清华先进制造技术专题-高速切削技术课件

先进制造技术专题

高速切削技术清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所冯平法先进制造技术专题

高速切削技术

切削技术的新发展

高速切削的定义高速切削的特征和应用领域面向高速切削的切削刀具面向高速切削的制造装备面向高速切削的夹紧技术高速切削的安全防护先进制造技术专题

高速切削技术提高加工质量降低加工成本提高生产率切削加工提高柔性提高切削速度提高精度扩大加工材料范围减少消耗柔性制造系统高速切削精密与超精密加工硬材料切削干切削与微切削目标手段切削技术的新发展先进制造技术专题

高速切削技术切削技术的新发展高速切削干切削硬切削

边界条件机床与装备＋机床新概念＋驱动系统＋控制系统＋夹紧系统刀具＋刀具材料＋刀具涂层＋标准化与多功能化刀具先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的定义

高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的5～10倍。高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。HSC

＝ High-Speed-CuttingHSM

＝ High-Speed-MachiningHSM

＝ High-Speed-Milling

HSD ＝ High-Speed-DrillingHST ＝ High-Speed-TurningHSTM

＝ High-Speed-Turn-Milling先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的定义高速范围与加工材料密切相关来源：PTW先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的定义高速范围与加工方法密切相关车削：700～7000

m/min；铣削：300～6000

m/min；钻削：200～1100

m/min；磨削：150m/s以上。例如：在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削，而400m/min就定义为高速钻削。先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的定义20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon

提出高速加工的理论先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的定义20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的特征来源：PTW先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的特征工件材料：X100CrMoV51(2363)

，60HRC

刀具：球头刀：d=6mm

刀刃数：2（CBN时1）刀具材料：

HM：硬质合金，TiN

涂层

CBN：立方氮化錋

Cermet：金属陶瓷（切削速度）（刀具寿命）切削速度对刀具寿命的影响来源：PTW先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的特征提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间（常规铣削）（高速铣削）后续工作精加工半精加工粗加工加工准备设计来源：BMW先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的特征提高加工表面质量行距行距实际轮廓要求轮廓加工余量行距来源：PTW先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的特征降低切削力（切削速度）（主切削力）（用PCD刀具材料车削铝合金）来源：PTW先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的特征减少传递给工件的热量

切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力剪切角增大切削热大部分由切屑快速带走避免积屑瘤的产生工件后刀面刀具前刀面接触区高速切削的剪切角常规切削的剪切角先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的优点

高单位时间切除率，降低加工成本

高加工表面质量，提高加工精度

低切削力，降低加工系统力变形

高激励频率，避免自激振荡

切削热由切屑带走，减少工件热变形

减少后续工序，降低加工成本先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的应用领域

航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。

汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机加工，柔性差）

难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金）

纤维增强复合材料加工

精密零件加工薄壁易变形零件的加工先进制造技术专题

高速切削技术高速切削的应用领域例1：高精度铝质模具型腔加工：在传统铣削加工中，由于铝熔点低，铝屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达到精度要求，在制时间达60小时。高速铣削分粗、精两道工序：n精＝20000r/min，ap=0.2mm，vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。例2：塑料的轮胎型芯加工：用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。采用高速铣削，n＝18000r/min，ap=2mm，vf=10m/min，在制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。先进制造技术专题

高速切削技术实现高速切削的关键技术

高速切削机理及工艺高性能刀具材料及刀具设计制造技术高性能机床及其附件†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CNC系统†高性能刀具及工件夹紧系统†高效高精度测量测试技术†安全防护技术先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削刀具适用于高速切削的刀具材料：涂层硬质合金、金属陶瓷、刀具陶瓷、CBN及PCD先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削刀具特点：“三高一专”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化在基体上焊接刀片（材料CBN，PCD）的HSC刀具以高强度铝合金做基体的HSC端面铣刀带内部冷却的钻头先进制造技术专题

高速切削技术高速切削刀具装卡系统

最小的动不平衡量最小的径向偏差高刚性传递高扭矩高精度换刀时的高重复精度高转速下的安全性要求方案用空心短锥柄（HSK系列）取代快换锥柄（SK系列） ＋通过主轴端面进行轴向定位 ＋主轴和空心锥柄的胀塞配合HSK先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床对高速切削机床要求

床身等固定部件的高刚度和高抗振性主轴的高转速和高加速度进给系统的高进给速度和高加速度主轴轴承的高刚度和高抗振性优化的切屑下落及运送系统可靠的安全防护系统先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床设计特征高速电机主轴直线电机（Z轴）混凝土聚合物床身框架焊接结构横梁焊接结构XY工作台直线电机驱动先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速电机主轴

驱动电机与主轴的一体化转速至80.000r/min，用于小直径刀具的高速切削

大转速范围内的高扭矩输出首选球轴承、液压轴承、气压轴承或磁轴承先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床对进给系统的要求主轴转速n进给速度vf

高进给速度：>20m/min

高进给加速度：>0.5g先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床直线进给电机位置测量系统机床滑台初级线圈次级线圈导轨技术指标：vf>75m/mina=1-7g先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床HALLERHILLESpecht500L高速铣床（EMO1997）

焊接的钢机架直线电机进给驱动

Z滑台：钢－CFK三明治体箱中箱结构

全封闭结构刀卡：HSK63

最大进给：100m/min

主轴转速：24.000r/min

加速度：20m/s2先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床用于航空航天业的ACM高速加工中心（METAV1998）

5轴联动高速切削切削轻金属和钛合金水平装卡垂直加工，便于排屑先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床用于模具制造的DROOP&REIN加工中心

框架结构加工板材冲压模具单件小批量生产主轴转速：15.000r/min

难加工材料加工先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床用于模具制造的MIKROMAT高速铣床

高抗热矿物铸铁（Mineralguss）床身模块化构造高速电机主轴：60.000r/min

进给速度24m/min

刀卡：HSK63先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速铣削典型工件铝合金整体零件：

整体零件“掏空”，切除量大零件有薄壁，要求小切削力小直径刀具较长的刀具悬伸先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速铣削性能测试标准零件先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速车床（PTWDarmstadt）

聚合混凝土斜床身宽调速交流电机直接带动主轴滚动轴承，气体冷却主轴的大内孔，降低转动惯量

单独支承的尾架

最高转速：16.000r/min先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速车铣床平行轴垂直轴工件驱动刀具驱动运动轴工件驱动刀具驱动运动轴

车床和铣床的组合一个主运动，两个进给运动回转体零件的硬切削先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速机床新概念：并联机构优点：高刚度（每根杆只受拉力和压力，无弯曲载荷）设计制造简单运动部件质量小，适用于高速切削缺点：工作范围受限制（+/-15度）控制复杂测量系统复杂先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速机床新概念：并联机床INGERSOLL公司清华大学先进制造技术专题

高速切削技术面向高速切削的切削机床高速机床新概念：绳拉并联机床先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术普通手动卡盘先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术液压卡盘先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术爪式卡盘用于高速切削存在的问题先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术面向高速精密车削的卡盘弹簧卡盘薄膜卡盘多摩擦片卡盘塑变卡盘＋夹紧精度高＋允许转速高＋柔性差，可夹紧直径范围小先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术面向高速车削的新型爪式卡盘

轻型卡爪：铝合金，炭纤维加强复合材料（CFK）

带离心力补偿的卡盘CFK绷带式卡盘

夹紧力的在线监测与控制先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术爪式卡盘用于高速车削先进制造技术专题

高速切削技术面向高速车削的工件夹紧技术面向高速车