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高速切削加工技术在制造业生产中的运用. 单 位 : 湖南工学院 学 科 : 机械制造及其自动化 讲课人：刘安民. ( 一 ) 先进机械制造工艺技术. 1 、基本慨念.
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高速切削加工技术在制造业生产中的运用 单 位: 湖南工学院 学 科: 机械制造及其自动化 讲课人：刘安民
1、基本慨念 • 先进制造工艺技术是先进制造技术的核心组成部分。大多数先进机械制造工艺技术是在不断变化和发展的传统机械制造基础逐步形成的一个新兴技术群。它是高新技术产业化和传统工艺高新技术化的结果，是机械制造业的重要基础技术；先进制造工艺水平的高低，在很大程度上决定了一个国家的制造业在国际市场的竞争实力。正如人们说的，以市场为导向，以工艺突破口，机械制造工艺为本。所谓机械制造工艺，即将各种原材料或半成品通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。
2、先进机械制造工艺技术的内容 • a、材料成形技术 • b、表面工程技术
a、材料的成形方法 • (1)、受迫成形是利用材料的可成形性，在特定的边界和外力约束条件下完成的。如：铸造、锻压、 冶金和高分子材料注射成形等。 • (2)、堆积成形是运用合并与连接等手段，将材料有 把合并堆积起来的成形方法。如快速原型制造、焊接等。 • (3)、去除成形是按要求将一部分材料从基体中分离出去成形方法。如传统的切削加工以及电火花、激光切割等特种加工。
b、表面工程技术 • 是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，以而达到特定使用要求的一项应用技术。如表面处理、加工、涂层等。
3、先进机械制造工艺特点 （1）高精度 （2）高效 （3）高速 （4）优质 （5）低耗 （6）环保 （7）柔性好。
4、先进机械制造工艺技术举例 • 受迫成形先进机械制造工艺技术： • 精密洁净铸造成形 • 精密高效金属塑性成形 • 粉末锻造成形 • 高分子材料注射成形
4、先进机械制造工艺技术举例 • 堆积成形先进机械制造工艺技术： • 快速原型制造（RPM）
4、先进机械制造工艺技术举例 • 去除成形先进机械制造工艺技术： • 超精密切削加工 • 超精密磨削加工 • 微细加工 • 高速加工
1、高速切削的慨念 • 高速加工是一种很有潜力的先进机械制造工艺技术。从思想提出到工业应用经过了大约60年时间，主要是由于当时相应的生产设施（如机床、刀具等）不能满足高速加工的需要。1931年4月27日，专利发明人（一位德国科学家）Salomon最早提出高速切削的概念，并申请了专利号为523594的徳国专利“类似于切削刀具加工的一种加工金属或材料的新方法”。他发现，在某一速度范围内，由于切削温度太高，切削加工不可能进行，当切削速度超度这一切削速度，切削温度开始下降。目前，国际上尚未就属于高速加工的切削速度范围给出统一标准。高速加工中的切削速度通常是常规切削速度的5—10倍以上。 • 高速加工的应用领域很广，如模具、航空航天、光学和精密机械以及汽车和日用品工业等。它加工工件的表面粗糙度Ra值可达0.2µm。
2、为什么要高速切削 • 机械加工的发展趋势是：高精度、高效、高速、优质、低耗、环保、柔性好。， • 随着切削速度的提高，切削力减少，切削力降低大致为25~30%以上；切削温度增加逐步缓慢，降低了工件表面热量（９０％被切屑带走），提高零件加工精度和改善工件表面质量，加工表面粗糙度降低1~2级；增加了金属去除率，生产效率大幅度提高，生产成本降低；大致是切削速度和进给速度提高15~20%，可降低制造成本10~15%；特别适合薄壁及微小结构零件加工。 • 高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。
3、怎样实现高速切削 • 要实现高速加工，总的来说，必须解决三个方面的问题： • 1、机床 • 2、刀具及装夹系统（两个接触界面） • 3、ＣＡＤ／ＣＡＭ系统、工艺规程、 刀具几何参数、切削用量等的合理选择
1、机床 • 高速机床与普通数控机床的不同点主要有：A、高频电主轴；B、快速CNC控制系统；C、快速进给驱动系统；D、结构刚度好、吸振性强；E、有安全装置。 • 现在已有很多的高速加工机床投入生产应用。总的说来，机床转速向高速化发展，普通机床继高速加工机床之后也变得越来越快，现在的普通机床已进入高速加工范畴，特别是在加工钢和铸铁时，主轴转速12000rpm，同时进给速度25m/min已经比较普遍。
2、刀具及装夹系统 • 选择适当的刀具材料和采用专用夹紧装置对实现高速加工非常重要。高速加工的常用刀具材料有金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金、粉末冶金和高性能高速钢等。刀具材料与工件材料的匹配也很重要。另外，装夹系统（主要由两个连接界面）性能必须满足高速加工的需要。例如，动平衡性好、偏心小、刚度高、抗扭、高精度、高重复精度（换刀）、高速下的安全性等。
3、ＣＡＤ／ＣＡＭ系统、工艺规程、 刀具几何参数、切削用量等的合理选择 • 从刀具磨损、表面质量、精度要求等方面考虑进行切削条件优化，实现真正的高速加工应用。选择合理的刀具几何参数（如前角、后角、刃倾角、主偏角、长径比等）、切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）等；采用合理的切削策略（ＣＡＭ），例如加工曲面时，不同加工方法可导致不同的刀具寿命。
我国在HSC技术方面应用情况 • 国内在HSC方面起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主。但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。
高速铣削颤振、诊断、预报 1、颤振基本概念 自激振动 （非正阻尼振动） 2、诊断方法 声学手段 3、稳定区域预报 详见《机械工程学报》，2007/1 ，P164－169
高速铣削时的振动特征 切削速度 Vc=38 m/min 切削速度 Vc=200 m/min
主轴转速１：14,000; 15,000; 16,000; 16,500; 17,500; 19,000; 20,000 rpm主轴转速２： 3,000, 6,000, 9,000, 10,000, 12,000, 14,000, 16,000 rpm
接触式测量工作原理图 加速度传感器 信号接收和处理装置 （放大、滤波） 机械系统结构 采样、A/D转换、数字信号
非接触式测量工作原理图 信号接收和处理装置 （放大、滤波） 机械系统结构 采样、A/D转换、数字信号
监控基本原理 机床运行和加工过程导致振动、噪音 测量系统的振动、噪音 （采用传感器通过接触或者非接触的方法采集有关数据） 信号采集、处理、分析、记录 切削过程监控，故障诊断和预报 （通过计算机和应用软件来实现）
结论 1、 高速加工技术可以大幅度提高经济效益, 减少环境污染，是切削技术的发展方向。 2、 通过应用高速加工概念，考虑整加工系统的动力学，合理选择刀具材料、形状、几何参数和优化切削用量，在传统的机床上我们可进行准高速切削。 3、 随着机床使用时间的增长，系统运行可能不再满足功能要求 、寿命要求 、环境要求等。 4、 通过测量机械系统的振动、噪音（用接触或者非接触传感器采集有关数据），借助计算机和应用软件，我们可以对系统运行情况进行监控、诊断、预报。
