超高速、微细加工技术.ppt

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第一节第一节超高速加工技术超高速加工技术一、超高速加工的概念与内涵一、超高速加工的概念与内涵超高速加工是一个相对的概念，由于不超高速加工是一个相对的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速加工范围，因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义。

度给出一个确切的定义。

概括地说概括地说，超高速，超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切能可靠地实现高速运动，极大地提高材料切除率，除率，并保证加工精度和加工质量的现代并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术，其切削速度通常比常规高制造加工技术，其切削速度通常比常规高1010倍左右。

倍左右。

德国切削物理学家萨洛蒙德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）（CarlSalomon）博博士于士于19311931年提出的著名切削理论认为：

一定年提出的著名切削理论认为：

一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。

图切削速度下其切削温度最高。

图3-193-19所示为所示为“萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线”。

在常规切削速度范围内。

在常规切削速度范围内（图图3-193-19中中AA区区），切削温度随着切削速度的增大，切削温度随着切削速度的增大而提高。

而提高。

图图3-193-19萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线在切削速度达到临界切削速度后，随着切削在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。

速度的增大切削温度反而下降。

SalomonSalomon的切的切削理论给人们一个重要的启示：

如果切削速削理论给人们一个重要的启示：

如果切削速度能超越切削度能超越切削“死谷死谷”（图图3-193-19中中BB区区）在超高在超高速区内速区内（图图3-193-19中中CC区区）进行切削，则有可能用进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。

切削工时，成倍地提高机床的生产率。

表表6-3不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围应应当当指指出出的的是是，超超高高速速加加工工的的切切削削速速度度不不仅仅是是一一个个技技术术指指标标，而而且且是是一一个个经经济济指指标标。

也也就就是是说说，它它不不仅仅仅仅是是一一个个技技术术上上可可实实现现的的切切削削速速度度，而而且且必必须须是是一一个个可可由由此此获获得得较较大大经经济济效效益益的的高高切切削削速速度度。

没没有有经经济济效效益益的的高高切切削削速速度度是是没没有有工工程程意意义义的的。

目目前前定定位位的的经经济济效效益益指指标标是是：

在在保保证证加加工工精精度度和和加加工工质质量量的的前前提提下下，将将通通常常切切削削速速度度加加工工的的加加工工时时间间减少减少9090，同时将加工费用减少同时将加工费用减少5050，以此来衡量高切削速度的合理性。

以此来衡量高切削速度的合理性。

二、超高速加工技术的现状及发展趋势二、超高速加工技术的现状及发展趋势自自2020世纪世纪3030年代德国萨洛蒙博士首次提出年代德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来，经过高速切削概念以来，经过5050年代的机理与可年代的机理与可行性研究，行性研究，7070年代的工艺技术研究，年代的工艺技术研究，8080年代年代全面系统的高速切削技术研究，到全面系统的高速切削技术研究，到2020世纪世纪9090年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；年代后期，商品化高速切削机床大量涌现；2121世纪初，高速加工技术在工业发达国家得世纪初，高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。

到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。

工业发达国家对超高速加工的研究起步早，工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。

在此项技术中，处于领先地位的国水平高。

在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。

家主要有德国、日本、美国、意大利等。

在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件。

超高速切削超高速加工的前提和先决条件。

超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。

工的关键设备。

目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）（PCD）、立方氮化硼、立方氮化硼（CBN）（CBN）及聚晶立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（PCBN）（PCBN）。

切削速度亦。

切削速度亦随着刀具材料的创新而从以前的随着刀具材料的创新而从以前的12m/min12m/min提高提高到到1200m/min1200m/min以上。

以上。

砂轮材料过去主要采用砂轮材料过去主要采用刚玉系、碳化硅系材料，美国刚玉系、碳化硅系材料，美国GEGE公司于公司于2020世世纪纪5050年代首先在金刚石人工合成方面取得成年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，功，6060年代又首先研制成功年代又首先研制成功CBNCBN。

2020世纪世纪9090年代陶瓷或树脂结合剂年代陶瓷或树脂结合剂CBNCBN砂轮、金砂轮、金刚石砂轮线速度可达刚石砂轮线速度可达125m/s125m/s，有的可达，有的可达150150m/sm/s，而单层电镀，而单层电镀CBNCBN砂轮可达砂轮可达250m/s250m/s。

因此。

因此有人认为，随着新刀具有人认为，随着新刀具（磨具磨具）材料的不断发材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。

乃至超声速加工的出现不会太遥远了。

在超高速切削技术方面，近年来，高速、超在超高速切削技术方面，近年来，高速、超高速加工的实际应用和实验研究取得了显著高速加工的实际应用和实验研究取得了显著成果。

成果。

世界许多著名公司的加工中心，如美国的世界许多著名公司的加工中心，如美国的CincinnatiCincinnati和和IngersollIngersoll、日本牧野、意大利、日本牧野、意大利的的RambaudiRambaudi等公司，其标准主轴转速配置可等公司，其标准主轴转速配置可达达8000800010000r/min10000r/min，可选的，可选的20000r/min20000r/min以下的主轴单元已处于商品化阶段。

采用滚以下的主轴单元已处于商品化阶段。

采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到珠丝杠的进给系统，快速进给速度可以达到404060m/min60m/min，加速度达到，加速度达到1g1g，工作进给可达，工作进给可达到到30m/min30m/min以上，定位精度达到以上，定位精度达到202025m25m。

采采用用直直线线电电机机的的进进给给驱驱动动系系统统，快快速速进进给给可可以以达达到到160160m/minm/min，进进给给加加速速度度达达到到2.5g2.5g以以上上，定定位位精精度度高高达达0.050.050.5m0.5m甚甚至至更更高高。

这这些些加加工工中中心心的的刀刀具具到到刀刀具具的的换换刀刀时时间间小小于于11ss，切切削削到到切切削削的的换换刀刀时时间间小小于于2.4s2.4s，托托盘盘交交换换时时间间小小于于10s10s。

日日本本日日立立精精机机的的HG400IIIHG400III型型加加工工中中心心主主轴轴最最高高转转速速达达36000360004000040000r/minr/min，工作台快速移动速度为，工作台快速移动速度为363640m/min40m/min。

高速磨削在高速磨削在2020世纪世纪6060年代初，砂轮磨削速度年代初，砂轮磨削速度曾一度达到曾一度达到90m/s90m/s，但更多的还是在，但更多的还是在45456060m/sm/s之间。

德国居林公司之间。

德国居林公司19831983年制造出了当时年制造出了当时世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨世界上第一台最具威力的高效深切快进给磨床，即床，即HEDGHEDG磨床，其主轴功率为磨床，其主轴功率为60kW60kW，砂轮，砂轮直径为直径为400mm400mm，砂轮转速为，砂轮转速为10000r/min10000r/min，vsvs达到达到100100180m/s180m/s。

BremenBremen大大学学在在高高效效深深磨磨的的研研究究方方面面取取得得了了世世界界公公认认的的高高水水平平成成果果，并并积积极极在在铝铝合合金金、钛钛合合金金、铬铬镍镍合合金金等等难难加加工工材材料料方方面面进进行行高高效效深磨的研究。

深磨的研究。

近近年年来来，我我国国在在高高速速、超超高高速速加加工工的的各各关关键键领领域域（如如大大功功率率高高速速主主轴轴单单元元、高高加加减减速速直直线线进进给给电电机机、陶陶瓷瓷滚滚动动轴轴承承等等方方面面）也也进进行行了了较较多的研究并有相应的研究成果。

多的研究并有相应的研究成果。

50m/s50m/s高速磨削研究起始于高速磨削研究起始于19581958年，近年，近2020年年来其发展十分缓慢。

实验室超高速磨削速度来其发展十分缓慢。

实验室超高速磨削速度曾达到曾达到250m/s250m/s，但离产业化还有一段距离。

，但离产业化还有一段距离。

目前工业应用的磨削速度未能超过目前工业应用的磨削速度未能超过100m/s100m/s。

显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差显然，国内在超高速磨削技术方面与国外差距很大。

距很大。

三、超高速加工技术的优势三、超高速加工技术的优势1.1.超高速切削加工的优越性超高速切削加工的优越性

（1）

（1）加工效率高。

加工效率高。

（2）

（2）切削力小。

切削力小。

（3）（3）热变形小。

热变形小。

（4）（4）加工精度高。

加工精度高。

（5）（5）工艺系统振动减小。

工艺系统振动减小。

（6）（6）减少后续加工工序。

减少后续加工工序。

（7）（7）良好的技术经济效益。

良好的技术经济效益。

2.2.超高速磨削加工的优越性超高速磨削加工的优越性

（1）

（1）可以大幅度提高磨削效率。

可以大幅度提高磨削效率。

（2）

（2）磨削力小，零件加工精度高。

磨削力小，零件加工精度高。

（3）（3）可以获得低粗糙度表面。

可以获得低粗糙度表面。

（4）（4）可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化。

削加工自动化。

（5）（5）可以改善加工表面的完整性。

可以改善加工表面的完整性。

四、四、超高速切削的相关技术超高速切削的相关技术图图6-206-20超高速切削的相关技术超高速切削的相关技术1.1.超高速切削的刀具技术超高速切削的刀具技术1）1）超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料

（1）

（1）涂层刀具材料。

涂层刀具材料。

涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。

常用的刀具基体材料主要有高的切削性能。

常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。

是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。

硬硬涂涂层层刀刀具具的的涂涂层层材材料料主主要要有有氮氮化化钛钛（TiN）（TiN）、碳碳氮氮化化钛钛（TiCN）（TiCN）、氮氮化化铝铝钛钛（TiAlN）（TiAlN）、碳碳氮氮化化