高逭欹劓加二二它训敏覆 生产率较高,注塑与吹塑模一般尺寸较小,比较经济。加工模具的石墨电极和铜电极也非常 适用髙速铣削;高速铣削也适用于模具的快速原型制造;电子产品中的薄壁结构加工尤其需 要高速加工。汽车发动机零件也是高速铣削的应用领域。此外,高速铣削也可用于原型制造。 表2.4.1高速铣削应用范围 技术优点 应用领域 事例 高去除率 轻合金,钢和铸铁航空航天产品,工具、模具制造 高表面质量 精密加工,特殊工件光学零件,精细零件,旋转压缩机 小切削力 薄壁件 航空航天工业,汽车工业,家用设 备 高激振频率 避开共振频率加工精密机械和光学工业 切屑散热 热敏感工件 精密机械,镁合金加工 3.高速铣削的关键技术 高速切削是制造技术中引人注目的一项新技术,其应用面广,对制造业的影响大。高速 切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展 的结果。高速切削主要包括以下几方面的基础理论与关键技术 1)高速切削机理; 2)高速切削刀具技术 3)高速切削机床技术 4)高速切削工艺技术 5)高速加工的测试技术等。 德国 Darmstadt工业大学生产工程和机床研究所的舒尔兹教授(H. Schulz)对高速切削技 术进行了多年的深入研究,他对高速切削所包含的技术提出了下面的框图(图3.1)。 钢和铸铁 轻金属材料 复合材料 高频电主 待殊材料 CNC控剂系统 铁速进给系统 冷却系统 装卡刀具装置|切削材料 环境 框、轻型结构 机床安全设施 功能部件 高速切削 技术 加工 刀具材料 加T」艺过程 刀具切削刃 工件 传感和监视 几何参数设计 系统 工件装夹 操作技术 图3.1高速切削所包括的技术框图
高速铣削加工工艺培训教程 4 生产率较高，注塑与吹塑模一般尺寸较小，比较经济。加工模具的石墨电极和铜电极也非常 适用高速铣削；高速铣削也适用于模具的快速原型制造；电子产品中的薄壁结构加工尤其需 要高速加工。汽车发动机零件也是高速铣削的应用领域。此外，高速铣削也可用于原型制造。 表 2.4.1 高速铣削应用范围 技术优点 应用领域 事 例 高去除率 轻合金，钢和铸铁 航空航天产品，工具、模具制造 高表面质量 精密加工，特殊工件 光学零件，精细零件，旋转压缩机 小切削力 薄壁件 航空航天工业，汽车工业，家用设 备 高激振频率 避开共振频率加工 精密机械和光学工业 切屑散热 热敏感工件 精密机械，镁合金加工 3． 高速铣削的关键技术 高速切削是制造技术中引人注目的一项新技术，其应用面广，对制造业的影响大。高速 切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展 的结果。高速切削主要包括以下几方面的基础理论与关键技术： 1)高速切削机理； 2)高速切削刀具技术； 3)高速切削机床技术； 4)高速切削工艺技术； 5)高速加工的测试技术等。 德国 Darmstadt 工业大学生产工程和机床研究所的舒尔兹教授(H．Schulz)对高速切削技 术进行了多年的深入研究，他对高速切削所包含的技术提出了下面的框图（图 3.1）。 图 3.1 高速切削所包括的技术框图
高逭欹劓加二二它训敏覆 3.1高速切削机理的研究 高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中切屑形 成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的硏究,也为开发高速机床、高速加 工刀具提供了理论指导。试想,如果没有萨洛蒙高速切削假设、没有德国、美国和日本等国 的科学家、工程师不断的研究,去证实萨洛蒙的理论,去完善和修改高速切削理论,也不会 有今天高速切削的快速发展和广泛应用。因此,在高速切削技术的发展中,高速切削机理的 研究仍然占有重要的地位,而且高速切削机理和相关理论至今还远远没有完善,高速切削数 据库尚未真正建立起来。 我国高速切削机理研究工作,和美国、德国、日本等先进工业国家比还有相当大的差距。 基础理论的落后也极大地制约了高速切削技术在我国的发展和应用 高速切削机理的研究主要有以下几个方面 (1)高速切削过程和切屑成形机理的研究 对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程 原理的研究,采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法 (2)高速加工基本规律的研究 对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加 工参数对这些现象的影响规律进行研究,提出反映其内在联系的数学模型。实验方案设计和 试验数据处理也是研究工作中需要解决的问题。工艺参数应基于建立的数学模型及多目标优 化的结果 (3)各种材料的高速切削机理研究 由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性,所以,要研究各种工程材料在高速切削 下的切削机理,包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验 研究和分析,建立高速切削数据库,以便指导生产。 (4)高速切削虚拟技术研究 在试验研究的基础上,利用虚拟现实和仿真技术,虚拟高速加工过程中刀具和工件相对 运动的作用过程,对切屑形成过程进行动态仿真,显示加工过程中的热流、相变、温度及应 力分布等,预测被加工工件的加工质量,研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削 参数对加工的影响等。 应该指出.虚拟现实技术是基于计算机技术和信息技术的发展而产生的一种信息处理技 术。采用虚拟技术对髙速切削的理论进行硏究具有节约资源、加快研究进度的优越性,特别 是对于一些试验条件不具备或试验很难做、且耗资耗力巨大的试验,用虚拟技术进行分析研 究,虚拟仿真试验情况,是非常有价值的。但是虚拟仿真必须有试验数据作基础,同时还要 检验虚拟仿真的真实性和可信性。虚拟现实技术的应用,无疑会给髙速切削机理的研究工作 提供一种崭新和有效的方法,必将大大加快高速切削理论研究工作的进程。 32高速切削刀具 高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明,阻碍切削速度提高 的关键因素是切削刀具是否能承受越来越高的切削温度。在萨洛蒙高速切削假设中并没有把 切削刀具作为一个重要因素。但是随着现代高速切削机理硏究和高速切削试验的不断深入
高速铣削加工工艺培训教程 5 3．1 高速切削机理的研究 高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中切屑形 成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加 工刀具提供了理论指导。试想，如果没有萨洛蒙高速切削假设、没有德国、美国和日本等国 的科学家、工程师不断的研究，去证实萨洛蒙的理论，去完善和修改高速切削理论，也不会 有今天高速切削的快速发展和广泛应用。因此，在高速切削技术的发展中，高速切削机理的 研究仍然占有重要的地位，而且高速切削机理和相关理论至今还远远没有完善，高速切削数 据库尚未真正建立起来。 我国高速切削机理研究工作，和美国、德国、日本等先进工业国家比还有相当大的差距。 基础理论的落后也极大地制约了高速切削技术在我国的发展和应用。 高速切削机理的研究主要有以下几个方面： (1)高速切削过程和切屑成形机理的研究 对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程 原理的研究，采用科学实验和计算机模拟仿真两种方法。 (2)高速加工基本规律的研究 对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加 工参数对这些现象的影响规律进行研究，提出反映其内在联系的数学模型。实验方案设计和 试验数据处理也是研究工作中需要解决的问题。工艺参数应基于建立的数学模型及多目标优 化的结果。 (3)各种材料的高速切削机理研究 由于不同材料在高速切削中表现出不同的特性，所以，要研究各种工程材料在高速切削 下的切削机理，包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验 研究和分析，建立高速切削数据库，以便指导生产。 (4)高速切削虚拟技术研究 在试验研究的基础上，利用虚拟现实和仿真技术，虚拟高速加工过程中刀具和工件相对 运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真，显示加工过程中的热流、相变、温度及应 力分布等，预测被加工工件的加工质量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削 参数对加工的影响等。 应该指出．虚拟现实技术是基于计算机技术和信息技术的发展而产生的一种信息处理技 术。采用虚拟技术对高速切削的理论进行研究具有节约资源、加快研究进度的优越性，特别 是对于一些试验条件不具备或试验很难做、且耗资耗力巨大的试验，用虚拟技术进行分析研 究，虚拟仿真试验情况，是非常有价值的。但是虚拟仿真必须有试验数据作基础，同时还要 检验虚拟仿真的真实性和可信性。虚拟现实技术的应用，无疑会给高速切削机理的研究工作 提供一种崭新和有效的方法，必将大大加快高速切削理论研究工作的进程。 3.2 高速切削刀具 高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高 的关键因素是切削刀具是否能承受越来越高的切削温度。在萨洛蒙高速切削假设中并没有把 切削刀具作为一个重要因素。但是随着现代高速切削机理研究和高速切削试验的不断深入
高逭欹劓加二二它训敏覆 证明高速切削的最关键技术之一就是高速切削所用的刀具。舒尔兹教授在第一届德国一法国 高速切削年会(1997年)上做的报告中指出,目前,在高速加工技术中,有两个基本的研究发 展目标,一个是高速引起的刀具寿命问题,另一个是具有高精度的高速机床。 切削刀具的性能在很大程度上会制约高速切削技术的应用和推广。目前,高速切削刀具 的国产化也是机械制造行业急需解决的问题 高速切削刀具与普通加工的刀具有很大不同。目前,在高速切削中使用的刀具有硬质合 金、聚晶金刚石(PCD、聚晶立方氮化硼(PCBN、陶瓷等材料。在我国,一些高校和硏究单位 也在进行这些新刀具材料的研究,但规模很小,距实用化还有相当大的距离。 3.3高速切削机床技术 高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加工的技术水平、很大程度 反映在高速机床的设计制造技术上。在现代机床制造中、机床的高速化是一个必然的发展趋 势。在要求机床高速的同时,还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。 高速机床技术主要包括高速单元技术(或称功能部件)和机床整机技术。单元技术包括高 速主轴、高速进给系统、高速CNC控制系统等;机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安 全设施、加工环境等。分别简介如下 1)高速主轴单元 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分,是高速加工机床的核心部 件.在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的 性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术 其中一些技术又是相互制约的,包括高转速和高刚度的矛盾、高速度和大转矩的矛盾等等 因此,提高主轴转速和精度是一项很困难的工作,设计和制造高速主轴必须综合考虑满足多 方面的技术要求。 高速主轴一般做成电主轴的结构形式,其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动 机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等等。 (2)高速进给系统 进给系统的高速性也是评价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,而且也是维持高速加工刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达 到高速运动,而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等,所以要求具有很大的加速度以及很高的 定位精度 高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和 其他周边技术,如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等 目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式:高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴 机构。和高速进给系统相关联的还有工作台(拖板)、导轨的设计制造技术等等 (3)CNC控制系统 相对而言,现有的控制系统对超高速机床所需的进给率来说是显得太慢了,超高速机床 要求其CNC系统的数据处理时间要快得多,高的进给速率要求CNC系统有很高的内部数据处 理速率,而且还应有较大的程序存储量。CNC控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨 迹、预先前馈控制、反应的伺服系统等
高速铣削加工工艺培训教程 6 证明高速切削的最关键技术之一就是高速切削所用的刀具。舒尔兹教授在第一届德国—法国 高速切削年会(1997 年)上做的报告中指出，目前，在高速加工技术中，有两个基本的研究发 展目标，一个是高速引起的刀具寿命问题，另一个是具有高精度的高速机床。 切削刀具的性能在很大程度上会制约高速切削技术的应用和推广。目前，高速切削刀具 的国产化也是机械制造行业急需解决的问题。 高速切削刀具与普通加工的刀具有很大不同。目前，在高速切削中使用的刀具有硬质合 金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、陶瓷等材料。在我国，一些高校和研究单位 也在进行这些新刀具材料的研究，但规模很小，距实用化还有相当大的距离。 3．3 高速切削机床技术 高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。一个国家高速加工的技术水平、很大程度 反映在高速机床的设计制造技术上。在现代机床制造中、机床的高速化是一个必然的发展趋 势。在要求机床高速的同时，还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。 高速机床技术主要包括高速单元技术(或称功能部件)和机床整机技术。单元技术包括高 速主轴、高速进给系统、高速 CNC 控制系统等；机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安 全设施、加工环境等。分别简介如下： (1)高速主轴单元 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速加工机床的核心部 件．在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的 性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术， 其中一些技术又是相互制约的，包括高转速和高刚度的矛盾、高速度和大转矩的矛盾等等。 因此，提高主轴转速和精度是一项很困难的工作，设计和制造高速主轴必须综合考虑满足多 方面的技术要求。 高速主轴一般做成电主轴的结构形式，其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动 机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等等。 (2)高速进给系统 进给系统的高速性也是评价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，而且也是维持高速加工刀具正常工作的必要条件。对高速进给系统的要求不仅仅能够达 到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的 定位精度。 高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和 其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。 目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴 机构。和高速进给系统相关联的还有工作台(拖板)、导轨的设计制造技术等等。 (3)CNC 控制系统 相对而言，现有的控制系统对超高速机床所需的进给率来说是显得太慢了，超高速机床 要求其 CNC 系统的数据处理时间要快得多，高的进给速率要求 CNC 系统有很高的内部数据处 理速率，而且还应有较大的程序存储量。CNC 控制系统的关键技术主要包括快速处理刀具轨 迹、预先前馈控制、反应的伺服系统等
高逭欹劓加二二它训敏覆 (4)床身、立柱和工作台 高速机床设计的另一个关键点,是如何在降低运动部件惯量的同时,保持基础支承部件 高的静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助工程的方法用有限元法和优化设计,能获得 减轻重量、提高刚度的床身、立柱和工作台结构。为获得较好的动态性能,有些高速机床床 身由聚合物混凝土材料制成。 (5)切屑处理和冷却系统 高速切削过程会产生大量的切屑,单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清 除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区,而且也是一种行之有效的清理切 屑的方法,但它会对环境造成严重的污染。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适 用.例如对抗热冲击性能差的刀具.在有些情况下,切削液反而会降低刀具的使用寿命,这 时可采用干切削,并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作 (6)安全装置 机床运动部件的高速运动、大量高速流出的切屑以及高压喷洒的切削液等等,都要求高 速机床要有一个足够大的密封工作空间。刀具破损时的安全防护尤为重要,工作室的仓壁 定要能吸收喷射部分的能量。此外防护装置必须有灵活的控制系统,以保证操作人员在不直 接接触切削区的情况下的操作安全。 3.4高速切削的工艺技术 高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。切削方法选择不当,会使 刀具加剧磨损,完全达不到高速加工的目的。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数 的选择优化,对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等 (1)切削方法和切削参数的选择与优化 在髙速切削中,必须对切削方法和切削参数进行优化选择。其中包括优化切削刀具控制, 如刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程(顺铣还是逆铣)等。 (2)对各种不同材料的切削方法 切削铝、铜等轻合金,与切削钢和铸铁以及切削难加工合金钢,由于切削机理不同,除 了刀具材料和刀具几何参薮的选择外,在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好 的切削效果。根据不同加工材料来硏究高速切削工艺方法,也是高速切削工艺技术研究的重 要内容之 (3)刀具材料和刀具几何参数的选择 在研究高速切削工艺技术中,切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的 选择综合进行。高速切削工艺技术研究是一项很有意义的工作。实践证明,如果只有高速机 床和刀具而没有良好的工艺技术作指导,昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用。高速切 削的工艺技术和传统的工艺方法有很大差别,至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。 这一点是高速机床应用中要特别加以注意的问题。 3.5高速加工的测试技术 高速加工是在密封的机床工作区间里进行的,在零件加工过程中,操作人员很难直接进 行观察、操作和控制,因此杋床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控、实时
高速铣削加工工艺培训教程 7 (4)床身、立柱和工作台 高速机床设计的另一个关键点，是如何在降低运动部件惯量的同时，保持基础支承部件 高的静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助工程的方法用有限元法和优化设计，能获得 减轻重量、提高刚度的床身、立柱和工作台结构。为获得较好的动态性能，有些高速机床床 身由聚合物混凝土材料制成。 (5)切屑处理和冷却系统 高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清 除装置。高压大流量的切削液不但可以冷却机床的加工区，而且也是一种行之有效的清理切 屑的方法，但它会对环境造成严重的污染。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适 用．例如对抗热冲击性能差的刀具．在有些情况下，切削液反而会降低刀具的使用寿命，这 时可采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作。 (6)安全装置 机床运动部件的高速运动、大量高速流出的切屑以及高压喷洒的切削液等等，都要求高 速机床要有一个足够大的密封工作空间。刀具破损时的安全防护尤为重要，工作室的仓壁一 定要能吸收喷射部分的能量。此外防护装置必须有灵活的控制系统，以保证操作人员在不直 接接触切削区的情况下的操作安全。 3．4 高速切削的工艺技术 高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的关键技术之一。切削方法选择不当，会使 刀具加剧磨损，完全达不到高速加工的目的。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数 的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。 (1)切削方法和切削参数的选择与优化 在高速切削中，必须对切削方法和切削参数进行优化选择。其中包括优化切削刀具控制， 如刀具接近工件的方向、接近的角度、移动的方向和切削过程(顺铣还是逆铣)等。 (2)对各种不同材料的切削方法 切削铝、铜等轻合金，与切削钢和铸铁以及切削难加工合金钢，由于切削机理不同，除 了刀具材料和刀具几何参数的选择外，在切削过程中还要采取不同的切削策略才能得到较好 的切削效果。根据不同加工材料来研究高速切削工艺方法，也是高速切削工艺技术研究的重 要内容之一。 (3)刀具材料和刀具几何参数的选择 在研究高速切削工艺技术中，切削方法和技术必须紧密结合刀具材料和刀具几何参数的 选择综合进行。 高速切削工艺技术研究是一项很有意义的工作。实践证明，如果只有高速机 床和刀具而没有良好的工艺技术作指导，昂贵的高速加工设备也不能充分发挥作用。高速切 削的工艺技术和传统的工艺方法有很大差别，至今还远不如传统工艺方法那样成熟和普及。 这一点是高速机床应用中要特别加以注意的问题。 3．5 高速加工的测试技术 高速加工是在密封的机床工作区间里进行的，在零件加工过程中，操作人员很难直接进 行观察、操作和控制，因此机床本身有必要对加工情况、刀具的磨损状态等进行监控、实时
高逭欹劓加二二它训敏覆 地对加工过程在线监测,这样才能保证产品质量,提髙加工效率,延长刀具使用寿命,确保 人员和设备的安全。 高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。近年来、在线测试技术在 高速杋床中使用得越来越多。现在已经在杋床使用的有:主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热 测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发 射传感器、工件加工可视监视器等。智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。例如,神 经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别
高速铣削加工工艺培训教程 8 地对加工过程在线监测，这样才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保 人员和设备的安全。 高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。近年来、在线测试技术在 高速机床中使用得越来越多。现在已经在机床使用的有：主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热 测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。测量传感器有热传感器、测试刀具的声发 射传感器、工件加工可视监视器等。 智能技术已经应用于测试信号的分析和处理。例如，神 经网络技术被应用于刀具磨损状态的识别