超高速切削技术及其新进展

超高速切削技术对刀具设计的挑战与机遇随着制造业的发展，越来越多的加工工艺和技术被引入到切削加工中，其中超高速切削技术是近年来备受关注的一项技术。

超高速切削技术以其高效、高精度的加工特点，使得切削加工过程变得更加快捷和精确，也为刀具设计带来了新的挑战与机遇。

超高速切削技术对刀具设计的挑战主要来自于以下几个方面。

首先，刀具的耐磨性提出了更高的要求。

超高速切削技术通常以更高的转速和进给速度进行加工，这意味着刀具与工件的相对运动速度更快，切削过程中的摩擦热与冲击力也更大。

因此，刀具材料的耐磨性需要更高，以保证刀具在超高速切削条件下能够长时间保持切削效率和精度。

其次，刀具的稳定性需得到提升。

超高速切削技术对刀具的结构和刚性要求更高，因为切削过程中的振动容易造成刀具脱破或加工表面质量下降。

因此，刀具的设计和制造必须考虑到提高刚性和减少振动的方法，以确保超高速切削过程的稳定性和刀具寿命。

此外，刀具的冷却与润滑也是重要的设计考虑因素。

超高速切削技术在加工过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地冷却刀具和加工区域，将会导致切削效果下降和刀具寿命缩短。

因此，刀具设计需要考虑如何提供恰当的冷却和润滑条件，以保证加工过程的稳定性和刀具的寿命。

超高速切削技术也给刀具设计带来了一些机遇。

首先，超高速切削技术为刀具设计提供了更广阔的发展空间。

传统的刀具设计主要注重刀具的几何形状和材料选择，而超高速切削技术的应用更加注重刀具的耐磨性、刚性和冷却性能等方面。

这意味着刀具设计师可以更加灵活地选择刀具材料和结构形式，提高刀具的性能和加工效率。

其次，超高速切削技术的应用需要更高的自动化和智能化水平。

刀具设计需要与加工机床的控制系统紧密配合，以实现刀具状态的实时监测和自适应控制。

这为刀具设计师提供了机会，可以通过引入传感器、控制算法和智能化软件等技术手段，提高刀具在超高速切削过程中的稳定性和加工效率。

最后，超高速切削技术也带来了刀具寿命的延长。

➢ 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，

➢ 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。
床身结构
➢落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的 主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚 至三轴的线性移动。
➢由于刀具重量变化极小，在工件乃至工作台 不进行快速线性移动的情况下， 机床快速线 性移动的部件的重量近乎常量，更容易实现 快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动 态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定， 保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。
内装式同轴电动机主轴温升
➢ 热升温引起主轴热变形的解决办法：采用电子传 感器控制温度，使用水冷或油冷循环系统，使主 轴在高速下成为“恒温”；而用油雾润滑、混合 陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿 命、高精度。
➢ 举例：STEP－TEC的电主轴采用了矢量式闭环控 制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷 轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主 轴在全部工作时间内温度衡定。
➢常用材料：涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化 钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼 (CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金 刚石(PCD)等。
➢各种常用材料的高速切削速度：铝合金 1000～7000m/min；铜合金900～5000m/min； 钢500～2000m/min;灰铸件800～3000m/min。 其进给速度范围一般为2～25m/min。
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达 到0～42000r/min，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，

件 。超高 速加 工 可获得 良好 的表 面粗 糙 度 ，几乎 可
达 到 磨 削 表 面 的 水平 ，超 高 速 铣 削 可 实 现 硬 切 削 （ ＲＣ ０以下 ） 因而可 用 于模 具 的精 加工 ，省 去 其 Ｈ ６ 常规 的精 整加工 工序 或节 省抛光 工 时 。 在超 高速 加 工 中由于机 床 主轴 转速 很高 ，激 励 振 动频 率就很 高 ，远 离机 床 固有 振动频 率 ，因此 工
了 ２ ３倍 。 —
是超 高 速加 工 技术 对机 械制 造 业 实现 高 效 、
优 质 、低成 本 生产 有 广 泛 的适 用 性 。 超 高 速加 工 可 大 幅 度 提 高 加工 效 率 、缩 短 加 工 时 间 、降低 加
正 是 超 高 速 加 工 技 术 特 别 是 超 高 速 铣 削 ，与 新 一 代 数 控 机 床 特 别是 高 速加 工 中心 的开 发 应 用 紧密 相 关 。９ ０年代 以来 ，美 、欧 、 日各 国争 相 开 发 应用 新 一 代 高 速 数 控 机 床 ，集 高 效 、精 密 、柔 性 为 一 体 的数 控 机 床 的高 效 特 征 有 了 新 的 飞 跃 。 新 一代 数 控 机 床 已经 从 原 有 数 控机 床基 型 的高 速 型 派 生 品种 ，加 快 高 速 化 发 展 步 伐 ，适 应 超 高 速 度 高效 加 工 的新 结 构 已 用 于 多 种 产 品 中 ，高 速 主 轴 单 元 、高 速且 高 加／ 速 度 的进 给运 动 部件 、高 减 性 能 数控 和 伺服 系统 以及 工 具 系 统 都 出 现 了新 的
５ ０ ｒｍｉ ，进 给 速 度 ６ ／ ｎ 中 小 型 加 工 中心 ０ ０／ ｎ ｍ ｍｉ ；
二 、超 高速 加 工技 术 的 重 要性