高速切削技术理论与应用教学课件

高速切削技术理论与应用欢迎学习高速切削技术理论与应用课程本课程将全面介绍高速切削技术的基本原理、工艺系统、刀具技术、加工工艺以及在航空航天、模具制造和汽车制造等领域的应用通过本课程的学习，您将掌握高速切削技术的核心知识，了解其最新发展趋势，并能够将这些知识应用到实际生产中高速切削作为先进制造技术的重要组成部分，在提高加工效率、改善加工质量、降低生产成本方面具有显著优势希望本课程能够帮助您深入理解这一技术并将其灵活运用于工程实践课程内容概述基础理论第一章和第二章将介绍高速切削的基本概念、发展历程、特点以及切屑形成机理、切削力和切削热分析等基础理论知识技术系统第三章至第七章将详细讲解高速切削的工艺系统、刀具技术、加工工艺、冷却润滑技术以及监测与优化方法应用实例第八章至第十章将探讨高速切削技术在航空航天、模具制造和汽车制造等领域的具体应用案例与实践经验发展与效益第十一章和第十二章将分析高速切削技术的未来发展趋势以及经济效益评估方法第一章高速切削技术简介基本概念技术特点12高速切削是指超过传统切削速度高速切削具有切削力小、切削热范围的一种先进切削加工技术，分布合理、加工表面质量好、生它不仅仅是切削速度的提高，而产效率高等特点，已成为现代制是一种全新的加工理念与方法造业的重要技术手段应用价值3高速切削技术能有效解决硬质合金、高温合金和钛合金等难加工材料的加工问题，在航空航天、汽车制造、模具加工等领域具有广阔的应用前景高速切削的定义速度定义工艺定义高速切削通常指切削速度达到或超过从工艺角度看，高速切削是主轴转速常规切削速度5-10倍的加工过程对超过8000-10000r/min，进给速度于不同材料，其高速切削的临界速度超过60m/min的切削加工过程，这也不同，如钢材为500-需要特殊的机床、刀具和工艺系统支1000m/min，铝合金为1500-持5000m/min系统定义从系统角度看，高速切削是一种包含高速主轴、高速进给、高速控制系统和专用刀具的综合加工技术，强调整个加工系统的协调配合高速切削的发展历程起源阶段（世纪初）1201931年，德国学者萨洛蒙首次发现切削速度超过一定值后，切削温度不再上升的现象，为高速切削理论奠定了基础当时由于机床和刀具技术的限制，这一发现未能立即应用于实践理论研究阶段（世纪中期）22020世纪50-70年代，美国、前苏联等国家的科研人员对高速切削的基础理论进行了系统研究，包括切屑形成机理、切削力和切削热的分布规律等工程应用阶段（世纪末）32020世纪80-90年代，随着高速主轴、硬质合金和陶瓷刀具的发展，高速切削技术开始在航空航天和汽车制造等领域得到应用全面发展阶段（世纪）42121世纪以来，高速切削技术已发展成为一项成熟的加工技术，在多个工业领域广泛应用，并朝着超高速、复合和智能化方向发展高速切削的特点切削力特点热力特点高速切削过程中，由于切削层变形区变窄，高速切削时，切削区域温度急剧上升，但热金属软化效应明显，切削力比常规切削降低量主要通过切屑带走，工件和刀具受热较少，1230%-50%，这有利于薄壁件和精密零件的切削热影响区域缩小，热变形减小加工切屑特点表面质量特点高速切削产生的切屑通常呈细小卷曲状或颗高速切削可获得更好的表面粗糙度和表面完43粒状，切屑排出速度快，不易堆积在刀具和整性，减少了后续精加工和抛光工序的需要，工件表面，有助于提高加工质量和刀具寿命提高了零件的使用性能和寿命高速切削的应用领域航空航天模具制造汽车制造在航空航天领域，高速切削主在模具制造领域，高速切削用在汽车制造领域，高速切削广要用于加工铝合金结构件、钛于加工各类注塑模、压铸模和泛应用于发动机缸体、缸盖、合金部件和高温合金发动机零冲压模，特别是对于硬度在曲轴、连杆以及变速箱壳体等件，能显著提高生产效率，降HRC45-65的模具钢，采用高关键零部件的加工，有效提高低制造成本飞机机身蒙皮、速切削可直接达到较高的表面了汽车零部件的加工精度和生翼肋、框架等大型结构件的加质量，减少人工抛光工时产效率工尤为适用电子信息在电子信息产业，高速切削用于加工精密电子元器件、手机外壳、笔记本电脑外壳等产品，满足了电子产品小型化、轻量化和高精度的要求第二章高速切削的基本原理切削力分析研究切削力的变化规律1热力学分析2研究切削热的产生与传递切屑形成机理3研究材料在高速下的变形与断裂基础理论4塑性变形理论、摩擦学理论、热传导理论高速切削的基本原理是理解和掌握高速切削技术的核心内容本章将从材料科学、力学和热学等多学科角度，系统阐述高速切削过程中的物理现象和规律，为后续章节提供理论基础我们将重点研究切屑形成机理、切削力特性、切削热分布以及表面完整性等关键问题高速切削的切屑形成机理材料变形高速切削时，材料在极短时间内发生高速变形，变形区明显缩小，变形速率可达10^4-10^6/s材料在高应变率下表现出不同于常规切削的力学特性，变形抗力增大，但热软化效应更为明显绝热剪切在高速切削中，切削区域的温度迅速升高，但热量来不及扩散，形成局部高温区，导致材料强度急剧下降，进而发生绝热剪切现象这是高速切削区别于常规切削的重要特征切屑分离高速切削时，切屑与工件的分离过程更加复杂，可能同时存在塑性变形、绝热剪切带和微裂纹等多种机制切屑通常呈锯齿形、分段形或颗粒状，有利于切屑的排出切屑流动高速切削产生的切屑流动速度很高，可达数十米每秒，切屑与刀具前刀面的接触时间极短，减少了切屑对刀具的热负荷和磨损切屑的有效控制和排出是高速切削成功的关键因素之一高速切削的切削力分析切削速度m/min主切削力N进给力N背向力N高速切削过程中，切削力随切削速度的提高而显著降低当切削速度超过临界值后，切削力的下降趋势减缓这主要是由于高速切削时材料在高温下强度降低，塑性增强，切削区变形区缩小所致切削力的减小有利于提高加工精度，减少工件变形，延长刀具寿命但需注意的是，虽然单位切削力降低，但由于切削速度提高，刀具单位时间内完成的切削功增加，刀具磨损速率可能加快高速切削的切削热分析热源分布热量分配温度场特点高速切削中，切削热主要来源于三个区域高速切削时，大部分热量（约80-85%）通高速切削的温度场特点是温度梯度大、高温一次变形区（约占总热量的60-70%）、二过切屑带走，只有少量热量（约10-15%）传区域集中切削区温度可达800-1200℃，但次变形区（约占20-30%）和摩擦区（约占5-入工件和刀具这与常规切削明显不同，常温度场影响范围小，工件表层温度迅速下降，10%）随着切削速度的提高，一次变形区规切削中工件和刀具吸收的热量比例更大热影响区域仅限于切削表面极薄的一层热量比例上升，摩擦热比例下降高速切削中切削热的合理分配对保证加工质量至关重要了解切削热的产生、传递和分配规律，有助于优化切削参数，减少热变形，提高表面质量，延长刀具寿命高速切削的表面完整性表面形貌残余应力表面硬化层高速切削产生的表面具有独特的微观形貌特征，高速切削表面的残余应力状态与常规切削不同，高速切削导致的表面硬化层通常较薄，一般在表面粗糙度值低，微观峰谷分布均匀，切削痕通常表现为浅层压应力，有利于提高零件的疲5-20μm范围内，硬化程度适中这种薄而均迹浅而规则采用适当的切削参数，可直接获劳强度和使用寿命随着切削速度的增加，残匀的硬化层有利于零件的耐磨性，又不会导致得Ra

0.8μm的表面粗糙度，减少后续精加工余压应力的分布深度减小，但峰值可能增大表面脆性增加，是一种理想的表面状态工序表面完整性不仅影响零件的尺寸精度和表面光洁度，更影响零件的使用性能和寿命高速切削通过优化表面残余应力、表层组织和硬度分布，可显著提高零件的抗疲劳、抗腐蚀和耐磨性能第三章高速切削工艺系统高速数控系统1高响应速度和精度控制高速进给系统2高速、高刚度的运动执行高速主轴系统3高转速、高功率的动力源高速切削机床4高刚度、高精度的基础平台高速切削工艺系统是实现高速切削的硬件基础，包括机床、主轴、进给系统和数控系统等关键组成部分本章将详细介绍高速切削工艺系统的特点和要求，分析各子系统的工作原理和关键技术，帮助读者了解高速切削设备的选择和使用方法高速切削工艺系统各组成部分必须协调配合，才能充分发挥高速切削技术的优势任何一个环节的不足都可能成为制约系统性能的瓶颈，影响加工效率和质量高速切削机床的要求结构特点精度要求功能特点123高速切削机床采用整体铸造床身或复合高速切削机床要求具有高的几何精度和高速切削机床通常配备自动换刀系统、材料床身，提高结构刚度和减小振动；运动精度，直线运动精度通常优于高压冷却系统、切屑收集系统和防护系采用轻量化设计原则，减小运动部件质

0.005mm/300mm，回转轴定位精统等辅助设备，以保证高速切削的安全量，降低惯性力；优化结构拓扑，提高度优于5角秒机床需具备良好的热稳性和连续性先进的高速机床还具备实固有频率，避免共振典型高速机床的定性，采用多种温度补偿技术，减小热时监测和智能控制功能，可自动调整切第一阶固有频率通常大于100Hz变形对精度的影响削参数高速主轴技术轴承技术主轴设计陶瓷轴承，空气/磁悬浮轴承2轻量化轴身，优化结构刚度1驱动系统内置式电机，高频变频调速35密封技术冷却系统迷宫密封，气幕保护4油气润滑，水冷/油冷降温高速主轴是高速切削机床的核心部件，其性能直接决定机床的加工能力目前主流高速主轴的转速范围为15000-40000r/min，功率为15-60kW主轴设计需要平衡转速、功率、刚度和精度等多方面要求高速主轴采用内置式电机直接驱动，避免传统传动方式的效率损失和振动问题轴承通常采用陶瓷轴承或混合陶瓷轴承，具有高刚度、低摩擦和长寿命特点先进的主轴还采用多种传感器实时监测温度、振动和位移等参数，保证主轴稳定运行高速进给系统高速进给系统是实现高速切削的关键子系统，负责工作台或刀具的快速定位和运动控制高速进给系统通常包括驱动元件（伺服电机）、传动元件（丝杠或直线电机）和导向元件（直线导轨）传统的高速进给系统主要采用滚珠丝杠传动，最高进给速度可达120m/min，加速度可达1-2g新型高速进给系统多采用直线电机直接驱动，进给速度可达200m/min以上，加速度可达3-5g，但成本较高精密级直线导轨具有高刚度、高精度和低摩擦特点，能满足高速进给的平稳运行要求高速进给系统还需要配备高精度反馈装置（光栅尺或磁栅尺）和高性能控制系统，以实现高精度的位置控制和轮廓控制高速数控系统高速处理能力先进插补算法高速切削数控系统需要强大的数据处高速数控系统采用NURBS曲线插补、理能力，典型系统的插补周期≤1ms，样条插补等先进算法，使刀具轨迹更前瞻段数≥100段，最小控制单元平滑，速度变化更连续系统还具备

0.1μm先进的系统采用多核处理器智能速度规划功能，可根据轮廓特征和并行计算架构，可实时处理复杂曲自动调整进给速度，避免过冲和振动面加工指令实时补偿功能高速数控系统具备多种实时补偿功能，包括热变形补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿和摩擦力补偿等，有效提高加工精度先进系统还支持刀具磨损实时监测和自适应控制高速数控系统是高速切削的大脑，负责指令解析、轨迹规划、插补运算和伺服控制现代高速数控系统不仅具备高速运算能力，还集成了CAD/CAM功能、仿真验证功能和远程监控功能，为高速切削提供全面的软件支持第四章高速切削刀具技术刀具材料刀具几何刀具制造高速切削刀具材料需具备高硬度、高热硬性、高速切削刀具的几何参数与常规刀具不同，高速切削刀具的制造采用精密磨削、电火花高韧性和良好的耐磨性常用材料包括硬质通常采用更大的前角、更小的后角以及特殊加工和物理气相沉积PVD等先进工艺刀合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼的排屑槽设计刀具几何直接影响切削力、具的精度、表面质量和涂层性能对刀具性能CBN和聚晶金刚石PCD等不同材料适切削温度、刀具寿命和加工表面质量有重要影响现代刀具设计还采用计算机辅用于不同被加工材料和工况助优化高速切削刀具技术是高速切削实现的关键本章将详细介绍高速切削刀具的材料、几何参数、制造工艺和选用原则，帮助读者了解如何根据不同加工对象选择合适的刀具，以获得最佳加工效果高速切削刀具材料硬度HV抗弯强度MPa最高使用温度℃高速切削刀具材料是决定刀具性能的首要因素硬质合金是目前应用最广泛的高速切削刀具材料，特别是细粒度硬质合金粒度

0.5μm和超细粒度硬质合金粒度

0.2μm，兼具较高的硬度和韧性陶瓷刀具Al₂O₃、Si₃N₄具有优异的耐热性和化学稳定性，适用于铸铁和淬硬钢的高速切削CBN刀具是加工淬硬钢和高温合金的理想选择，而PCD刀具则主要用于有色金属和非金属材料的高速切削，具有极佳的耐磨性高速切削刀具几何参数前角优化后角设计排屑槽设计高速切削刀具通常采用较大的前角γ₀=10°-高速切削刀具的后角α₀=6°-12°通常小于常规高速切削刀具的排屑槽采用特殊设计，如螺旋20°，以减小切削力和变形功，提高切削效率刀具，以保证足够的刀尖强度但后角过小会角β=30°-45°大于常规刀具，以适应高速切但前角过大会降低刀尖强度，因此需要根据被增加摩擦和切削热，因此需要综合考虑强度和屑流动同时，排屑槽表面经过精细抛光处理，加工材料特性进行优化设计硬质材料加工时切削性能双后角设计可兼顾强度和切削性能减小摩擦系数，提高切屑排出效率，避免切屑前角相对较小堵塞高速切削刀具的几何参数设计需要综合考虑切削机理、刀具材料性能和被加工材料特性合理的几何参数不仅能提高切削效率和加工质量，还能延长刀具寿命，降低加工成本现代刀具设计还采用变前角、变螺旋角等复杂几何设计，以适应不同加工条件高速切削刀具涂层技术第一代涂层1TiN钛氮化物TiN涂层是最早应用的刀具涂层，具有较高的硬度约2300HV和良好的耐磨性TiN涂层呈金黄色，涂层厚度通常为2-5μm，最高使用温度约为600℃，主要用于加工碳钢和合金钢第二代涂层2TiCN钛碳氮化物TiCN涂层硬度更高约3000HV，摩擦系数更低，涂层厚度为1-4μm，呈蓝灰色TiCN涂层具有更好的韧性和抗粘结性，适用于碳钢、合金钢和不锈钢的加工，但耐热性不如TiAlN第三代涂层3TiAlN钛铝氮化物TiAlN涂层具有优异的耐热性最高使用温度可达900℃和抗氧化性，硬度约3300HV，呈深紫色在高温下TiAlN表面会形成Al₂O₃保护膜，进一步提高耐热性，特别适合高速干式切削新型纳米涂层4纳米多层复合涂层如TiAlN/TiN、AlCrN和AlTiN等，采用纳米级多层设计，结合不同涂层材料的优点这些涂层具有更高的硬度可达3500HV、更好的韧性和更长的使用寿命，是高速切削刀具的理想选择涂层技术是提高高速切削刀具性能的重要手段通过在刀具表面沉积一层或多层硬质薄膜，可显著提高刀具的耐磨性、耐热性和抗粘结性现代刀具涂层工艺主要包括物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD两大类，PVD涂层由于温度较低，不影响基体硬度，更适合精密刀具高速切削刀具的选择与应用被加工材料推荐刀具材料推荐涂层切削速度范围m/min碳钢/合金钢硬质合金TiAlN,AlCrN300-800不锈钢硬质合金TiAlN,AlTiN200-600铸铁硬质合金/陶瓷TiN,Al₂O₃500-1500淬硬钢45HRC CBN/陶瓷TiN,TiAlN150-350铝合金硬质合金/PCD DLC,金刚石1500-5000钛合金硬质合金AlTiN,TiB₂60-150高温合金硬质合金/CBN AlTiN,TiSiN50-120高速切削刀具的选择需考虑多种因素，包括被加工材料的性质、加工方式、加工效率和表面质量要求等针对不同材料，应选择适合的刀具材料和涂层类型，并设定合理的切削参数在实际应用中，还需考虑刀具的结构形式（整体式、可转位式或模块化）、冷却方式（干切、最小量润滑或内冷）以及刀具安装方式（热缩、液压或机械夹紧）等因素，以获得最佳的加工效果和经济性第五章高速切削加工工艺工艺特点工艺规划12高速切削加工工艺区别于传统切高速切削工艺规划需考虑刀具路削工艺，具有切削速度高、进给径优化、切削参数选择和加工顺速度快、单次切削量小、多次快序安排等因素合理的工艺规划速切削的特点高速切削通常采可显著提高加工效率和质量，减用多刀路、小切深的切削策略，少加工成本，延长刀具寿命以充分发挥高速切削的优势应用类型3高速切削加工工艺主要包括高速铣削、高速车削、高速钻削和高速磨削等类型，适用于不同零件和材料的加工各种加工方式有各自的工艺特点和应用范围，需要针对性地设计工艺方案本章将详细介绍各种高速切削加工工艺的特点、参数选择和应用技巧，帮助读者掌握高速切削工艺设计和实施的方法，并通过案例分析加深理解高速铣削工艺顺铣与逆铣高速铣削通常采用顺铣工艺，因为顺铣时切削厚度由大到小变化，更有利于切屑排出，减小切削热，提高表面质量但在某些特殊情况下，如加工硬化材料或刀具进入工件时，也可采用逆铣或混合铣削工艺切削参数选择高速铣削的典型参数范围切削速度500-5000m/min，进给速度5-40m/min，径向切深

0.1-

0.5倍刀具直径，轴向切深

0.2-1倍刀具直径具体参数需根据刀具材料、工件材料和设备能力综合确定刀具路径规划高速铣削的刀具路径应避免急转弯和突变，采用圆弧过渡连接，保持恒定的切削厚度常用的高速铣削刀路有螺旋下刀、等高线、等参数线和摆线等，CAM软件可根据零件特征自动生成最优刀路特殊铣削策略高速铣削中经常采用高速高进给和特洛科伊德等特殊铣削策略高速高进给铣削采用小轴向切深、大径向切深和高进给速度，特别适合开粗加工；特洛科伊德铣削则通过特殊的圆弧轨迹维持恒定的切削力，适合深腔加工高速车削工艺高速车削是指切削速度超过300m/min的车削加工工艺，适用于各类回转体零件的加工高速车削的特点是生产效率高、表面质量好、切削力小和热影响小典型的高速车削参数范围切削速度300-1200m/min，进给量

0.05-

0.25mm/r，切削深度

0.5-2mm高速车削通常采用可转位刀片，常用刀片形状有菱形（55°、80°或95°）、三角形和圆形等，刀片材料多为涂层硬质合金、陶瓷或CBN刀片几何参数通常采用大前角、小后角和大刃倾角设计，以减小切削力并提高散热性能高速车削适用于钢材、不锈钢、铸铁和有色金属等多种材料的加工，但对于钛合金和高温合金等难加工材料，需要降低切削速度并采用专用刀具高速车削在轴类零件、盘类零件和壳体类零件的加工中应用广泛高速钻削工艺高速钻头特点工艺参数冷却润滑高速钻削采用专用高速钻头，常见类型有直高速钻削的切削速度通常为100-300m/min，高速钻削对冷却润滑要求高，通常采用内冷槽钻、螺旋钻和枪钻等高速钻头通常采用进给量为

0.05-

0.2mm/r，具体参数需根据式钻头，冷却液通过钻头内部通道直接送达硬质合金或涂层硬质合金材料，具有特殊的工件材料、孔径和深度等因素确定对于深切削区，有效带走切削热并帮助排屑对于尖角设计（130°-140°）、大螺旋角（30°-孔钻削（深径比5:1），需降低切削参数并铝合金等材料，也可采用最小量润滑MQL40°）和特殊的排屑槽结构，确保高速切削时采用断屑技术，如周期性提刀或变进给钻削技术，既保证润滑效果又减少环境污染切屑能顺利排出高速钻削技术广泛应用于各类零件的孔加工，特别是航空航天和汽车零件的批量孔加工与传统钻削相比，高速钻削可显著提高加工效率，改善孔的尺寸精度和表面质量，同时延长钻头寿命现代高速钻削系统还配备智能监测功能，可自动检测钻头磨损和断裂，确保加工质量高速磨削工艺砂轮特性冷却技术工艺参数监测与控制高速磨削采用特殊设计的高速砂轮，高速磨削产生的热量大，需采用高效高速磨削的线速度通常为60-高速磨削过程需实时监测砂轮状态、材料多为CBN、金刚石或陶瓷结合冷却技术常用方法包括高压冷却200m/s，远高于常规磨削的30-磨削力和磨削温度等参数先进的高剂砂轮砂轮需具备良好的动平衡性（5-10MPa）、超高压冷却35m/s工件进给速度为10-速磨削系统配备声发射、功率和振动能，通常动平衡等级达到G

1.0或更高（10MPa）、冷空气冷却和冷冻冷60m/min，砂轮进给量为

0.01-传感器，结合智能算法实现工艺参数砂轮结构设计考虑高速旋转时的强度却等冷却液的选择和供应方式对磨

0.05mm/次参数选择需平衡效率、的自适应调整，确保加工质量和系统和散热性能，采用复合结构或加强筋削温度、表面质量和砂轮寿命有显著质量和砂轮磨损等因素，可通过试验安全设计影响或模拟优化确定第六章高速切削的冷却润滑技术干式高速切削1完全不使用冷却液最小量润滑切削2微量油雾提供必要润滑冷空气切削3压缩空气提供冷却效果传统湿式冷却4大量冷却液全面冷却润滑冷却润滑技术是高速切削中的关键技术之一，直接影响切削热的控制、刀具寿命和加工质量随着环保要求的提高和切削技术的发展，高速切削的冷却润滑技术也在不断创新，从传统的湿式冷却向干式切削、最小量润滑和冷空气切削等绿色冷却技术方向发展本章将详细介绍各种高速切削冷却润滑技术的原理、特点、适用范围和应用方法，帮助读者了解如何根据不同加工条件选择合适的冷却润滑方式，以获得最佳的加工效果干式高速切削技术原理应用条件干式高速切削是指完全不使用冷却液的干式高速切削适用于切削速度高、切削切削加工技术在高速切削条件下，大量小的加工工况，特别适合加工铸铁、部分切削热通过切屑带走，减少了冷却钢材和部分铝合金干式切削要求刀具液的必要性干式切削通过优化刀具几具有良好的耐热性和耐磨性，通常采用何、涂层和切削参数，实现高效稳定的TiAlN、AlCrN等高性能涂层刀具，并加工过程采用特殊的排屑设计优缺点分析干式切削的优点是环保无污染、降低成本、易于观察切削过程和提高工件清洁度；缺点是刀具寿命可能缩短、加工精度控制较难、仅适用于特定材料和工况在实际应用中需权衡各种因素决定是否采用干式高速切削作为一种绿色制造技术，近年来受到越来越多的关注在航空航天和汽车制造业，干式切削已成功应用于铝合金结构件、铸铁零件和部分钢制零件的加工研究表明，合理应用干式切削不仅能降低生产成本和环境影响，在某些情况下还能提高加工质量。