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数控机床中高速切削加工技术的运用探讨工作内容
数控机床是现代科技发展的重要体现,其应用范围广泛,尤其是在制造业中
扮演着重要的角色。
高速切削加工技术是数控机床中的一种重要加工方式,其能够提高加工精度和速度,降低生产成本。
本文将探讨数控机床中高速切削加工技术的运用,以及其工作内容。
一、高速切削加工技术的特点
高速切削加工技术是指使用高速切削工具对材料进行切削加工的方法。
其主要特点包括:
1. 高速度:高速切削工具的速度通常在数百至数千公里每小时之间,能够提高加工速度,降低加工成本。
2. 高精度:高速切削工具能够提高加工精度,达到纳米级别的精度。
3. 高效率:高速切削工具能够在较短的时间内完成加工任务,提高工作效率。
4. 环保节能:高速切削工具具有环保节能的特点,能够在减少能源消耗的同时,提高生产效率。
二、高速切削加工技术在数控机床中的应用
1. 制造精密零部件
数控机床采用高速切削技术可以制造精密的零部件,如航空航天部件、汽车发动机零件、电子零部件等。
这些零部件的精度和表面质量要求高,而高速切削技术能够满足这些要求。
2. 制造高速切削刀具
高速切削技术可以制造高速切削刀具,如刀具、切削工具等。
这些刀具能够用于加工高硬度、高精度的材料,如钛合金、硬质合金等。
3. 加工金属合金
金属合金的加工是高速切削技术的重要应用之一。
金属合金通常具有高强度、高硬度和高韧性,而高速切削技术能够满足这些要求。
高速切削技术研究第一部分高速切削技术的定义与特点 (2)第二部分高速切削刀具材料与磨损机理 (4)第三部分高速切削机床的选型与应用 (7)第四部分高速切削参数优化方法 (10)第五部分高速切削过程的热控制技术 (13)第六部分高速切削加工精度与表面质量 (15)第七部分高速切削在典型零件加工中的应用 (17)第八部分高速切削技术的发展趋势与挑战 (20)第一部分高速切削技术的定义与特点高速切削技术是一种先进的制造工艺，它通过使用高转速的刀具和优化的切削参数来提高材料去除率、加工精度和表面质量。
该技术的核心在于实现高效率、高质量和高精度的加工过程。
在高速切削过程中，刀具以极高的速度旋转（通常超过每分钟数千转），同时进给速度也相应提高。
这种高速旋转产生的离心力有助于减小切削力和切削热，从而延长刀具寿命并减少工件的热变形。
此外，由于切削力的降低，高速切削还可以减少振动，进一步提高加工精度。
高速切削技术的优势主要体现在以下几个方面：1.高效率：与传统切削相比，高速切削可以显著提高材料去除率，缩短加工时间。
研究表明，高速切削可以提高生产效率达 30%至50%。
2.高精度：高速切削过程中的低切削力可以减少工件的振动，从而提高加工精度。
此外，由于切削热的影响较小，工件的热变形也得到了控制。
3.高质量表面：高速切削产生的切削热较低，这有助于减少工件的烧伤和裂纹，从而获得更好的表面质量。
4.刀具寿命延长：高速切削可以降低切削力，减少刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。
5.节能减排：高速切削技术可以实现更高的材料去除率，从而减少能源消耗和碳排放。
然而，高速切削技术也存在一些挑战，如刀具成本较高、对机床性能要求较高等。
因此，在实际应用中，需要根据具体加工需求和技术条件，合理选择切削参数和刀具，以确保高速切削技术的有效性和经济性。
总之，高速切削技术作为一种先进的制造工艺，具有高效率、高精度、高质量表面等优势，但在实际应用中需充分考虑其成本和设备要求。
机械制造中的机械加工高速切削技术高速切削是机械加工领域中的一项重要技术，它在工件加工过程中使用高速切削工具，以较大的进给速度和转速进行切削，提高了加工效率和加工质量。
本文将介绍机械加工高速切削技术的原理、特点以及在机械制造中的应用。
一、高速切削技术的原理高速切削技术是基于高速运动的切削工具和工件之间的相对运动原理。
在高速切削过程中，切削工具以较高的转速和进给速度与工件接触，形成切屑并进行切削。
相比传统的慢速切削，高速切削具有以下特点：1. 切削速度较快：高速切削在保持刀具刃口整齐的情况下，增大刀具转速和进给速度，从而大幅提高了切削效率。
2. 切削温度较低：高速切削由于切削时间短，切削工具与工件接触时间减少，从而减少了热量在切削区域的积累，使得切削温度低于常规切削。
3. 切削力较小：高速切削采用较高的转速和进给速度，在单位时间内切削的材料量相对较大，切削力得到了有效分散，从而降低了切削力的大小。
二、高速切削技术的应用1. 提高生产效率：高速切削技术在机械制造中广泛应用，能够显著提高生产效率。
通过提高切削速度和进给速度，生产厂商可以在较短时间内完成更多的加工任务，提高了机械加工的效率。
2. 提高加工精度：高速切削技术具有切削温度低、切削力小等特点，能够减小热变形和机械振动对工件加工精度的影响，提高了加工精度和表面质量。
3. 增加工件材料种类：高速切削技术在闪光电火花加工、超硬材料和薄壁工件高速切削等领域应用广泛。
高速切削通过较高的转速和进给速度，能够更好地适应不同材料的加工需求。
4. 降低加工成本：高速切削技术通过提高加工效率和降低切削力，可以减少切削时间和刀具磨损，从而降低了加工成本。
三、机械加工高速切削技术的挑战与发展高速切削技术在机械制造中的应用受到了一些挑战，如切削热问题、切削润滑和冷却问题等。
同时，随着高速切削技术的发展，一些新的切削方式如超声波切削、激光切削等也受到了广泛关注。
为了进一步推动高速切削技术的发展，需要加强研究，探索新的切削理论和方法。
第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，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。
高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、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，曲面多且结构复杂，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”。
60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。
高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。
为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。
但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。
高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。
汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。
新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。
所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。
图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。
高速切削技术（1）高速切削技术的特点高速加工是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。
高速加工被认为是21世纪机加工艺中最重要的手段。
高速切削与常规切削相比具有明显优点：加工时间减少约60％～80％，进给速度提高5～10倍，材料去除率提高3～5倍，刀具耐用度提高70％，切削力减少约30％表面粗糙度Ra可达8um～10um，工件温升低，热变形、热膨胀减小，适宜加工细长、复杂薄壁零件等。
高速切削技术对机床、刀具、控制系统、编程等都提出了更高的要求。
我们所指高速加工是高速主轴、高速进给和先进的控制软件。
目前，国外在高速切削加工方面除了进行工艺研究外，还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。
与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC控制系统及软件等。
（2）高速切削技术的适用范围航空航天工业是高速切削技术的主要用户，飞机关键零件形状的复杂性使高速加工越来越受到重视。
高速加工尤其适用于轻合金和复合材料，95％的能量由切屑带走，从而使零件的温度不会很高。
事实上铣刀切削金属没有对它施加内应力，因此它优于一般的加工。
目前的铣切类型包括端铣、面铣、模具铣。
高速铣削主轴转速目前一般在40000r／min-50000r ／min，这是精密加工的主轴和先进的切削材料的安全应用范围。
但单纯的主轴速度提高，井不能完成高速切削，还要求高速进给（减少加工时间和非加工时间），机床坐标轴具有1g～2g加速度及高刚性和固有频率，先进控制器，先进的零件编程等。
这就是说精密高速加工成功与否取决于技术链：机床-主轴-工夹-刀具-刀片，这些与设计和制造问等重要。
当然，高的切削速度对切屑量、切削表面质量、切削力和刀具寿命都有极大的影响。
高速切削（HSM=High Speed Machining）一、高速切削理论的提出和定义1．提出：高速切削理论最早是由德国物理学家Carl.J.Salomon 在1931 年4 月提出。
并发表了著名的Salomon曲线[1]。
如图1（a）所示。
主要内容是：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，如图1(b)所示，且该切削速度值与工件材料的种类有关。
(a) (b)图1 切削温度变化曲线2、高速切削定义：目前高速切削技术比较普及的定义是根据1992年国际生产工程研究会(CIRP) 年会主题报告的定义：高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5 － 10 倍的切削加工。
机床主轴转速在10000-20000r/min以上，进给速度通常达15-50m/min，最高可达90m/min。
实际上，高速切削是一个相对概念，它包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣（绝大部分应用是高速铣削）等不同的加工方式，根据被加工材料的不同及加工方式的不同，其切削速度范围也不同。
目前，不同的加工材料，切削速度约在下述范围，如表1所示[1]：表1 切削速度范围被加工材料切削速度范围铝合金1000~7500m/min铜合金900~5000m/min铸铁900~5000m/min钢500~2000m/min耐热镍基合金500m/min钛合金150~1000m/min纤维增强塑料2000~9000m/min3.特征现代研究表明，高速切削时，切屑变形所消耗的能量大多数转变为热，切削速度高，产生的热量越大，基本切削区的高温有助于加速塑性变形和切屑形成。
而且大部分热量都被切屑带走。
高速切削变形过程显著特征为:第一变形区变窄，剪切角增大，变形系数减少，如图2；第二变形区的接触长度变短，切屑排出速度极高，前刀面受周期载荷的作用。
所以高速切削的切削变形小，切削力有大幅度下降，切削表面损伤减轻。
图2 高速切削简化模型二、高速切削加工的优点与传统切削加工相比，高速切削加工的切屑形成、切削力学、切削热与切削温度和刀具磨损与破损等基础理论有其不同的特征，高速切削的切削机理发生了根本性的变化，从而切削加工的结果也发生了本质的变化，表现出很多优点：1．加工效率高高速切削具有高切削率、高进给率，可显著提高切削速度，其材料去除率通常可达传统切削的3~5倍以上。
2. 切削力小与传统切削相比较，高速切削的切削力小，振动频率低，可降低切削力30%~90%，径向力降低更明显。
利于薄壁零件加工。
国外采用数控高速切削加工技术加工铝合金、钛合金薄壁零件的最小壁厚可达0.005mm。
3. 切削热对工件影响小高速切削中90%的切削热被切屑带走，工件受热影响小，大大提高了工件的尺寸精度和形位精度。
实验证明当切削速度超过600m/min后，切削温度的上升在大多数情况下不会超过3℃，故高速切削特别适合加工易产生热变形的零件。
4. 加工精度高高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了好的加工状态，从而可获得较高的表面加工质量，而且残余应力较小。
5. 可实现绿色加工高速切削中刀具红硬性好，刀具切削寿命能提高70%，可不用或少用冷却液，实现绿色加工。
6. 高速切削可加工各种难加工材料。
在加工难切削材料时，采用高速切削技术，使用乳化切削液，采用油雾轻度润滑和冷却，不但能改善材料的切削状况，减小切削力，减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命，而且能减少工件的热变形与加工硬化，提高工件的表面质量，大大提高劳动生产率。
三、应用领域图3 应用领域图1 航空航天工业铝合金零件的加工：高速切削主要用于铣削高强度铝合金整体构件、薄壁类零件。
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，有的高达98%），成品壁厚只有1mm 。
采用高速切削可以大大缩短切削时间，又保证了零件的质量。
另外，飞机的蜂窝结构件必须采用高速铣削技术才能保证质量。
2 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。
电火花加工表面粗糙度达不到要求，一般还要进行抛光或研磨，生产周期长。
加工过程如图4（a ）所示。
大部分模具均适用于高速铣削技术，高速切削可加工硬度达50~60HRC 的淬硬钢，因而可取代大部分电火花加工，在模具行业高速切削采用的是典型的高转速、多速进给、低切深的加工方法。
可以大大简化工艺过程，缩短生产周期。
如图（b ）所示。
（a ）（b ）图4 模具的传统加工与高速切削加工工艺流程图 毛坯 粗加工 半精加工 热处理硬化电火花 加工 手工修磨 硬化的毛坯 粗加工半精加工 精加工3 汽车制造工业：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）如汽车发动机机体，缸盖，汽车覆盖件模具。
4 难加工材料的加工：如Ni基高温合金和Ti合金。
所有的高速切削研究成果均表明:在高速切削条件下，普通高速钢刀具可切削高强度钢，加工合金材料的脆性失效现象并没有发生，工件的表面质量明显提高。
5 纤维增强复合材料加工6 精密零件加工四、研究现状1. 国外研究现状1952年2月,美国的R.L.Vaughn教授首次主持超高速切削试验,经过试验指出:高速切削条件下刀具的磨损比普通速度减少了95%。
1976年美国的Vought公司首次推出1台有级高速铣床,该铣床采用Bryant内装式电机主轴系统,最高转速达20000r/min,功率为15kW。
近年来，新成立的隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年及其以后国防制造工业委员会”提出了把生产加工工艺作为重大公关领域，把超高速切削列为与民用工业公用的先进制造基础技术的规划。
如今，美国波音公司采用数控高速切削加工技术超高速铣切铝合金、钛合金整体薄壁零件；休斯飞机公司采用超高速精密铣削技术加工平面阵列天线、挠性陀螺框架。
日本对高速切削技术的研究始于20世纪60年代。
田中义信利用来复枪改制的高速切削装置实现了高速切削,并指出高速切削的切屑形成完全是剪切作用的结果。
Y.Tanaka研究发现在高速切削时,切削热大部分被切屑带走,工件基本保持冷态。
自从20世纪80年代以来,一些高速切削车床和加工中心陆续问世,并且逐步商品化。
国外主轴转速在10000～20000r/min的加工中心越来越普及，转速高达100000r/min、200000r/min、250000r/min的实用高速主轴正在研究开发之中。
2. 国内研究现状我国对于高速切削技术的研究起步较晚,一些高校和科研院所陆续开始对高速切削机理和实践进行应用研究。
南京航空航天大学对高速切削高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料进行了试验研究,发现切削变形为集中剪切滑移,且滑移区很窄,形成锯齿状不连续切屑,其变形机理完全不同于连续性切屑。
山东大学比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等,建立了有关切削力、切削温度模型及刀具磨损与破损的理论。
哈尔滨工业大学等用PCBN刀具对干式切削不同硬度轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性进行了切削试验研究,发现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬度。
在临界硬度附近切削时,刀具的磨损严重,加工表面质量最差。
北京理工大学较为系统地研究了软钢、高强度装甲钢的高速铣削和淬硬钢、钨合金和硅铁的高速切削机理（刀具磨破损及刀具可靠性、切削力和表面粗糙度）。
天津大学和大连理工大学也都对高速硬切削机理进行了研究。
高速机床方面，东北大学研究了热压氮化硅陶瓷轴承，建立了高速磨削实验台，能进行200m/s的磨削加工实验。
同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动态特性和直线电机的应用技术进行了系统的研究。
五、高速切削的关键技术 图5 高速切削的关键技术 1.高速切削机床系统高速切削机床不仅要有良好的刚性、优良的吸振特性和热稳定性，还必须具备下述条件：具有高速旋转的主轴部件，快速的进给系统，优良的机床动态特性，稳定的机床结构等。
其中关键的是高速主轴和高速进给系统。
（1）.高速主轴高速机床主轴是高速切削加工的最重要的关键技术，国外主轴转速在10000～20000r/min 的加工中心越来越普及，转速高达100000r/min 、200000r/min 、250000r/min 的实用高速主轴正在研究开发之中。
高速主轴主要有电主轴、气动主轴、水动主轴三种类型，目前高速机床中采用电主轴居多。
但最高主轴转速受限于主轴轴承，目前较多使用热压氮化硅陶瓷轴承和液体动静压轴承及空气轴承，或磁力极佳的磁力轴承。
液体静压轴承回转误差在0.2μm 以下，空气静压轴承回转误差在0.05μm 以下。
图6 高速电主轴结构简图高速切削技术 机床系统 刀 具 切削机理 工 艺 高速主轴C N C 控制系统 安全防护进给机构刀具材料 刀柄结构 刀刃形状 加工表面完整性 切屑形成机理切削力、切削热 刀具寿命 工艺优化N C 编程数据库（2）. 直线电机进给驱动系统如果采用通常的伺服电机+滚珠丝杠副的轴向直线进给系统，提高轴向进给速度和加速度将受到传统结构的限制，不能满足高速切削加工的要求，只有采用直线伺服电机高速驱动系统，它是高速机床设计的一个重要发展趋势。
直线电机可实现无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，提高了进给速度、加速度、刚度和定位精度。
2.刀具刀具与机床历来是相辅相成的，只有将高性能的切削机床和加工刀具相结合，高速切削才能获得良好的应用效果。
近年来，用于高速加工的刀具材料主要包括金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、金属陶瓷、硬质合金涂层刀具、超细晶粒硬质合金刀具等。
高速切削中对刀具材料、刀具结构、刀柄系统、刀具几何参数等要求较高，尤其要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，以及抗冲击、耐磨损的能力。
3. 高速切削数控系统用于高速切削加工的CNC控制系统必须具有快速的数据处理能力和高精度，以及快速响应的伺服控制以满足高速度及复杂型腔的加工要求。
目前在高速加工机床上采用的控制系统大多为较先进的多CPU结构，主要采用的是32位CPU，甚至多个32位CPU，具有高速插补与程序块处理以及有效的超前处理能力。
较强的超前处理能力用于预防刀具轨迹偏移与避免高速下突发事故。
4. 数据库在己建立的切削数据库中，当属CUTDATA（美）与NIFOS（德）最为著名。
◆世界上的第一个金属切削数据库是1964年美国技术切削联合研究所和美国空军材料研究所建立的，叫做美国空军加工性数据中心(AFMDC)。
◆成都工具研究所在1987年建成了我国第一个实验性车削数据库TRN10。
