机结构,直线电机工作原理：,不同种类的直线电机,短初级直线电机的主要结构形式,a平板式,bU式,c圆筒式,直线电机的分类,直流直线电机的基本结构,交流永磁（同步）直线电机的基本结构,不同种类的直线电机：,高速机床使用的直线电机驱动工作台,直线电机进给驱动的主要优点,速度高直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动，目前其最大进给速度可达80120m/min。加速度大直线电机的启动推力大，结构简单重量轻，运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速，其加速度可高达（210）g。定位精度高直线电机进给系统常用光栅尺作为工作台的位置测量元件，并且采用闭环控制，通过反馈，对工作台的位移精度进行精确的控制，因而刚度高，定位精度高达0.10.01微米。,行程不受限制由于直线电机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级（工作台）就可运动到哪里，对整个系统的刚度不会有任何影响。例如，最近美国CincinnatiMilacron公司为航空工业生产了一台大型高速加工中心，主轴转速60,000r/min，主电机功率80Kw。直线电机，X轴行程长达46m，工作台最高进给速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g。,直线电机进给驱动的主要优点,直线电机的不足,1、控制系统相对复杂。在直接驱动下，所有干扰（如外界载荷的变化、摩擦力等）不经任何缓冲就直接反作用到于控制器，给控制系统的稳定性带来影响，增加了控制难度。2、永磁直线电机的动子和定子存在很强的磁吸引力，装配难度大。3、端部效应（Endeffect）是直线电机特有的现象，主要由电枢的有限长度引起；它不像旋转电机那样形成环形闭合结构，直线电机的两个端部是“断开的”，导致端部磁路发生衰减和畸变，引起推力波动。4、由于直线电机结构的特殊性，要有隔磁、防水、防尘、缓冲防撞等保护措施。作为垂直驱动轴使用时，在突然断电或出现故障的情况下，要有紧急刹车措施，防止动子掉下发生事故，比如采用导轨锁紧装置，反向电流加载保护等措施。,直线电机应用,Kollmorgen公司的直线电机,Anorad的LC型直线电机,Siemens的1FN3（左）、1FN4直线电机,应用直线电机的高速机床,Mazak的HMCF3-660L,HVM-600卧式加工中心,应用直线电机的高速机床,AM3L电火花成形机床,法国UraneSX并联机床,适用于高速机床的新型进给系统,(3)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,第八节高速切削及刀具,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,第八节高速切削及刀具,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。,第八节高速切削及刀具,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。,第八节高速切削及刀具,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。,第八节高速切削及刀具,直角切削时剪切角和前刀面受力简图,高速切削时，假设定为单一剪切面,为前角，为剪切角，,切屑厚度为,带状切屑切削厚度为,第八节高速切削及刀具,为剪切力,切削层材料经过剪切面时，沿着剪切面滑移，以致造成动量的改变需要加一个作用力,当高速切削时（m/min），增加会很大，需要刀具前刀面增加作用力,（合力）,与,合力的方向取决于前角与前刀面摩擦系数，其值大小决定于和,第八节高速切削及刀具,另外要求出切削力，还必须知道剪切角与前刀面摩擦系数（摩擦角）、前角之间的关系,根据能量平衡原理推导的麦钱特剪切角公式,切削开始时，随切削速度增加，摩擦系数增加，剪切角减小，切削力增加。但在高速切削范围内，则随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角增大，切削力降低。,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