先进制造技术-41高速加工

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1、1高速铣削(HSM/HSC)技术HighSpeedMachine/Cutting山东理工大学机械电子工程系袁光明21问题的提出2综合性高技术体系3发展的结果4加工策略与特点5CAM技术支持保持刀具载荷的恒定减少速率损失6加工实例主要内容：3就是以更快的速度运行已有的程序？高速铣削是一种不同的、更好的加工复杂零件的方法！什么是高速铣削（HSM）？超高速加工是指被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，使得切削力、温度、磨损明显优于传统切削速度。铝合金>1600m/min，钛合金>150-1000m/min车削700-7000m/min，铣削300-600m/min4超

2、高速切削技术切削速度为常规高10倍左右进给速度提高20倍切削机理发生了根本的变化单位功率的金属切除率提高了30~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低（2～3%），切削振动几乎消失5问题的提出从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1S，快速空程速度已提高到30～50m/min。再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，且对提高机床的生产率意义也不大，矛盾的

3、主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低切削工时（即提高切削速度和进给速度等），才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近20年来超高速切削技术得以迅速发展的历史背景。6图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，1970～1980年，由于加工中心的大发展，零件加工的辅助工时迅速下降；80年代以来，由于高速切削技术的推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。在整个90年代，随着超高速切削技术的飞速进步，这个趋势将继续发展下去。7超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线超高速切削理论研究可追溯到1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙CarlSalomon发表的著

4、名的超高速切削理论，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。不同工件材料的萨洛蒙曲线8超高速切削概念的产生可用下图示意萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值vc以后，切削速度再增大，切削温度反而降低。并指出vc之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内（B区），由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范围在美国被称之为“死谷”（deadvalley）。9实验研究由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限。但是，他的思想给后来的研究者一

5、个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C区)进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验采用了将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变。单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降。10实验研究这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，

6、目前这项理论研究工作还在进一步深入。11超高速切削的应用研究在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的工作。1977年在一台带有高频电主轴的加工中心上进行超高速切削试验。其主轴转速可在1800～18000r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为76m/min。试验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增加了2～3倍，主切削力减小了70％，而加工的表面质量明显提高。美国12超高速切削的应用研究受萨洛蒙理论的启发，美国空军和Lockheed飞机公司首先研究了用于轻合金材料的超高速铣削。1979年美国防卫高技术研究总署（DARPA）发起了一项“先进加工研究计划”

7、（AdvancedMachiningResearchProgram），研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高。刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，并确定铝合金的最佳切削速度范围是1560～4500m/min。13在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。1984年该部拨款1160万马克，组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）为首的