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超高速加工技术

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超精密加工与超高速加工技术

超精密加工与超高速加工技术

术工技加工与超高速加超精密一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速。

技术和加工质量的现代加工度和进给速度来提高材料切除率、加工精度超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。

目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。

各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻以上等等。

削250m/s削200~1100m/min，磨超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具等。

术在线自动检测与控制技制造技术，超高速加工-c超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra 小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm 的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术研究。

条件和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境展趋势外发二、现状及国内高速加工．超1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，意大利等。

国、主要有德国、日本、美处于领先地位的国家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）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。

切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min 提高到1200m/min 以上。

(三)先进制造工艺3-超高速加工技术

(三)先进制造工艺3-超高速加工技术
of Mining & Technology
（2）汽车工业领域
高速加工在汽车生产领域的应用主要体现在模具和零件 两个方面。 加工两个方面。应用高速切削加工技术可加工零件的范围相 当广，其典型零件包括：伺服阀、各种泵和电机的壳体、 当广，其典型零件包括：伺服阀、各种泵和电机的壳体、电机 转子、汽缸体和模具等。汽车零件铸模以及内饰件注塑模的制 转子、汽缸体和模具等。 造正逐渐采用高速加工。 造正逐渐采用高速加工。
China University of Mining & Technology
China University of Mining & Technology
2、超高速加工技术的应用
（1）航空航天工业领域
高速加工在航空航天领域应用广泛，如大型整体结构件、 高速加工在航空航天领域应用广泛，如大型整体结构件、 薄壁类零件、微孔槽类零件和叶轮叶片等。 薄壁类零件、微孔槽类零件和叶轮叶片等。国外许多飞机及发 动机制造厂已采用高速切削加工来制造飞机大梁、肋板、 动机制造厂已采用高速切削加工来制造飞机大梁、肋板、舵机 壳体、雷达组件、热敏感组件、钛和钛合金零件、 壳体、雷达组件、热敏感组件、钛和钛合金零件、铝或镁合金 压铸件等航空零部件产品。现代飞机构件都采用整体加工技术， 压铸件等航空零部件产品。现代飞机构件都采用整体加工技术， 即直接在实体毛坯上进行高速切削，加工出高精度、 即直接在实体毛坯上进行高速切削，加工出高精度、高质量的 铝合金或钛合金等有色轻金属及合金的构件， 铝合金或钛合金等有色轻金属及合金的构件，而不再采用铆接 等工艺，从而可以提高生产效率，降低飞机重量。 等工艺，从而可以提高生产效率，降低飞机重量。
China University of Mining & Technology

超高速加工技术

超高速加工技术

应用案例二：汽车发动机缸体加工
总结词
提高缸体质量和加工效率
详细描述
在汽车发动机缸体加工中，超高速加工技术能够提高缸体的加工效率和精度，同时降低废品率。通过高速旋转的 刀具和高效的切削液系统，可以快速去除材料，减少切削力和热量的产生，提高缸体的表面质量和耐久性。
应用案例三：模具钢材料加工
总结词
提高模具寿命和加工效率
发展趋势
随着新材料、新工艺的不 断涌现，超高速加工技术 正朝着智能化、绿色化、 复合化等方向发展。
主题重要性
促进制造业转型升级
满足市场需求
超高速加工技术的应用有助于提高生 产效率、降低成本，推动制造业向智 能化、柔性化、绿色化方向转型升级。
随着市场对产品品质和性能要求的不 断提高，超高速加工技术的应用能够 满足消费者对高品质产品的需求。
超高速加工技术能够大幅提高航空航天材料的加工效率，缩 短生产周期，降低制造成本，同时保证零部件的加工精度和 质量。
汽车制造
汽车制造领域需要大量高精度零部件 ，超高速加工技术能够快速、准确地 加工出汽车发动机缸体、缸盖、变速 器壳体等复杂零部件。
超高速加工技术能够提高汽车零部件 的加工效率，降低生产成本，同时提 高零部件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳 强度等性能。
数字化
超高速加工技术将向数字化方向发展， 实现数字化的加工模型和加工过程的 仿真与优化。
05
超高速加工技术的实际案例
应用案例一：航空叶片加工
总结词
提高加工效率，降低生产成本
详细描述
超高速加工技术应用于航空叶片加工，能够显著提高加工效率，缩短生产周期， 降低生产成本。通过高转速的刀具和精确的数控系统，可以快速、准确地完成 叶片的切削和磨削，提高表面质量和精度。

_超高速加工技术

_超高速加工技术

2、超高速主轴系统动态特性及热态特性研究：动刚度、固有 频率等参数的影响。 3、超高速主轴系统的润滑和冷却技术研究：润滑充分问题、 冷却效果问题。 4、超高速主轴系统多目标优化设计、虚拟设计技术研究。
第四节 超高速加工进给单元制造技术
超高速加工进给单元是超高速加工机床的重要组成部分。 一、超高速加工进给单元的基本要求： 1、要求具有大的加、减速度：在瞬时达到高速，瞬时准停。 2、要求具有搞的定位精度：能精确控制零件的尺寸精度。 二、超高速加工进给单元的关键技术： 1、高速位置环芯片研制；
4、超高速加工中工件状态的测试技术； 5、超高速加工中自适应控制技术； 6、超高速加工中智能控制技术。
第五节 超高Βιβλιοθήκη 加工测试技术从某种意义上讲，超高速加工测试技术是超高速加工得到应 用的技术关键。 一、超高速加工测试技术的概念： 主要是指在超高速加工过程中，通过传感、分析、信号处理 等，对超高速机床及系统的状态进行实时在线监测和控制的监测 技术。 监测主要基于对切削力、声发射、切削功率和温度等信息参 数检测，来监测加工状态。 二、超高速加工测试的关键技术： 1、基于监控参数的在线检测技术； 2、超高速加工的多传感器融合检测技术； 3、超高速加工机床中各单元系统功能部件的测试技术；
3、超高速进给单元制造技术； 4、超高速加工用刀具和磨具材料； 5、超高速机床支承； 6、超高速加工测试技术。
二、超高速切削机理： 1、萨洛蒙超高速切削理论： 三个切削速度区： ⑴ 常规的切削速度区：现行的切削加工速度范围； ⑵ 不能切削区：此区切削速度下，切削温度过高，刀具不能 承受； ⑶ 高速切削区：当切削速度达到某一数值后，切削温度不再 升高，反而随切削速度继续增加，切削温度呈下降趋势，切削 温度降到刀具能承受的切削速度时，即为高速切削的最低速度。 试验表明，萨洛蒙超高速切削理论并不适用于所有的加工 材料，有些材料在超高速切削时不存在不能切削区。 2、超高速磨削最大切屑厚度hmax理论： 在保持其它参数不变，仅增大磨削速度情况下， hmax会减 小，每个磨削刃上的作用切削力也会减小。

超高速超精密加工技术主要内容

超高速超精密加工技术主要内容

加工方法及机理研究 刀具、 刀具、磨具的研究 加工装备技术研究 测量技术研究
超精密加工技术的应用 超精密加工技术的发展趋势
作 业
（1）超高速、超精密加工技术二者选择其一。 超高速、超精密加工技术二者选择其一。 （2）按照上述提纲要求查阅文献，然后归纳总结写出 按照上述提纲要求查阅文献， 文献综述” “文献综述”。 （3）要求条理清晰，内容精练，3000～5000字。 要求条理清晰，内容精练，3000～5000字 （4）必需手写，不能打印。 必需手写，不能打印。 （5）该作业作为本课程平时成绩的一部分，占15％。 该作业作为本课程平时成绩的一部分， 15％。
超高速超精密加工技术主要内容
一 超高速加工技术
超高速加工技术的内涵 超高速加工技术的关键技术（重点） 超高速加工技术的关键技术（重点）
加工机理研究 主轴单元制造技术研究 进给单元制造技术研究 刀具、 刀具、磨具研究
Байду номын сангаас
超高速加工技术的应用 超高速加工技术的发展趋势
二 超精密加工技术
超精密加工技术的内涵 超精密加工技术的关键技术（重点） 超精密加工技术的关键技术（重点）

第三章先进制造工艺技术(超高速加工)

第三章先进制造工艺技术(超高速加工)
➢ 虽然切削深度和厚度小，但主轴转速高，进给速度快，单 位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高 了。
➢ 将粗加工、半精加工、精加工合为一体，在一台机床上完 成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。
➢ 可加工高硬度、难加工材料(62左右)，可以钻ø1以下的小 孔。
➢ 加工时间短，经济性能好。
内装式同轴电动机驱动优点
➢主轴是电机的转子，定子装入主轴套筒内， 取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的 结构，减少了振动，增加了可靠性，
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达到 0～42000，甚至更高。
➢结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 ➢噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 ➢回转精度高，摩擦振动小， ➢主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件，
➢ 硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。
五、超高速加工技术发展趋势
超高速切削的发展趋势： 高效高速化； 实用廉价化； 复合化等
超高速磨削技术的发展趋势： 高柔性自动化系统+超硬磨料磨具+各种高速高
效磨削技术。
超高速加工技术关键技术
关键技术： 超高速切削、磨削机理； 超高速主轴单元制造技术； 超高速加工进给单元制造技术； 超高速加工用刀具、磨具； 超高速加工机床支承及辅助单元制造技术； 超高速加工测试技术。
1、超高速切削、磨削机理
随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当 切削线速度达到超过某临界值时，切削温度及切削力会减 小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加
2、 超高速主轴单元制造技术
主轴的驱动方式 电动机通过带传动：变频电机，电机经精密动
平衡，置于单独地基，柔软丝质传动带。 （优点：可隔离电机振动；缺点：布置不方 便） 电动机通过柔性联轴器驱动：电机、主轴在同 一轴线上，变频电机，电机经精密动平衡， 柔性联轴器联结。（优点：结构紧凑，回转 精度高；缺点：轴向尺寸增加，机床尺寸增 加） 内装式同轴电动机驱动：电机轴即机床主轴，

超高速加工技术

超高速加工技术

（2）汽车制造。
1
2
3
4
钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔
高速钻孔 表面和内侧倒棱
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）
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。
b）高速模具加工的过程
图14 两种模具加工过程比较
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。
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。
高速加工技术的发展与应用
图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心
生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm
主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min
定位精度：0.008 mm
重复定位精度：0.005mm
图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心
图7 HSM800 图9 HSM400
• 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。

超高速加工技术ppt课件

超高速加工技术ppt课件
。随着数控机床、加工中心和柔性制造系统的应 用，使机械加工的辅助工时大大缩短。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时来提高生产 率。而切削工时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 和进给速度等，才能大幅提高生产率。
概述 • 超高速加工技术的历史背景
超高速加工技术的应用
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。
超高速加工技术的应用
• 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
高速切削的应用领域
✓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
3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
超高速加工技术的相关技术
概述
• 超高速加工技术的内涵和范围 • 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能
可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔 性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提 高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工 技术。
概述
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
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
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趋势 • 超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或

超高速加工技术 2

超高速加工技术 2

粗加工
传统加工方法 精加工
高速切削 少量手工精修
手工精修
加工时间 100 % 图 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
精选课件
12
电极制造
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
a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修 b）高速模具加工的过程
超高速加工技术
超高速加工的基本概念 超高速加工的内涵
高速加工切削速度的范围
超高速加工的特点
超高速加工的应用
超高速加工的关键技术
高速磨削加工精选课件
1
超高速加工的基本概念
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。
精物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士于1931年提出的著名切削理 论认为：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。
在常规切削速度范围内，切削温度温度 随着切削速度的增加而提高。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。
➢工艺系统振动小 在超高速加工中，由于机床主轴转
速很高，激励振动的频率远离机床固有振动频率，因此
可使工艺振动减小，提高加工质量。
精选课件
8
超高速加工的特点
➢ 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；
➢ 热变形小 温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；
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
◎钛(Ti)：100-1000m/min

超高速加工技术作业

超高速加工技术作业
刀具寿命和加工质量。
04
超高速加工技术实践案例
案例一：航空航天领域应用
飞机发动机零部件加工
航空零部件修复
超高速加工技术可用于加工飞机发动 机的复杂零部件，如涡轮叶片、燃烧 室等，提高加工精度和效率。
对于已经损坏的航空零部件，超高速 加工技术可用于进行局部修复，延长 零部件使用寿命。
航空材料加工
针对航空领域使用的特殊材料，如钛 合金、高温合金等，超高速加工技术 可实现高效、高精度的切削加工。
超硬材料刀具技术
采用超硬材料如金刚石、立方 氮化硼等制作刀具，提高刀具
的耐磨性和切削性能。
高精度机床技术
采用高精度机床，提高机床的 刚度、精度和稳定性，保证加 工精度和效率。
高速切削动力学技术
研究高速切削过程中的切削力、 切削热等动态特性，优化切削参 数，提高加工质量和效率。
高效冷却与润滑技术
采用高效冷却与润滑技术，降 低切来自温度和摩擦系数，提高探讨了超高速加工技术的优势和局限性
分析了超高速加工技术在提高加工效率、降低加工成本等方面的优势，同时也指出了其在 加工精度、设备稳定性等方面存在的局限性。
提出了改进超高速加工技术的建议
针对超高速加工技术存在的局限性，提出了相应的改进措施，如优化切削参数、改进刀具 结构、提高设备刚度等。
对未来超高速加工技术的期待
工艺流程
加工准备
包括工件装夹、刀具准备 、设备调试等步骤，确保 加工过程的顺利进行。
粗加工
采用较大的切削用量，快 速去除大部分余量，为后
续精加工提供基础。
精加工
采用较小的切削用量和 高转速，保证工件的加
工精度和表面质量。
检测与评估
对加工完成的工件进行 检测和评估，确保满足

先进制造技术第4章超高速加工技术

先进制造技术第4章超高速加工技术
单元，电主轴。 快速进给和高加/减速的驱动系统，直线电机驱动。 高性能的高速CNC控制系统。配以高速加工的 CAD/CAM软件。 超硬的刀具材料（包括涂层工艺及材料）。
目前市场上出现的铣削加工机床主轴转速在 20000～60000r/min，最高达到150000 r/min；
20世纪80年代，计算机控制的自动化生产技术的 高速发展成为国际生产工程的突出特点，工业发达国 家机床的数控化率已高达70％～80％。随着数控机 床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用， 使机床空行程动作(如自动换刀、上下料等)的速度和 零件生产过程的连续性大大加快，机械加工的辅助工 时大为缩短。在这种情况下，再一味地减少辅助工时， 不但技术上有难度，经济上不合算，而且对提高生产 率的作用也不大。这时辅助工时在总的零件单件工时 中所占的比例已经较小，切削工时占去了总工时的主 要部分，成为主要矛盾。只有大幅度地减少切削工时， 即提高切削速度和进给速度等，才有可能在提高生产 率方面出现一次新的飞跃和突破。这就是超高速加工 技术(Ultra-high speed machining UHSM)得以 迅速发展的历史背景。。
日本约在20世纪60年代开始了对超高速切削机 制的研究，田中义信利用来复枪改制的超高速切削 装置，实现了高达200～700m/s的超高速切削，对主 切削力和加工表面的变形层性能进行研究。指出： 超高速切屑形成完全是剪切作用的结果，随着切削 速度的提高，剪切角急剧增大，工件材料的变质层 厚度与普通速度下相比降低了50％。
W9Mo3Cr4V等。
硬质合金：是由高硬难熔金属碳
化物粉末，以钴或镍为粘接剂，用粉末
冶金的方法制成的。它的硬度可达
74 ～82（90）HRC。目前多用于制 造各种简单刀具，如车刀、铣刀、刨刀 的刀片等。

超高速加工技术

超高速加工技术

超咼速加工技术2011级机械设计制造及其自动化4班刘傅文摘要：本文介绍了超高速加工技术的概念、内容和发展现状，并分析了其发展动向。

关键词：高速加工技术、机械制造、先进加工、发展。

超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。

超高速加工技术的特征：切削力低、热变形小、材料切除率高、高精度、减少工序。

超高速加工技术主要包括：（1）超高速切削、磨削机理研究。

对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。

（2）超高速主轴单元制造技术研究。

主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。

（3）超高速进给单元制造技术研究。

高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究；精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。

研究开发各种超高速加工（包括难加工材料）用刀具磨具材料及制备技术。

（5）高速CNC空制系统：超高速加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能化特性，以保证加工复杂曲面轮廓时，具有良好的加工性能。

还要具有高速插补及超前处理能力，防止刀具轨迹偏移和突发事故。

（6）超高速加工在线检测与控制技术研究。

对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。

验研究。

超高速加工

超高速加工

超高速加工一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。

超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。

目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150~1000m/min，纤维增强塑料为2000~9000m/min。

各种切削工艺的切速范围为：车削700~7000m/min，铣削300~6000m/min，钻削200~1100m/min，磨削250m/s以上等等。

超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。

超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ m，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μ m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。

二、现状及国内外发展趋势1．超高速加工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）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。

切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。

第三章 先进制造工艺技术(超高速加工)讲解

第三章 先进制造工艺技术(超高速加工)讲解

刀具材料发展与车削高速化的关系
4、超高速加工机床支承及辅助单元 制造技术
数控系统 床身结构 导轨 驱动电机：直线电机 刀具的材料和技术 采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷 却润滑液。 其他 支撑环境
数控系统
可同时控制8根以上轴，实现五轴联动。多个 CPU，数据块处理时间不超过0.4ms；配置功能 强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力 强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干 预，随时修改。外接插口，数据传输速度快， 甚至可与以太网直联；加上全闭环的测量系统， 配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动 可以实现1～2g的加速和减速运动。 矢量式闭环控制：借助数/模转换，将交流异步 电动机的电量值变换为直流电模型，具有无电 刷的交流电机的优点，即在低转速时，保持全 额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和 制动。
50年代末期，得到科学家和工程师的重视展开了一系列 模拟实验。 1977年美国第一次在真正的机床上实现了超高速切削。
80年代中期德国darsmtadt大学和40多家制造企业在政 府的资助下，对高速机床、刀具、控制系统和安全防护等进 行全面研究。其研究成果反映在H.Schulz教授的专著《金 属和非金属的高速铣削》中。
三、高速切削、磨削的优点
小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量极小，因而机床 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。 虽然切削深度和厚度小，但主轴转速高，进给速度快，单 位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高 了。 将粗加工、半精加工、精加工合为一体，在一台机床上完 成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。 可加工高硬度、难加工材料(62HRC左右)，可以钻ø1mm以 下的小孔。 加工时间短，经济性能好。

先进制造技术3.4 超高速加工技术

先进制造技术3.4 超高速加工技术

2. 超高速切削机床
•超高速主轴系统 •快速进给系统 •超高速切削机床的结构变化
•超高速主轴系统 超高速主轴：精度高、振动小、噪音低、结构紧凑
交流伺服电动机内置式集成化结构-电主轴
•超高速主轴系统 超高速主轴轴承形式： •陶瓷混合轴承： 轴承滚珠为氮化硅陶瓷；重量轻，热膨胀系 数小，硬度高，耐腐蚀，弹性模量高，非磁性，耐高温，超 高温时尺寸稳定，但制造难度大、成本高，对拉伸应力和缺 口应力敏感。
超高速磨削砂轮典型结构
2、超高速磨床主轴及轴承 •超高速磨床主轴
必须有连续自动平衡系统
工作原理：进行动平 衡时，振动传感器测 出主轴的动不平衡振 幅值，装在转子内的 电子元件测出动不平 衡相位。相应的电子 控制信号驱动两平衡 块做相对转动，达到 平衡
机电动动平衡系统
1-信号传送单元 2-紧固发兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴
1
0.1 0.01 0.001
精加工
高速切削 少量手工精修 加工时间 100 %
手工精修
采用高速加工缩短模具制作周期
铝合金薄壁件 （厚0.2mm 高20mm)
速度603m/min 进给速度 9600mm/min
7075铝合金零件（毛坯1818kg 零件14.5kg
2388*2235*82.6)
主轴18000r/min，进给2.4～2.7m/min 刀具直径18～20mm
2400
3000
切削适应区
切削速度v/(m/min)
图1 Salomon切削温度与切削速度曲线
2、Salomon切削理论
萨洛蒙曲线 德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)博士于1931年提出的著名切削 理论认为：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。如图所示为“萨洛蒙曲线”。在常规切削速度范围内 (图中A区)，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。

超高速加工技术作业

超高速加工技术作业

超高速加工技术研究内容
1.超高速切削原理
在机械加工中, 切
削温度是一个重要的
制约参数。根据德国
著名切削物学家萨洛
蒙的超高速切削理论,钢材的切削来自度与切削温度可用萨洛蒙曲
线来表示(参见图),曲
线表明切削速度和切
图1
削温度不是呈线性的。
萨洛蒙曲线
图2 切削速度与摩擦系数关系
3.高速加工的特点
➢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；
超高速加工技术
• 技术概述 • 研究内容 • 技术应用 • 发展趋势 • 加工刀具
超高速加工技术的概述
• 超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具， 通过极大地提高切削速度和进给速度来提 高材料切除率、加工精度和加工质量的现 代加工技术。
• 超高速加工技术主要包括：超高速切削与 磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术， 超高速进给单元制造技术，超高速加工用 刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自 动检测与控制技术等。
图5 波音公司的F15战斗机的起动减速板
图6 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
2.模具制造 当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法
时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量， 可省去后续的电加工和手工研磨等程序。 3.汽车制造
图 3 加工零件
➢ 材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；
➢ 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；
➢ 热变形小 温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；
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

超高速加工

超高速加工

2、超高速切削刀具结构
超高速切削刀具的结构主要从加工精度、安全性、 高效方面考虑，如超高速刀具的几何结构和刀具的装 夹结构。 为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力，刀 具的几何角度必须选择最佳数值。如超高速切削铝合 金时，刀具最佳前角数值为 12°～ 15°，后角数值为 13°～ 15°；超高速切削钢材时，对应的是 0°～ 5° 和 12°～ 16°，铸铁对应的是 0°和 12°，铜合金是 8°和16°；超高速切削纤维强化复合材料时，最佳前 角数值为20°，后角为15°～20°。
1、超高速切削的刀具材料
(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200～1000 m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬
先进机械制造技术—— 超高速加工技术
陈春
目录

一、超高速加工含义 二、超高速加工中的刀具技术 三、超高速切削机床 四、加工策略改变
一、超高速加工的含义
1、超高速加工的定义

超高速加工技术：采用超硬材料刀具磨具和能 可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高 柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达 到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现 代制造加工技术。
硬钢、铸铁等。
1、超高速切削的刀具材料
(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，

超高速加工技术

超高速加工技术

长度缩短为零。我们称这种新型的驱动与传动方式为“零传
动”。
超高速电主轴
超高速电主轴
（3）集成式电机主轴振动小，由于直接传动，因而减少了高精密 齿轮等关键零件，消除了齿轮的传动误差。同时，集成式主轴也简 化了机床设计中一些关键性的工作，如简化了机床外型设计，容易 实现高速加工中快速换刀时的主轴定位等。 这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别， 主要表现在： (1) 有很大的驱动功率和扭矩； (2) 有较宽的调速范围； (3) 有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、 测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性。 国外超高速主轴单元的发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速 已普遍达到10 000 r/min，甚至更高。
具刃磨费用等。
（二）超高速磨削加工的优 越性
• • • • • 大幅度提高磨削效率 磨削力小，零件加工精度高 获得低粗糙度表面 大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削 加工自动化 改善加工表面完整性
四、超高速切削的相关技术
1、 超高速切削的刀具技术
超高速切削的刀具材料
（1）涂层刀具材料。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
悬浮轴承砂轮主轴，转速达到60 000 r/min。德国GMN公司的磁悬浮轴承主
轴单元的转速最高达100 000 r/min以上。此外，液体动静压混合轴承也已 逐渐应用于高效磨床。 。
超高速切削机床的进给系统
•
超高速切削进给系统是评价超高速机床性能的 重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义， 而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要 条件。超高速切削在提高主轴速度的同时必须提 高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
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
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
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
前刀面 刀具 后刀面 工件
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超高速加工技术的特征
高激励频率，避免自激振荡 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
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超高速加工技术的特征
单位时间切除量 表面质量
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切削速度
切削力 刀具寿命
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3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
航空航天工业轻合金的加工： 模具制造业： 汽车工业： 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
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超高速加工技术的特征
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
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接触区 高速切削的剪切角 常规切削的剪切角
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超高速加工技术的相关技术
1.高速切削机床结构
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。
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超高速加工技术的相关技术
• 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。
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超高速加工技术的相关技术
面向高速切削的切削机床
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100m/s，实验室中才为250m/s。
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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 术的发展方向，即高效高速化、实用廉价化、多功能复合 化，最主要的是高效高速化方向。
（常规铣削）
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（高速铣削）
来源： Page 20
超高速加工技术的机理
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。
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超高速加工技术的特征
高速切削的特征
提高加工表面质量
行距
加工 余量 要求轮廓
行距
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 5－10倍，这样，单位时间材料的去除率可 提高3－6倍，因而加工时间可缩减到1/3.
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超高速加工技术的特征
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
后续工作 精加工 半精加工 粗加工 加工准备 设计
例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削， 而 400 m/min 就定义为高速钻削。
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概述
• 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 的加工时间减少90％，同时将加工费用减少50％
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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－磨削
超高速磨削的研究开始是在50、60年代，在80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 则在奋起直追。
目前发达国家，工业上应用磨削速度已达到150－250m/s, 实验室中达到400/s。
切削速度 vc
2000 m/min
800 600 400 200
100 80 60 40 20
聚 晶金 刚 石PC D Si3N4
立 方聚 晶 氮化 錋CB N
氧化陶瓷 金属陶瓷 硬质合金
涂层硬质合金
铸造 硬质合金
高速钢
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10 8
1875
1900
工具钢
1925
1950
1975
年
2000
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－切削
1976年美国首次推出有级超高速铣床，最高转速达 20000r/min，功率15kw。此后，法国、德国也开始了超高 速加工技术的研究。
20世纪80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断 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 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。
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
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超高速加工技术的相关技术
直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图所示
图 直线电动机进给驱动系统 1－导轨系统 2－笼型绕组 3－三相绕组 4－直线行程测量系统
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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－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 外相比，有较大的差距。
主轴转速在20000r以下，快速进给速度在30m以下；而国 外，采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度达到40－ 60m，采用直线电机的进给系统中 ，快速进给可达160m。
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超高速加工技术的相关技术 图 超高速主轴的结构
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超高速加工技术的相关技术
⑵ 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。
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超高速加工技术的应用
高速切削的应用领域
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
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3.2 超高速加工技术
• 概述 • 超高速加工技术的机理及特征 • 超高速加工技术的应用 • 超高速加工技术的相关技术
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概述
范围
工件材料
纤维增强塑料 铝合金 青铜，黄铜 铸铁 钢 钛合金 镍基合金
10
高速范围与加工材料密切相关普通 切削 过渡区 高速切削1001000
切削速度 vc（铣削）
m/min 10000
2来01源9年：9月P1T0日W
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范围
概述
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。
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概述
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
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 ＝ HSM ＝
High-Speed-Cutting High-Speed-Machining
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超高速加工技术的应用
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。
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超高速加工技术的应用
• 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。
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概述 • 超高速加工技术的历史背景
图 不同年代切削加工的制造时间及费用的变化图
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概述
• 超高速加工技术的历史背景
1995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20世纪 末国际机械制造业最热门的话题。
在切削速度达到一个临界值时,切削温度达到最大值,在这个临界值之后 的一个范围内,切削速度增加,则切削温度下降。