高速铣削加工工艺培训教程(1)

高速铣削加工工艺培训教程2004年3月目录一、高速切削技术概述……………………………………………………………...11．高速切削的基本概念……………………………………………………………………12．高速铣削的特点…………………………………………………………………………23．高速切削的关键技术……………………………………………………………………4二、高速切削机床………………………………………………………………….91.高速切削机床的基本结构………………………………………………………………92.高速主轴…………………………………………………………………………………93.高速进给机构…………………………………………………………………………..104.高速CNC控制系统……………………………………………………………………105.高速切削机床的安全防护与实时监控系统…………………………………………..106.选购高速切削机床的方法……………………………………………………………..11三、高速切削刀具…………………………………………………………………171．刀具材料…………………………………………………………………………….….172．刀具结构………………………………………………………………………………..183．刀杆结构………………………………………………………………………………..194．刀具动平衡……………………………………………………………………………..21四、高速数控编程…………………………………………………………………221.高速数控编程的特点…………………………………………………………………..222.粗加工编程……………………………………………………………………………..253.精加工编程……………………………………………………………………………..27五、高速铣削工艺…………………………………………………………………321.刀具选择………………………………………………………………………………..322.切削参数选择……………………………………………………….………………….333.加工实例………………………………………………………………………………..45高速铣削加工工艺培训教程1一高速切削技术概述1．高速切削的基本概念高速切削（HSM或HSC）是二十世纪九十年代迅速走向实际应用的先进加工技术，通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，国际上在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。高速铣削可用于铝合金、铜等易切削金属和淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面和结构复杂，材料去除量达高达90%～95%，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度(约为常规速度的5～10倍)加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。六十多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，到二十世纪九十年代逐渐在工业实际中推广应用。由于每种材料高速切削的速度范围不同，高速切削目前尚无统一的定义，高的实际切削线速度是基本条件，但还有其它一些要素。在工程实践中，高速切削的含义还包括：z除高切削速度外，高速切削还涉及非常特别的加工工艺和生产设备z适中的主轴转速和大的铣刀直径也可实现高速切削z以常规切削用量4～6倍的切削速度和进给速度精加工淬火钢也属于高速切削小型零件的粗加工到精加工以及其它零件的精加工、高速切削均属于高生产率加工方法，对于形状复杂和精度要求高的零件，高速切削更为重要。图1.1为几种材料高速切削的速度范围。10100100010000纤维增强塑料铝铜铸铁镍基合金钛钢切削速度Vm/min高速区过渡区图1.1几种材料高速切削速度范围高速铣削加工工艺培训教程2高速切削的发展源于市场日益激烈的竞争，对时间和成本效率的要求越来越高。同时也提供了解决问题的新方案，包括解决新材料的加工问题；越来越高的加工质量要求和越来越复杂的三维曲面形状；减少装夹次数和搬运时间，减少和免除费时费钱的电火化加工；适应越来越快的设计开发速度；解决薄壁零件和精密零件的加工问题等等。高速切削是一项系统技术，从刀具材料、刀柄、机床、控制系统、加工工艺技术、CAD/CAM等，均与常规加工有很大区别。2.高速铣削的特点2．1高速铣削的一般特征高速铣削一般采用高的铣削速度，适当的进给量，小的径向和轴向铣削深度，铣削时，大量的铣削热被切屑带走，因此，工件的表面温度较低。随着铣削速度的提高，铣削力略有下降，表面质量提高，加工生产率随之增加。但在高速加工范围内，随铣削速度的提高会加剧刀具的磨损。由于主轴转速很高，切削液难以注入加工区，通常采用油雾冷却或水雾冷却方法。图2.1.1所示为铣削速度对加工性能的影响。图2.1.1高速铣削的特点2．2高速铣削的优点由于高速铣削的特性，高速铣削工艺相对常规加工具有以下一些优点：1．提高生产率铣削速度和进给速度的提高，可提高材料去除率。同时，高速铣削可加工淬硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面加工也可直接达到零件表面质量要求，因此，高速铣削工艺往往可省却电加工、手工打磨等工序，缩短工艺路线，进而大大提高加工生产率。2．改善工件的加工精度和表面质量高速铣床必须具备高刚性和高精度等性能，同时由于铣削力低，工件热变形减少，高速铣削的加工精度很高。铣削深度较小，而进给较快，加工表面粗糙度很小，铣削铝合金时可达Ra0.4～0.6,铣削钢件时可达Ra0.2～0.4。切削去除量表面质量切削力刀具寿命切削速度高速铣削加工工艺培训教程33．实现整体结构零件加工高速切削可使飞机大量采用整体结构零件，明显减轻部件重量，提高零件可靠性、减少装配工时。4．有利于使用直径较小的刀具高速铣削较小的铣削力适合使用小直径的刀具，可减少刀具规格，降低刀具费用。5．有利于加工薄壁零件和高强度、高硬度脆性材料高速铣削铣削力小，有较高的稳定性，可高质量地加工出薄壁零件，采用高速铣削可加工出壁厚0.2mm,壁高20mm的薄壁零件。高强度和高硬度材料的加工也是高速铣削的一大特点，目前，高速铣削已可加工硬度达HRC60的零件，因此，高速铣削允许在热处理以后再进行切削加工，使模具制造工艺大大简化。6．可部分替代其他某些工艺，如电加工、磨削加工等由于加工质量高，可进行硬切削，在许多模具加工中，高速铣削可替代电加工和磨削加工。7．经济效益显著提高由于上述种种优点，综合效率提高、质量提高、工序简化、机床投资和刀具投资以及维护费用增加等，高速铣削工艺的综合经济效益仍有显著提高。2．3高速铣削的问题高速铣削是一项新技术，尚存在许多不足值得改进，包括：1．高速铣削机床较昂贵，对刀具的切削性能、精度和动平衡等要求较高，固定资产投资较大，刀具费用也会提高；2．加减速度时，加速度较大，主轴的启动和停止加剧了导轨、滚珠丝杆和主轴轴承磨损，引起维修费用的增加；3．需要特别的工艺知识，专门的编程设备，快速数据传输接口；4．缺乏高级的操作人员；5．调试周期较长；6．紧急停止实际上不可能实现！人工错误、硬件或软件错误都会导致严重的后果；7．安全要求很高：机床必须使用具有防弹功能的防护板和防弹玻璃；必须控制刀具伸出量；不要使用“重的”刀具和刀杆。要定期检查刀具、刀杆和螺钉的疲劳裂缝。选择刀具时必须注意许用的昀大主轴转速，不使用整体高速钢刀具。2．4高速铣削的应用高速铣削具有很多优点，应用越来越广泛，但也存在一些不足，因此，必须选择适合高速铣削的领域应用该技术。表2.4.1列出了高速铣削一些应用范围。高速铣削在许多领域取得了成功的应用，如：飞机的蜂窝结构件必须采用高速铣削技术才能保证加工质量、梁、框、壁板等零件加工余量特别大，高速铣削可提高生产率，发动机的叶片采用高速铣削可解决材料难加工问题，等等；绝大部分模具均可利用高速铣削技术加工，如锻模、压铸模、注塑与吹塑模等，锻模腔体较浅，刀具寿命较长；压铸模尺寸适中，高速铣削加工工艺培训教程4生产率较高，注塑与吹塑模一般尺寸较小，比较经济。加工模具的石墨电极和铜电极也非常适用高速铣削；高速铣削也适用于模具的快速原型制造；电子产品中的薄壁结构加工尤其需要高速加工。汽车发动机零件也是高速铣削的应用领域。此外，高速铣削也可用于原型制造。表2.4.1高速铣削应用范围技术优点应用领域事例高去除率轻合金，钢和铸铁航空航天产品，工具、模具制造高表面质量精密加工，特殊工件光学零件，精细零件，旋转压缩机小切削力薄壁件航空航天工业，汽车工业，家用设备高激振频率避开共振频率加工精密机械和光学工业切屑散热热敏感工件精密机械，镁合金加工3．高速铣削的关键技术高速切削是制造技术中引人注目的一项新技术，其应用面广，对制造业的影响大。高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展的结果。高速切削主要包括以下几方面的基础理论与关键技术：1)高速切削机理；2)高速切削刀具技术；3)高速切削机床技术；4)高速切削工艺技术；5)高速加工的测试技术等。德国Darmstadt工业大学生产工程和机床研究所的舒尔兹教授(H．Schulz)对高速切削技术进行了多年的深入研究，他对高速切削所包含的技术提出了下面的框图（图3.1）。图3.1高速切削所包括的技术框图高速铣削加工工艺培训教程53．1高速切削机理的研究高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。试想，如果没有萨洛蒙高速切削假设、没有德国、美国和日本等国的科学家、工程师不断的研究，去证实萨洛蒙的理论，去完善和修改高速切削理论，也不会有今天高速切削的快速发展和广泛应用。因此，在高速切削技术的发展中，高速切削机理的研究仍然占有重要的地位，而且高速切削机理和相关理论至今还远远没有完善，高速切削数据库尚未真正建立起来。我国高速切削机理研究工作，和美国、德国、日本等先进工业国家比还有相当大的差距。基础理论的落后也极大地制约了高速切削技术在我国的发展和应用。高速切削机理的研究主要有以下几个方面：(1)高速切削过程和切屑成形机理的研究对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究，采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。(2)高速加工基本规律的研究对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加工参数对这些现象的影响规律进行研究，提出反映其内在联系的数学模型。实验方案设计和试验数据处理也是研究工作中需要解决的问题。工艺参数应基于建立的数学模型及多目标优化的结果。(3)各种材料的高速切削机理研究由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性，所以，要研究各种工程材料在高速切削下的切削机理，包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验研究和分析，建立高速切削数据库，以便指导生产。(4)高速切削虚拟技术研究在试验研究的基础上，利用虚拟现实和仿真技术，虚拟高速加工过程中刀具和工件相对运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真，显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等，预测被加工工件的加工质量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响等。应该指出．虚拟现实技术是基于计算机技术和信息技术的发展而产生的一种信息处理技术。采用虚拟技术对高速切削的理论进行研究具有节约资源、加快研究进度的优越性，特别是对于一些试验条件不具备或试验很难做、且耗资耗力巨大的试验，用虚拟技术进行分析研究，虚拟仿真试验情况，是非常有价值的。但是虚拟仿真必须有试验数据作