先进制造工艺技术先进制造工艺技术超高速加工技术超高速加工技术邢台职业技术学院机电系邢台职业技术学院机电系8/21/20241概述概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术超高速加工技术超高速加工技术8/21/20242超高速加工技术的历史背景超高速加工技术的历史背景2020世纪世纪5050年代，美国麻省理工学院发明的数控技术被称为年代，美国麻省理工学院发明的数控技术被称为现代制造技术的开端现代制造技术的开端8080年代年代 ，工业发达国家数控化率已高达，工业发达国家数控化率已高达70708080。随着。随着数控机床、加工中心和柔性制造系统的应用，使机械加工数控机床、加工中心和柔性制造系统的应用，使机械加工的的辅助工时辅助工时大大缩短。在这种情况下，辅助工时在生产过大大缩短。在这种情况下，辅助工时在生产过程中占的比重已经较小，所以不能通过一味的减小辅助工程中占的比重已经较小，所以不能通过一味的减小辅助工时来提高生产率。而时来提高生产率。而切削工时切削工时占了总工时的主要部分，成占了总工时的主要部分，成为主要矛盾，只有大幅减少切削工时，提高切削速度和进为主要矛盾，只有大幅减少切削工时，提高切削速度和进给速度等，才能大幅提高生产率。给速度等，才能大幅提高生产率。概述概述8/21/20243超高速加工技术的历史背景超高速加工技术的历史背景图图 不同年代切削加工的制造时间及费用的变化图不同年代切削加工的制造时间及费用的变化图概述概述8/21/20244超高速加工技术的历史背景超高速加工技术的历史背景19951995年，米兰国际机床博览会以来，高速化是每次国际性年，米兰国际机床博览会以来，高速化是每次国际性机床博览会一个突出的主题。超高速加工已经成为机床博览会一个突出的主题。超高速加工已经成为2020世纪世纪末国际机械制造业最热门的话题。末国际机械制造业最热门的话题。数控技术是现代制造技术的第一个里程碑，那么超高速加数控技术是现代制造技术的第一个里程碑，那么超高速加工技术就是第二个工技术就是第二个高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自动化高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自动化加工成了当今四大先进加工技术加工成了当今四大先进加工技术概述概述8/21/20245超高速加工技术的超高速加工技术的内涵内涵和范围和范围超高速加工技术是指采用超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具超硬材料刀具磨具和能可靠地实和能可靠地实现高速运动的现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以，以极大地极大地提高切削速度提高切削速度来达到提高切除率、加工精度和加工来达到提高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。质量的现代制造加工技术。概述概述8/21/20246内涵 高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高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 51010倍。倍。 高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。关。HSCHSCHigh-Speed-CuttingHigh-Speed-CuttingHSMHSMHigh-Speed-Machining High-Speed-Machining 概述概述8/21/20247范围高速范围与加工材料密切相关高速范围与加工材料密切相关来源：PTW概述概述8/21/20248范围高速范围与加工方法密切相关高速范围与加工方法密切相关车削：7007000m/min；铣削：3006000m/min；钻削：2001100m/min；磨削：150m/s以上。 例如：在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削高速车削，而400m/min就定义为高速钻削高速钻削。概述概述8/21/20249目前定位的超高速切削的指标：目前定位的超高速切削的指标：保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工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的加工时间减少9090，同时将加工费用减少同时将加工费用减少5050概述概述8/21/202410超高速加工技术的发展现状超高速加工技术的发展现状切削切削19761976年美国首次推出有级超高速铣床，最高转速达年美国首次推出有级超高速铣床，最高转速达20000r/min20000r/min，功率，功率15kw15kw。此后，法国、德国也开始了超高。此后，法国、德国也开始了超高速加工技术的研究。速加工技术的研究。2020世纪世纪8080年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现。出现。目前，日本在超高速机床的研究和开发领域已跃居世界领目前，日本在超高速机床的研究和开发领域已跃居世界领先地位，法国、瑞士、英国、意大利、澳大利亚等国也做先地位，法国、瑞士、英国、意大利、澳大利亚等国也做了大量的工作。了大量的工作。超高速加工技术的发展现状和趋势超高速加工技术的发展现状和趋势8/21/202411超高速加工技术的发展现状超高速加工技术的发展现状切削切削我国在超高速加工的关键领域也做了一定的研究，但与国我国在超高速加工的关键领域也做了一定的研究，但与国外相比，有较大的差距。外相比，有较大的差距。主轴转速在主轴转速在20000r20000r以下，快速进给速度在以下，快速进给速度在30m30m以下；而国以下；而国外，采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度达到外，采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度达到404060m60m，采用直线电机的进给系统中，采用直线电机的进给系统中 ，快速进给可达，快速进给可达160m160m。超高速加工技术的发展现状和趋势超高速加工技术的发展现状和趋势8/21/202412超高速加工技术的发展现状超高速加工技术的发展现状磨削磨削超高速磨削的研究开始是在超高速磨削的研究开始是在5050、6060年代，在年代，在8080年代兴起。年代兴起。在超高速磨削技术方面，德国领先，日本后来巨上，美国在超高速磨削技术方面，德国领先，日本后来巨上，美国则在奋起直追。则在奋起直追。目前发达国家，工业上应用磨削速度已达到目前发达国家，工业上应用磨削速度已达到150150250m/s,250m/s,实验室中达到实验室中达到400/s400/s。我国在这一领域与国外差距巨大，工业上应用的磨削速度我国在这一领域与国外差距巨大，工业上应用的磨削速度还未达到还未达到100m/s100m/s，实验室中才为，实验室中才为250m/s250m/s。超高速加工技术的发展现状和趋势超高速加工技术的发展现状和趋势8/21/202413超高速加工技术的发展趋势超高速加工技术的发展趋势超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技术的发展方向，即术的发展方向，即高效高速化、实用廉价化、多功能复合高效高速化、实用廉价化、多功能复合化化，最主要的是，最主要的是高效高速化方向高效高速化方向。 超高速加工技术的发展现状和趋势超高速加工技术的发展现状和趋势8/21/202414概述概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术3.2 3.2 超高速加工技术超高速加工技术8/21/202415超高速切削示意图20世纪30年代德国物理学家Carl.J.Salomon提出高速加工的理论 在切削速度达到一个临界值时在切削速度达到一个临界值时, ,切削温度达到最大值切削温度达到最大值, ,在这个临界值之后在这个临界值之后的一个范围内的一个范围内, ,切削速度增加切削速度增加, ,则切削温度下降。则切削温度下降。超高速加工技术的机理超高速加工技术的机理8/21/202416新型刀具材料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。超高速加工技术的机理超高速加工技术的机理8/21/202417超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征 高单位时间切除率高单位时间切除率，降低加工成本 高加工表面质量高加工表面质量，提高加工精度 低切削力低切削力，降低加工系统力变形 高激励频率高激励频率，避免自激振荡 切削热由切屑带走切削热由切屑带走，减少工件热变形 减少后续工序减少后续工序 ，降低加工成本优点8/21/202418超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征 高单位时间切除率高单位时间切除率，降低加工成本进给速度随切削速度的提高也可相应的提高510倍，这样，单位时间材料的去除率可提高36倍，因而加工时间可缩减到1/3.8/21/202419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超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征8/21/202420超高速加工技术的机理超高速加工技术的机理高加工表面质量高加工表面质量，提高加工精度切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性。8/21/202421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超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征8/21/202422超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征低切削力低切削力，降低加工系统力变形高速切削切削力可降低308/21/202423超高速加工技术的机理超高速加工技术的机理切削热由切屑带走切削热由切屑带走，减少工件热变形加工过程极为迅速，95以上的切削热来不及传给工件，而被切削迅速带走，零件不会因为温升导致弯翘和膨胀变形8/21/202424高速切削的特征减少传递给工件的热量n 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 n 剪切角增大n 切削热大部分由切屑快速带走n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超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征8/21/202425超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征高激励频率高激励频率，避免自激振荡 减少后续工序减少后续工序 ，降低加工成本因为超高速加工的表面质量几乎可以和磨削相比，可以直接作为最后一道精加工工序8/21/202426超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征8/21/202427概述概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术3.2 3.2 超高速加工技术超高速加工技术8/21/202428高速切削的应用领域 航空航天工业航空航天工业轻合金的加工： 模具制造业模具制造业： 汽车工业汽车工业： 难加工材料难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金） 纤维增强复合材料纤维增强复合材料加工 精密零件精密零件加工 薄壁易变形零件薄壁易变形零件的加工超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用8/21/202429 航空航天工业轻合金的加工：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。超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用高速切削的应用领域8/21/202430美国波音公司的F15战斗机两个方向舵之间的气动减速板以前需要500多个零件装配而成，制造一个需要交货期为3个月；而现在应用高速切削技术直接在实体铝合金毛坯上铣削加工出来交货期只需要几天时间。超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用8/21/202431高速切削的应用领域 模具制造业模具制造业：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。以前为电加工后再进行抛光加工。图超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用8/21/202432高速切削的应用领域 汽车工业汽车工业：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）其加工的典型零件：伺服阀、各种泵、电机的壳体、电机转子、气缸体等超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用8/21/202433高速切削的应用领域难加工材料难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金） 纤维增强复合材料纤维增强复合材料加工 精密零件精密零件加工 薄壁易变形零件薄壁易变形零件的加工超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用8/21/202434概述概述超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的机理及特征超高速加工技术的应用超高速加工技术的应用超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术3.2 3.2 超高速加工技术超高速加工技术8/21/202435 高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术1.高速切削机床结构8/21/202436 根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展： 一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。 二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。 超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202437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超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202438 主轴系统 传统的齿轮变速和皮带传送方式已不能适应超高速运转的条件 代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，定子则安装在主轴单元的壳体内，形成“电主轴”。实现变频电机和机床主轴的一体化。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202439 图 超高速主轴的结构超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202440 进给驱动系统高速化 高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。 近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在1997年进给速度已达120m/min超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202441 直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图所示 图图 直线电动机进给驱动系统直线电动机进给驱动系统1 1导轨系统导轨系统 2 2笼型绕组笼型绕组3 3三相绕组三相绕组 4 4直线行程测量系统直线行程测量系统超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202442把电机的转子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动 超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202443(3)运动部件轻量化和伺服进给控制精密化 右图是一台高速切割的加工中心，其X、Y、Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直线电机驱动。 图图 高高速速切切削削的的加加工工中中心心结构示意结构示意超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202444 右图是美国Ingersoll公司为英国British Aerospace公司提供的大型高速型面铣床。床身底面积为33m15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。图7-14 大型高速型面铣床1基座 2、6可移动铣头及滑台 3、4顶部辅助支承导轨 5工件安装和夹压台 7主支承导轨及驱动系统超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/2024452.高速切削的刀具系统 高速切削时的一个主要问题是刀具磨损，与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨损机理与普通切削有很大区别。 超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202446 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。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202447 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。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202448 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。 采用适宜的镀膜可成倍地提高刀具的使用寿命。此外，刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命的重要因素。 超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202449 另一个发展方面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。 有的刀具工厂在1997年汉诺威的世界机床博览会上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花钻。形状更为复杂的聚晶金刚石刀具仍在研究中。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202450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超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202451刀柄结构 刀柄结构是高速切削时的一个关键件，主要体现在它传递机床精度和切削力的作用。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202452 高速切动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：l)很高的几何精度和装夹重复精度；2)很高的装夹刚度；3)高速运转时安全可靠。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202453 刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以图所示的圆锥空心柄（HSK）为主。图图 HSKHSK型刀柄及其联结结构型刀柄及其联结结构超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202454 它以其端面及1：10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7：24锥柄相比，有如下优点： 1)重量减少约50； 2)重复使用时装夹和定位精度高； 3)刚度高，并可传送大的转矩； 4)装夹力随转速升高而加大。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202455接装刀具的模块 常用的锥形夹头灵活性好，适用于不同的刀具直径，缺点是可传递的扭矩有限且装夹精度很低。 提高装夹精度和刚度需采用其他方法，目前常用的有收缩夹头、液压膨胀夹头和力膨胀夹头。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202456 收缩夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内。 这种夹头的优点是精度高，刚性大。缺点是操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202457 液压控胀夹头的原理，在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。 其优点是精度高，刚性大，操作方便。缺点是对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。 超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202458 力力膨膨胀胀夹夹头头的的原原理理如如下下图图所所示示。刀刀柄柄的的孔孔呈呈三三棱棱形形，在在装装夹夹刀刀具具时时，先先用用辅辅助助装装置置在在三三棱棱孔孔的的三三个个顶顶点点施施加加预预先先调调整整好好的的力力，使使刀刀柄柄孔孔变变形形成成圆圆，然然后后把把刀刀具具插插入入刀刀柄柄，再再除除去去变变形形外外力力，刀刀柄柄孔孔弹弹性性回回复复，刀具就被夹持在孔内。刀具就被夹持在孔内。 这这种种夹夹头头的的优优点点在在于于装装夹夹精精度度高高，操操作作简简单单，结结构构紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202459(a) (a) 夹头孔制成三棱夹头孔制成三棱(b) (b) 受力后夹头孔呈圆形受力后夹头孔呈圆形 图图 力膨胀夹头力膨胀夹头(TRIBOS(TRIBOS刀具夹头刀具夹头) )超高速加工技术的相关技术超高速加工技术的相关技术8/21/202460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/s28/21/202461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8/21/202462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8/21/202463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：HSK638/21/202464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：u整体零件“掏空”，切除量大u 零件有薄壁，要求小切削力u 小直径刀具u 较长的刀具悬伸8/21/202465面向高速切削的切削机床高速铣削性能测试标准零件8/21/202466