高速切削技术
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高速切削技术. 高速切削技术. 切削技术的新发展 高速切削的定义 高速切削的特征和应用领域 面向高速切削的切削刀具 面向高速切削的制造装备 面向高速切削的夹紧技术 高速切削的安全防护. 高速切削技术. 切削技术的新发展. 目标. 手段. 柔性制造系统 高速切削 精密与超精密加工 硬材料切削 干切削与微切削. 提高柔性 提高切削速度 提高精度 扩大加工材料范围 减少消耗. 提高加工质量. 切削加工. 提高生产率. 降低加工成本. 高速切削技术. 切削技术的新发展. 高速切削. 边界条件 机床与装备

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Presentation Transcript

高速切削技术

  • 切削技术的新发展

  • 高速切削的定义

  • 高速切削的特征和应用领域

  • 面向高速切削的切削刀具

  • 面向高速切削的制造装备

  • 面向高速切削的夹紧技术

  • 高速切削的安全防护


高速切削技术

切削技术的新发展

目标

手段

柔性制造系统

高速切削

精密与超精密加工

硬材料切削

干切削与微切削

提高柔性

提高切削速度

提高精度

扩大加工材料范围

减少消耗

提高加工质量

切削加工

提高生产率

降低加工成本


高速切削技术

切削技术的新发展

高速切削

  • 边界条件

  • 机床与装备

    + 机床新概念

    + 驱动系统

    + 控制系统

    + 夹紧系统

  • 刀具

    + 刀具材料

    + 刀具涂层

    + 标准化与多功能化刀具

干切削

硬切削


高速切削技术

高速切削的定义

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= High-Speed-Cutting

HSM= High-Speed-Machining

HSM= High-Speed-MillingHSD = High-Speed-Drilling

HST = High-Speed-Turning

HSTM= High-Speed-Turn-Milling


高速切削技术

高速切削的定义

高速范围与加工材料密切相关

来源:PTW


高速切削技术

高速切削的定义

高速范围与加工方法密切相关

车削:700~7000m/min;

铣削:300~6000m/min;

钻削:200~1100m/min;

磨削:150m/s以上。

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。


高速切削技术

高速切削的定义

20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理论


高速切削技术

高速切削的定义

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。


高速切削技术

高速切削的特征

来源:PTW


高速切削技术

高速切削的特征

切削速度对刀具寿命的影响

工件材料:

X100CrMoV51 (2363),60 HRC

刀具:

球头刀:d = 6 mm

刀刃数:2(CBN时1)

刀具材料:

HM:硬质合金,TiN涂层

CBN:立方氮化錋

Cermet:金属陶瓷

(刀具寿命)

(切削速度)

来源:PTW


高速切削技术

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

(高速铣削)

(常规铣削)

来源:BMW


高速切削技术

高速切削的特征

提高加工表面质量

加工余量

要求轮廓

行距

行距

实际轮廓

行距

来源:PTW


高速切削技术

高速切削的特征

降低切削力

(用PCD刀具材料车削铝合金)

(主切削力)

(切削速度)

来源:PTW


高速切削技术

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

前刀面

接触区

刀具

高速切削的剪切角

后刀面

常规切削的剪切角

工件


高速切削技术

高速切削的优点

  • 高单位时间切除率,降低加工成本

  • 高加工表面质量,提高加工精度

  • 低切削力,降低加工系统力变形

  • 高激励频率,避免自激振荡

  • 切削热由切屑带走,减少工件热变形

  • 减少后续工序 ,降低加工成本


高速切削技术

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。

  • 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。

  • 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)

  • 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


高速切削技术

高速切削的应用领域

例1:高精度铝质模具型腔加工:在传统铣削加工中,由于铝熔点低,铝屑容易粘附在刀具上,虽经后续的铲刮、抛光工序,型腔也很难达到精度要求,在制时间达60小时。

高速铣削分粗、精两道工序:n精=20000r/min,ap=0.2mm, vf=5m/min;加工周期仅为6小时,完全达到精度要求。

例2:塑料的轮胎型芯加工:用传统方法(手工)需十几道工序,在制时间20天以上,也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。

采用高速铣削,n= 18 000r/min,ap=2 mm,vf=10m/min,在制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。


高速切削技术

实现高速切削的关键技术

  • 高速切削机理及工艺

  • 高性能刀具材料及刀具设计制造技术

  • 高性能机床及其附件

† 机床结构及材料

† 机床设计制造技术

† 高速主轴系统

† 快速进给系统

† 高性能CNC系统

† 高性能刀具及工件夹紧系统

† 高效高精度测量测试技术

† 安全防护技术


高速切削技术

面向高速切削的切削刀具

适用于高速切削的刀具材料:

涂层硬质合金、金属陶瓷、刀具陶瓷、CBN及PCD


高速切削技术

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

以高强度铝合金做基体的HSC端面铣刀

带内部冷却的钻头

在基体上焊接刀片(材料CBN,PCD)的HSC刀具


高速切削技术

高速切削刀具装卡系统

要求

方案

  • 最小的动不平衡量

  • 最小的径向偏差

  • 高刚性

  • 传递高扭矩

  • 高精度

  • 换刀时的高重复精度

  • 高转速下的安全性

用空心短锥柄(HSK系列)取代快换锥柄(SK系列)

+ 通过主轴端面进行轴向定位

+ 主轴和空心锥柄的胀塞配合

HSK


高速切削技术

面向高速切削的切削机床

对高速切削机床要求

  • 床身等固定部件的高刚度和高抗振性

  • 主轴的高转速和高加速度

  • 进给系统的高进给速度和高加速度

  • 主轴轴承的高刚度和高抗振性

  • 优化的切屑下落及运送系统

  • 可靠的安全防护系统


高速切削技术

面向高速切削的切削机床

设计特征

直线电机(Z轴)

焊接结构横梁

高速电机主轴

混凝土聚合物床身框架

焊接结构XY工作台

直线电机驱动


高速切削技术

面向高速切削的切削机床

高速电机主轴

  • 驱动电机与主轴的一体化

  • 转速至80.000r/min,用于小直径刀具的高速切削

  • 大转速范围内的高扭矩输出

  • 首选球轴承、液压轴承、气压轴承或磁轴承


高速切削技术

面向高速切削的切削机床

对进给系统的要求

  • 高进给速度:>20 m/min

  • 高进给加速度:>0.5 g

进给速度 vf

主轴转速 n


高速切削技术

面向高速切削的切削机床

直线进给电机

机床滑台

技术指标:

vf > 75 m/min

a = 1-7 g

初级线圈

导轨

位置测量系统

次级线圈


高速切削技术

面向高速切削的切削机床

HALLER HILLE Specht 500 L 高速铣床(EMO 1997)

  • 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:20 m/s2


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