1、1,高速加工数控编程技术High Speed Machining Technology,2,内容提要,高速加工概述 高速加工应用 高速加工刀具技术 高速加工机床技术 高速加工路径规划高速加工数控编程,3,1. 高速加工概述,尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/min。 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同：,车削：700-7000 m/min 铣削：3
2、00-6000 m/min 钻削：200-1100 m/min 磨削：100-300 m/s,4,1. 高速加工概述,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图1）,5,1. 高速加工概述,切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。工件受力变形小，适于加工薄壁件和细长件 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件，可提高加工精度 动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工
3、或某些特种加工 环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染,6,1. 高速加工概述,1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达15004500m/min） 德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益,Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念,7,1. 高速加工概述,8,1. 高速加工概述,9,2. 高速加工应用,铝、铜合金的高速切削加工,铝、铜合金的强度和硬度相对较低，导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获
4、得好的加工表面质量。 切削铝、铜合金可选用的刀具材料有硬质合金、金刚石镀层硬质合金以及PCD等。,10,2. 高速加工应用,表2 PCD刀具切削铝、铜合金实例,11,2. 高速加工应用,铸铁与钢高速切削加工,不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。 不宜采用金刚石刀具，可以选用涂层硬质合金、陶瓷和PCBN等刀具，在超高速切削时应首选PCBN。,12,2. 高速加工应用,难加工材料的高速切削加工,钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等，采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果,软材料的高速切削加工,如橡胶、塑料、木头等，高速切
5、削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的,13,2. 高速加工应用,航空航天,大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。 镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000 m/min,图4 高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）（米克朗公司）,图5 增压器叶轮实物,14,2. 高速加工应用,图6 高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）,15,2. 高速加工应用,汽车工业,采用高速NC机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产,16,2. 高速加工应用,模具制造,采用高速铣削代替传统电火花成形加工，效
6、率提高3-5倍,17,2. 高速加工应用,对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。,仪器仪表,精密光学零件高速加工,18,2. 高速加工应用,干切系指不使用冷却液的切削技术 准干切则指使用最少量冷却液的切削技术 目前准干切多指“最小量润滑技术” （Minimal Quantity LubricationMQL），此法将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，进行有效润滑，可大大减小刀具工件及刀具切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、避免粘接、提高加工表面质量的作用 准干切因使用润滑液量很小（一般
7、为0.030.2L/h，仅为湿切冷却液用量的几万分之一），不会产生污染,基本概念,19,2. 高速加工应用,机床：用于干切的机床需具有良好的防尘和排屑装置 刀具：断屑和传热，必要时能实现局部冷却工件材料及其与刀具材料的匹配 加工工艺：,关键技术,“红月牙”技术用PCBN刀具高速切削铸铁，将切削热推向工件，形成赤热，进行干切 高速切削铝合金，切屑与刀具前刀面接触处产生局部熔化，形成一层液态薄膜，使切屑容易剥离，并避免了积屑瘤 激光辅助切削Si3C4，使工件材料局部软化，实现干切,20,3. 高速加工刀具技术,21,3. 高速加工刀具技术,22,3. 高速加工刀具技术,23,3. 高速加工刀具技术
8、,金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,24,3. 高速加工刀具技术,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。 天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。 天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。 天然金刚石耐热性为700-800，高于此温
9、度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,25,3. 高速加工刀具技术,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。 在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。 聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000 。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。 用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。 金刚石刀具不适于
10、加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,26,3. 高速加工刀具技术,聚晶金刚石应用实例,27,3. 高速加工刀具技术,聚晶立方氮化硼（PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride）,较高硬度和耐磨性： CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。,PCBN切削性能,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图13）,28,3
11、. 高速加工刀具技术,良好的化学稳定性： 1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料 良好的导热性： CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。 较低的摩擦系数： CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,29,3. 高速加工刀具技术,加工
12、HRC45以上的硬质材料： 如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。,PCBN刀具应用,金属软化效应 切削淬硬钢，当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图15），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,30,3. 高速加工刀具技术,PCBN刀具应用实例,31,3. 高速加工刀具技术,典型高速回转刀具可分为整体式和机夹式两类，小直径铣刀一般采用整体制造，大直径刀具常用机夹式。 高转速的切削对刀具直径公差和刀具动平衡要求很
13、高，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时直接装夹即可；而机夹式更换刀片或者刀片换位后需要进行动平衡才能继续使用，所以高速切削更常用整体式刀具。 高速回转刀具结构设计应力求简单，确保安全，刀齿尽量采用短切削刃、经过优化设计的几何角度，并有良好的断屑能力。,32,3. 高速加工刀具技术,整体式铣刀,机夹式铣刀,33,3. 高速加工刀具技术,传统镗铣加工通常使用7:24锥柄接口。这种接口主轴端面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和连接刚度下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速换刀和机床的小型化。 目前高速加工多采用HSK（德国阿亨大
14、学机床研究所开发）接口标准。HSK是专门为高转速机床开发的新型刀机接口，并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等 6 种形式。 HSK是一种小锥度（1:10）的空心短锥柄，使用时端面和锥面同时接触（过定位），从而形成高的接触刚性。,34,3. 高速加工刀具技术,35,3. 高速加工刀具技术,36,3. 高速加工刀具技术,37,4. 高速加工机床技术,38,Modern 2412立式加工中心（美国）,4. 高速加工机床技术,39,DMU60T5轴高速加工中心（德国）,4. 高速加工机床技术,40,东芝高速立式加工中心（日本）,4. 高速加工机床技术,41,陶瓷轴承高速
15、主轴,4. 高速机床技术,采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似 采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4,采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； 轴承转速特征值（= 轴径（mm）转速（r/min）较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.51106。,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力 弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度 陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长,42,4. 高速加工机床技术,液体（气体）静压轴承,回转精度高 液体静压轴承回转误差在0.2m以下，空气静压轴承回转误差在0.05m以下；
16、功率损失小； 转速特征值： 液体静压轴承转速特征值可达1106，空气静压轴承转速特征值可达3106 。 空气静压轴承承载能力较小。,43,4. 高速加工机床技术,电磁铁绕组通过电流，对转子产生吸力，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图19）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，并将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功率放大器变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。,磁浮轴承高速主轴,位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。 控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。,44,
17、4. 高速加工机床技术,磁浮轴承主轴结构,45,4. 高速加工机床技术,磁浮轴承主轴特点,主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。 转速特征值可达4106。 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。,46,4. 高速加工机床技术,自检测磁浮轴承系统,为检测转子位移，需使用位移传感器，使轴承系统轴向尺寸加大，动态性能下降，制造成本增高。由此提出利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。 工作原理：转子发生位移时，电磁铁线圈的
18、自感应系数也要发生变化，即电磁铁线圈的自感应系数是转子位移 x 的函数，相应的电磁铁线圈的端电压（或电流）也是位移 x 的函数。将电磁铁线圈的端电压（或电流）检测出来并作为系统闭环控制的反馈信号，通过控制器调节转子位移，使其工作在平衡位置上（图21）。,47,4. 高速加工机床技术,从电磁铁中提取PWM载波电压中包含转子位移信息，经全波整流后，由低通滤波器变为转子低频位移信号,PID将此信号转变为控制信号，经功放后控制电磁铁，形成闭环控制,48,4. 高速加工机床技术,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
19、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。,49,4. 高速加工机床技术,50,4. 高速加工机床技术,高速机床CNC系统高的进给速率要求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。 高速机床床身、立柱和工作台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。 高速机床切屑处理和冷却系统通常采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切
20、屑的工作。 高速机床安全装置要有足够大的密封工作空间，刀具破损时的安全防护，灵活的控制系统。,51,4. 高速加工机床技术,五轴高速加工中心,强制冷却风管,52,5. 高速加工路径规划,转角处理 刀具轨迹间的圆滑连接 顺直切削路径 轨迹排布优化 尖角处提前减速 ,平缓切入切出，路径间的平滑连接 确保切削负载、金属去除率恒定，精加工余量均匀 减少刀具换向、跳转 安全性（无过载、无干涉）,53,5. 高速加工路径规划,转角处理,由于机床数控系统响应特性、机床硬件动态特性及传动系统间隙等诸多因素影响，刀具高速运动到转角处可能发生前冲和振颤，越过工件实际轮廓，导致轨迹畸变。,54,5. 高速加工路径规
21、划,对策：,工件外轮廓转角处刀具运动路径采用圆滑过渡（图23）,修改产品模型，直线转角轮廓改为圆角过渡 采用小直径铣刀（图24）,55,5. 高速加工路径规划,图25 轨迹顺直微调（赛车线加工）与回转（摆线）加工,轨迹顺直微调与回转加工（避免尖角处载荷突变）,56,5. 高速加工路径规划,刀具轨迹圆滑连接,直线移刀改为圆弧曲线移刀,采用回转环切路径,57,5. 高速加工路径规划,在不同的 Z 向高度上连接移刀,图28 在不同的 Z 向高度上连接移刀,58,5. 高速加工路径规划,刀具轨迹合理排布,59,5. 高速加工路径规划,平行行切,Z向等高,组合优化,图30 铝合金凸形旋钮路径规划,60,5. 高速加工路径规划,切入与切出,点钻式切入（类似于钻孔的固定循环 ） 斜线及之字形切入 水平轮廓切向切入切出 曲面切向切入切出（图31）,图31 曲面切向的切入与切出,图32 刀具螺旋切入工件,螺旋式切入（图32）,61,5. 高速加工路径规划,转角处提前减速,图33 CATIA加工转角减速参数设定界面,
