超高速加工技术

第3讲高速加工技术本节要点高速加工的概念与特征高速加工的切削速度范围高速加工的切削理论高速切削加工的优点和应用高速切削加工的关键技术高速磨削加工超高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义。概括地说，超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术，其切削速度通常比常规高10倍左右。高速加工技术：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，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。超高速切削（SuperHigh-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≥10000r/min。高速加工的概念与特征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1.高速加工切削速度的范围◎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/min德国切削物理学家CarlSalmon博士1929年进行了超高速模拟实验。2.切削理论的提出切削适应区图1Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃16001200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属图2切削速度变化和切削温度的关系在1931年4月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。即：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。•结论：•在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。•在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。•启示：如果切削速度能超越切削“死谷”，在超高速区内进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。切削力低切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；3.高速加工的特点材料切除率高单位时间内切除率可提高3-5倍；图3加工零件高精度切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小；减少工序工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（Onepassmachining）。A为高速切削加工时的热传导过程B为传统加工的热传导过程图4热传导对比图热变形小温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；应当指出的是，超高速加工的切削速度不仅是一个技术指标，而且是一个经济指标。也就是说，它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度，而且必须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度。没有经济效益的高切削速度是没有工程意义的。目前定位的经济效益指标是：在保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90％，同时将加工费用减少50％，以此来衡量高切削速度的合理性。二、超高速加工技术的现状及发展趋势自20世纪30年代德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到20世纪90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；21世纪初，高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。•在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件。超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。•目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)及聚晶立方氮化硼(PCBN)。切削速度亦随着刀具材料的创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要采用刚玉系、碳化硅系材料，美国GE公司于20世纪50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。•20世纪90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。因此有人认为，随着新刀具(磨具)材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。•在超高速切削技术方面，近年来，高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。•世界许多著名公司的加工中心，如美国的Cincinnati和Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司，其标准主轴转速配置可达8000～10000r/min，可选的20000r/min以下的主轴单元已处于商品化阶段。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000～40000r/min，工作台快速移动速度为36～40m/min。•高速磨削在20世纪60年代初，砂轮磨削速度曾一度达到90m/s，但更多的还是在45～60m/s之间。德国居林公司1983年制造出了当时世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨床，即HEDG磨床，其主轴功率为60kW，砂轮直径为400mm，砂轮转速为10000r/min，vs达到100～180m/s。•Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、铬镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。近年来，我国在高速、超高速加工的各关键领域(如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面)也进行了较多的研究并有相应的研究成果。50m/s高速磨削研究起始于1958年，近20年来其发展十分缓慢。实验室超高速磨削速度曾达到250m/s，但离产业化还有一段距离。目前工业应用的磨削速度未能超过100m/s。显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差距很大。图5HSM600U型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士Mikron主轴转速：最高42000rpm主轴功率：13KW进给速度：最高40m/min定位精度：0.008mm重复定位精度：0.005mm高速加工技术的发展与应用图6HSM系列高速五轴联动小型立式加工中心图9HSM400加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件图7HSM800图8HSM600高速切削加工应用（1）航空航天领域。大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。图10波音公司的F15战斗机的起动减速板铝合金整体零件：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较长的刀具悬伸图11高速铣削典型工件（2）汽车制造。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）图12汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）（3）模具制造。图13采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修b）高速模具加工的过程图14两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造生产剃须刀的石墨电极生产球形柄用的铜电极图15高速切削加工电火花加工用工具电极（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。（5）超精密微细切削加工领域。粗铣整体铝板；•精铣去口；•钻680个直径为3mm的小孔。时间为32min。图16高速切削加工医用药盒高速切削加工的关键技术1.超高速切削的刀具技术1)超高速切削的刀具材料(1)涂层刀具材料涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800℃。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。(2)金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC＋Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC＋TaC＋WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN＋NbC)等。金属陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。(3)陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁等。(4)PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有较高的抗弯强度和韧性。PCD材料还具有高导热性和低摩擦系数。另外，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一，因此得以广泛应用。PCD刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属，与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋利刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质合金刀具10～500倍。•(5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，它的突出优点是热稳定性(140℃)好，化学惰性大，在1200～1300℃下也不发生化学反应。CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件，是超高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。工件材料最佳前角数值最佳后角数值铝合金12°~15°13°~15°铜材0°~5°12°~16°铸铁0°12°铜合金8°16°纤维强化复合材料20°15°~20°刀具角度选择：表1超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值1）高速主轴高速化指标：dmn值，至少达到1×106电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气体静压轴承、液体静压轴承。•2.超高速切削机床陶瓷球轴承图17陶瓷轴承高速主轴密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口陶瓷轴承高速主轴结构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18磁浮轴承高速主轴磁浮轴承主轴结构放大器电磁铁（定子）传感器转子图19磁悬浮轴承工作原理控制器2.快速进给系统伺