高速加工技术培训课件

高速切削加工技术HighSpeedMachiningTechnology工程技术训练中心1一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要概要目录2高速加工技术：高速加工包括高速切削和高速磨削。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，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。高速切削（High-speedCutting）：采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。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≥8000~10000r/min。31.高速加工的概念与特征在切削速度达到一个临界值之后的一个范围内，切削速度增加，则切削温度下降。4高速加工切削速度刀具寿命切削力图4.8-1所罗门（Salomon）曲线1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达1500~4500m/min）德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念

日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已成为世界上超高速机床的主要提供者高速加工的产生和发展5

高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异◎车削(Turing)：700-7000m/min◎铣削(Milling)：300-6000m/min◎钻削(Drilling)：200-1100m/min◎磨削(Grinding)：50-300m/s

◎

镗削（Boring）：35-75m/min

高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同◎铝合金(AluminumAlloy)：1000-7000m/min◎铜(Cu)：900-5000m/min◎钢(Steel)：500-2000m/min◎灰铸铁(Graycastiron)：800-3000m/min◎钛(Ti)：100-1000m/min62.高速加工切削速度的范围7

高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1）高速与超高速切削速度范围

10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金

由于刀具、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。

ISO1940规定主轴转速大于8000r/min的加工形式为高速切削。现阶段一般把主轴转速在10000r/min以上的加工形式视为高速切削。8高速切削的主轴临界转速

事实上，HSM不是简单意义上的高切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。93.HSM意义一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要10概要目录111.高速加工的特点

切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。工件受力变形小，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，可提高加工精度

动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度

可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工

环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染

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倍高效率高质量低消耗高精度12高速加工的特点主轴转速高，进给速度快，单位时间内的材料去除量反而增加了。因此，加工效率也相应提高了。高速切削条件下，虽然切削深度和厚度小，但由于13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40~60米/分,更快的可达80~100米/分去除率增加

以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。14高效率

对于同样的切削层参数，由于高速带来突变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。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。15高精度

一方面，高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率远远高于切削工艺系统的高阶固有频率。

另一方面，由于传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小。加工表面质量显著提高。16高质量

高速加工机床振动小、噪声低、少用或不用切削液，也符合环保要求。

高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而机床的主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。

17低消耗182.高速加工的应用不同材料的高速加工

铝、铜合金的高速切削加工

铝、铜合金的强度和硬度相对较低，导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获得好的加工表面质量。切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合金、金刚石镀层硬质合金以及PCD等。192.高速加工的应用表2PCD刀具切削铝、铜合金实例加工对象加工方式工艺参数刀具参数加工效果车辆汽缸体AiSi17Cu4Mg合金精铣v=800m/mimvz=0.08mm/齿ap=0.5mm12mm方形刀片齿数z=12α＝12°Ra=0.8μm，可连续加工500件（使用WC基硬质合金只能加工25件）照相机机身13％硅铝合金精铣v=2900m/mimvz=0.018mm/齿ap=0.5mm齿数z=4γ＝10°α＝12°Ra=0.8～0.4μm，可连续加工20000件（使用WC基硬质合金只能加工250件）活塞环槽LM24铝合金车削v=590m/mimf=0.2mm/rap=10mmγ＝10°α＝12°α’＝2°可连续加工2500件，无颤振活塞式阀门LM24铝合金钻孔v=132m/mimvf=380mm/min麻花钻可连续加工5000件，取代硬质合金钻头定中心、钻孔、铰孔整流子CDA105铜合金精车v=350m/mimf=0.05mm/rap=0.25mm,干切γ＝0°α＝7°r＝0.5mm可连续加工2500件（使用WC基硬质合金只能加工50件）油泵喷射内孔GdAlSi12Cu硅铝合金精镗v=173m/mimf=0.02mm/rap=0.2mm阶梯镗刀Ra=0.35μm，每把刀可加工150000件202.高速加工应用

铸铁与钢高速切削加工

不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。表3PCBN刀具高速切削钢和铸铁实例以铣代磨，工效提高5～6倍v=850m/mim立铣HRC3840Cr钢Ra=0.8μm，平面度0.02μmv=1200m/mim端铣Cr、Cu铸铁连续加工2600件，Ra=0.8μmv=460m/mimf=0.24mm/rap=0.3mm,干切精镗HB210汽缸套孔珠光体铸铁以铣代磨，工效提高6～7倍，Ra=1.6～0.8μm，平面度0.02μmv=800m/mimvf=100mm/min端铣A3热压板以车代磨，工效提高4～5倍，Ra=0.8～0.4μmv=180m/mimf=5.6mm/rap=1.5mm车削HRC71轧辊Cr15钢加工效果工艺参数加工方式硬度加工对象21

难加工材料的高速切削加工

钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等，采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果表4PCBN刀具在高速切削中的应用实例行程达13000m，Ra=1.6～0.8μmv=110m/minf=0.08mm/rap=0.3mm镗孔HRC50柴油机机体主轴承孔（表面热喷涂镍基合金）Ra=1.6～0.8μmv=200m/mimvf=50mm/mimap=0.5mm铣削HV330钛合金Ti6Al4V工效较电火花加工提高30倍，Ra=0.8～0.4μmv=50m/mimf=0.1mm/rap=0.1mm镗孔HRA87冷挤压模YG15加工效果工艺参数加工方式硬度加工对象

软材料的高速切削加工

如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的22高速加工应用领域

航空航天

大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。

镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000m/min（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。

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。23

航空航天高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）增压器叶轮实物24高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）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；2526

汽车工业

采用高速NC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专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）汽车车门外覆盖件模具的高速加工高速加工与传统数控加工的时间比较：传统加工：50H.，钳工修复：90H.，总计；140H.HSM：16.5H.，手工修复：15H.，总计：31.5H.模具尺寸：1400x1200x600mm模具重量：2500kg毛坯材料：GGG30(相当于HT300)材料硬度：HB24027

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μ级精度及接近镜面的表面质量2829

模具制造

采用高速铣削代替传统电火花成形加工，效率提高3-5倍1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造传统模具加工的过程高速模具加工的过程1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修两种模具加工过程比较照相机按纽勺子反射镜30高速加工的塑料模具连杆钳子31高速加工锻造模具加工场景模具材料从铸铁到铸钢、铸铝和合金铸钢，塑料的轮胎型芯,用传统方法(手工)需十几道工序,时间20d以上采用超高速铣削,转速18000rpm,ap=2mm,vf=10m/min,时间24h32高速加工的橡胶轮胎模压铸模吸塑模33高速加工的其他模具高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有企业都能承受高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工艺，特别是对模具工业而言,大规模设备更新的时代即将到来高速加工与电火花加工的比较34石墨电极薄壁铜电极高速加工的应用—电极加工35一、高速切削技术的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术四、高速切削机理五、高速切削技术的现状以及发展趋势概要36概要目录高速切削技术切削机理加工工艺切削刀具高速机床加工工件监控与测试表面完整性加工寿命切削热切削力切屑机理CAD/CAMNC编程加工参数工艺优化数据库刀具材料刀体结构刀刃形状刀柄结构动平衡温控系统换刀装置基本结构冷却系统CNC控制高速主轴装卸稳定性进给机构安全防护工件材料加工特征定位加紧高速切削加工系统3738高速加工关键技术实时监控与安全保障系统

图3高速加工技术体系及关键技术高速加工体系结构及关键技术高速加工刀具工件高速加工工艺工件材料定位夹紧动平衡高速加工机床机床整体结构机床主轴系统机床进给系统冷却系统安全防护装置数控系统实时监控系统切削力切削热切屑形态切削振动切削方式路径规划加工参数选取工序、工步优化设计刀具材料与结构设计刀具使用寿命磨损、破损机理与在线检测动平衡刀具刃磨与修整高速切削与磨削机理机床？装备刀具？

材料？

结构？

参数？

磨损？

主轴？

轴承？

进给系统？

驱动系统？

实时监控系统？

39装备系统40制造厂家（国别）机床名称/型号主轴最高转速/(r/min)最大进给速度/(m/min)主轴驱动动率／kWCincinnatiMilacron（美）HyperMach五轴加工中心6000060~10080Ingersoll（美）HVM800卧式加工中心2000076.245Mikron（瑞士）VCP710立式加工中心420003014EX-cell-o（德）XHC241卧式加工中心2400012040Roders（德）RFM1000立式加工中心420003030Mazak（日）SMM-2500UHS立式加工中心500005045Nigata（日）VX40加工中心500002018.5Makino（日）A55-A128立式加工中心400005022表1高速加工中心

1.世界各国高速加工机床技术41Modern2412立式加工中心（美国）美国机床42DMU60T5轴高速加工中心（德国）德国机床43

东芝高速立式加工中心（日本）

日本机床噪音小启停性能良好足够的刚性和回转精度先进的润滑冷却系统可靠的主轴检测系统大功率结构紧凑总质量小热稳定性良好主轴系统(1)主轴系统44高速切削对主轴系统的要求：

为了提高机床的主轴静态和动态精度，必须减少各主轴部件的制造误差及装备误差，更重要的是，应尽可能减少主轴系统中的误差源，尽可能缩短主轴传动链的长度。借助电气传动技术，主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式——“电主轴”应运而生。由于主要采用交流高频电动机，故又称“高频主轴”。45电主轴的由来

电动机定子通过冷却套固装在电主轴壳体中，其转子就是机床的主轴，电主轴箱体就是电动机座。

主轴转速通过电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有出盘和测速、测角传感器，主轴前端外伸部分的内锥孔和端面用于安装和固定加工中心可换刀柄。46电主轴工作原理：47高速主轴电动机的冷却系统结构示意图

在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品。国际上著名的电主轴生产厂家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和STEP-UP公司，德国的GMN公司和FAG公司，美国的PRECISE公司，意大利的GAMFIOR公司和FORMAT公司，日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司。中国：洛阳轴承研究所、广州机床研究所。48各国的电主轴公司49适合小孔钻削常见的电主轴单元陶瓷轴承磁悬浮轴承50(2)高速主轴常用轴承

陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（440、440C）及不锈钢。51陶瓷轴承52

陶瓷轴承高速主轴结构冷却水出口图18

陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水入口53

陶瓷轴承高速主轴

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

采用电动主轴（电机与主轴作成一体）；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。

与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：◎陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力◎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

磁悬浮轴承（MagneticBearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染。54磁悬浮轴承55磁悬浮轴承电主轴56

电磁铁绕组通过电流，对转子产生吸力，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图19）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，并将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功率放大器变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。

磁浮轴承高速主轴放大器控制器电磁铁（定子）传感器转子图19磁悬浮轴承工作原理

位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。57前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图20磁浮轴承高速主轴

磁浮轴承主轴结构58

磁浮轴承主轴特点

主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，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。59

液体（气体）静压轴承

回转精度高液体静压轴承回转误差在0.2μm以下，空气静压轴承回转误差在0.05μm以下；功率损失小；转速特征值：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。空气静压轴承承载能力较小。静压轴承瑞士IBGA公司的水介质静压电主轴60高速电主轴静压轴系统

转速特征值

(=轴径(km)×转(r/min))回转精度/μm轴承材料特点应用滚珠轴承高速主轴

0.5-1

0.5陶瓷珠,如Si3N4

成本低,结构简单,转速和回转精度受限制各种高速加工机床和加工中心等液体静压轴承高速主轴>1

<0.2轴承钢成本高,结构复杂,刚性较好,转速和回转精度高高速磨削、铣削等加工等空气静压轴承高速主轴

>30.05

轴承钢,多孔石墨成本很高,刚性较差,转速和回转精度很高精密磨削，铣削、雕刻、微小孔钻削及抛光等

磁浮轴承高速主轴

4

0.2合金钢成本很高,结构复杂,刚性好,转速和回转精度高

加工中心61各种精密高速电主轴的特点1.向高速大功率和低速大转矩方向发展2.向高精度、高刚度方向发展3.向精确定向（准停）方向发展4.向快速起、停方向发展5.向超高速方向发展6.向标准化方向发展62高速电主轴的发展趋势高速度（60~120m/min）1

高加速度（普通机床1~2g，最高可达2~10g）2高静态、动态精度3高安全性4低成本563(3)高速进给系统64

要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等等。对高速机床进给驱动系统的要求

滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，长采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛，但其在高速场合下具有下列缺点：●系统刚度低，动态特性差。●高速下热变形严重。●噪声大，寿命低，不易检验维修。1)滚珠丝杠65传统滚珠丝杠副缺点：●提高系统刚度。丝杠采用中空结构，并进行预拉伸处理；底稿丝杠的支撑刚度；优化滚珠滚道接触状态；提高系统的接触刚度。●增大丝杠螺母的导程和螺纹头数，提高运动精度。●强制冷却，减小热变形。可将循环冷却液通入其内部。●采用新型螺母结构。例如减小滚珠直径，钢珠中空。●采用新材料制造滚珠。例如陶瓷。●对螺母预紧力进行控制。可以使用压电陶瓷。●采用螺母旋转丝杠不动的运动方案。●采用双电动机驱动结构。使其分别驱动丝杠和螺母。66针对滚珠丝杠副传动的优化措施：▲高速滚珠丝杠螺母副制造困难，成本较高。▲速度和加速度的提高有较大限制。▲进给行程有限（4~2m）。▲全闭环时系统稳定性较差。

与传统的滚珠丝杠副结构相比，直线电动机高速进给系统有诸多优点。67滚珠丝杠副传动不能克服的问题：

直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置，是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。它代替了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统其最大的特点是从电动机到工作台之间的一切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使工作台的加/减速提高到传统机床的10~20倍，速度提高3~4倍。682)直线伺服电动机定子初级转子次级旋转磁场平磁场69直线伺服电动机工作原理：

直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。通电绕组初级永磁铁次级70同步式

感应式与同步式最大的区别是在定件上用不同点的绕组取代同步式的永磁铁，且每个绕组中的每一匝都是短路的。通电后在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力推动工作台做