先进制造技术-高速切削加工技术教学资料.ppt

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1、先进制造技术先进制造技术-高速切削高速切削加工技术加工技术高速切削的概念和基本原理高速切削的概念和基本原理 高速切削技术，是以比常规高数倍的切削速度对零件进高速切削技术，是以比常规高数倍的切削速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。高速切削理论是行切削加工的一项先进制造技术。高速切削理论是1931年年4月德国物理学家月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。提出的。1931年德国物理学家年德国物理学家C.J.Salomom在在“高速切削原理高速切削原理”一文中给出了著名的一文中给出了著名的“Salomom曲线曲线”对应于一对应于一定的工件材料存在一个定的工件材料存在一个临界切削速度临

2、界切削速度，此点切削温度最，此点切削温度最高，超过该临界值，高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降切削速度增加，切削温度反而下降。Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了并由此产生了“高速切削（高速切削（HSC）”的概念的概念。他指出，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速他指出，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关

3、。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为即切削加工不可能进行，称该区为“死谷死谷”。Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金85016001200800400切削温度/切削适应区非铁金属高速加工定义高速加工定义尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料尚无统一

4、定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度切削速度和进给速度，来提，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。技术。以切削速度和进给速度界定：以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的进给速度为普通切削的510倍倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000r/min高高速速切切削削是是个个相相对对的的概概念念，是是相相对对常常规规切切削削而而言言。高高速速切切削削包包括括高高速速软软切切削削、高高

5、速速硬硬切切削削、高高速速干干切切削削和和大大进进给给切切削削等等。超超高高速速加加工工的的切切削削速速度度范范围围因因不不同同的的刀刀具具材材料料、工工件件材材料料和和切切削削方方式式而而异异，目目前前，高高速速切切削的高速范围国内外专家尚无共识。削的高速范围国内外专家尚无共识。虽虽然然由由于于实实验验条条件件的的限限制制，当当时时无无法法付付诸诸实实践践，但但这这个个思思想想给给后后人人一一个个非非常常重重要要的的启启示示，即即如如能能越越过过这这个个“死死谷谷”，在在高高速速区区工工作作，有有可可能能用用现现有有刀刀具具材材料料进进行行高高速速切切削削，切切削削温温度度与与常常规规切切削

6、削基基本本相相同同，从而可大幅度提高生产效率。从而可大幅度提高生产效率。高速加工各种材料的切削速度范围为：高速加工各种材料的切削速度范围为：钢和铸铁及其合金钢和铸铁及其合金500-1500m/min铸铁铸铁最高达最高达2000m/min钻削钻削100200m/min，攻丝攻丝100m/min淬硬钢淬硬钢(3565HRC)100-400m/min铝及其合金铝及其合金达到达到2000-4000m/min，最高达最高达7500m/min耐热合金耐热合金达达90-500m/min；钛合金钛合金达达150-1000m/min高速与超高速切削速度范围10100100010000切削速度V（m/min）塑料

7、铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金高速加工的切削速度范围高速加工的切削速度范围高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同车削：700-7000m/min铣削：300-6000m/min钻削：200-1100m/min磨削：50-300m/s自自从从Salomon提提出出高高速速切切削削的的概概念念以以来来，高高速速切切削削技技术术的的发发展展经经历历了了高高速速切切削削理理论论的的探探索索、应应用用探探索索、初初步应用和较成熟应用步应用和较成熟应用等四个阶段。等四个阶段。现现已

8、已在在生生产产中中得得到到了了一一定定的的推推广广应应用用。特特别别是是20世世纪纪80年年代代以以来来，各各工工业业发发达达国国家家投投入入了了大大量量的的人人力力和和物物力力，研研究究开开发发了了高高速速切切削削设设备备及及相相关关技技术术，20世世纪纪90年年代代以以来来发发展展更更迅迅速速。美美、德德、法法等等国国处处于于领领先先地地位位，英、日、瑞士等国亦追踪而上英、日、瑞士等国亦追踪而上高高速速切切削削已已成成为为当当今今制制造造业业中中一一项项快快速速发发展展的的新新技技术术，在在工工业业发发达达国国家家，高高速速切切削削正正成成为一种为一种新的切削加工理念新的切削加工理念。人人

9、们们逐逐渐渐认认识识到到高高速速切切削削是是提提高高加加工工效效率率的的关键技术。关键技术。高速切削的特点高速切削的特点 随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，切削效率提高35倍。加工成本可降低20-40。在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上，减少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，切削热大部分被切屑带走，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，传给工件的热量大幅度减少，工件整体温升较低，工件的热变形相对较小。因此，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提

10、高加工精度，适合于热敏感材料的加工。高速切削的特点高速切削的特点 转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高12等级。高速切削可加工硬度HRC4565的淬硬钢铁件，如高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。航空航天：带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/min汽车工业：采用高速数控机床和高速加工中心

11、组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产。模具制造：高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍仪器仪表：精密光学零件加工。高速加工的应用高速加工的应用高速切削的应用领域高速切削的应用领域 由于高速切削加工具有高生产效率，减少切削力，提高加工精度和表面质量，降低生产成本并且可加工高硬材料等许多优点，已在汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广泛应用。使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势，取得了重大的经济效益。对提高切削加工技术的水平，推动机械制造技术的进步也具有深远的意义。表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心

12、1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）b）高速模具加工的过程两种模具加工过程比较1硬化毛坯2粗铣3半精铣4精铣5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯2粗铣3半精铣4热处理5电火花加工6精铣7手工磨修电极制造采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值/mm加工时间 100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修对于复杂型面模具，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。高速切削加工的工件材料包括钢、铸铁、有色

13、金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的加工，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工，甚至传统切削很难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等在高速切削条件下将变得易于切削。高速切削可加工的工件材料高速切削可加工的工件材料目前高速切削工艺主要在车削和铣削，各类高速切削机床的发展将使高速切削工艺范围进一步扩大，从粗加工到精加工，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、磨削等。随着市场竞争的进一步加剧，世界各国的制造业都将更加积极地应用高速切削技术完成高效高精度生产。高速切削的加工工艺方法高速切削的加工工艺方法高速切削加工在国内的研

14、究与应用高速切削加工在国内的研究与应用我国高速切削加工技术研究起步较晚，20世纪80年代初期，我们切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削（车和端铣）的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等，工件材料包括45#钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗炭淬硬齿轮钢等，淬硬HRC50-65，切削速度为100-500m/min，建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。高速切削加工在国内的研究与应用高速切削加工在国内的研究与应用高速切削加工在国内的研究与应用高速切削加工在国内的研究与应用20世纪

15、90年代后，我们先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命与切削力沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金高速钻削和铣削数据库等。广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统东北大学研究了高速磨削技术成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化等尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面

16、深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能力但金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、品种与国外差距很大。高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。几乎所有国际知名的工具厂商都在国内设立了或独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)和涂层刀具以及刀柄系

17、统80以上由它们提供。目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材料(包括涂层材料、涂层技术)、刀具制造工艺技术、刀具安全技术等还处于初步阶段，要努力建立我国自己的“高效率、高精度、高可靠性与专用化”刀具研究开发和产业体系。我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。采用PCBN、Si3N4基陶瓷、金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件，铣

18、削速度达2200m/min；采用PCD、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件，铣削速度为2200m/min，钻、铰削速度达80240m/min；采用Si3N4基陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件，车削速度达200m/min。近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造行业引进了大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术，其中模具行业应用较多。例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精铣采用主轴转速18000rpm，切削深度2mm，进给速度5m/min；精铣采用20000rpm，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工周期为6h，质量完全满足客户要求。高速切

19、削加工研究体系及关键技术高速切削加工研究体系及关键技术 高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：高速加工刀具与磨具制造技术；高速主轴单元制造技术；高速进给单元制造技术；高速加工在线检测与控制技术；其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术 高速主轴系统高速主轴系统 高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经

20、有转速高达100000-150000rpm的加工中心。高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：(1)要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监测系统。高速主轴系统高速主轴系统 高速主轴为满足上述性能要求，结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构，减少传动部件，具有更高的可靠性。高速主轴要求在极短时间内实现升降速。

21、为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。目前高速主轴主要采用：陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承等。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用，高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。快速进给系统快速进给系统高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。目前切削进给速度一般为3060m/min，最高达120m/min，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床

22、导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。高速加工机床必须实现快速的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求，主要采用了如下措施：(1)采用新型直线滚动导轨，直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，其摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右。而且，使用直线滚动导轨后，“爬行”现象可大大降低；(2)高速进给机构采用的是小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度.快速进给系统快速进给系统(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，使伺服系统与CNC系统在A/D一D/A转换中不会有丢失或延迟现象。高速切

23、削机床正开始采用全数字交流伺服电机和控制技术，保证了快进给速度的加工要求。(4)为了尽量减轻工作台重量但又不损失工作台的刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料。(5)为提高进给速度，更先进、更高速的直线电机已经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减速特性，加速度可达2g，进给速度为传统的45倍，采用直线电机驱动，具有单位面积推力大、可产生高速运动以及机械结构不需维护等明显优点。高速切削对刀具材料的要求高速切削对刀具材料的要求高可靠性：高速切削时速度和自动化程度高，要求刀具应具有很高的可靠性。并要求刀具的寿命高，

24、质量一致性好，切削刃的重复精度高。如果刀具可靠性差，将会增加换刀时间，降低生产率。刀具可靠性差还将产生废品，损坏机床与设备，甚至造成人员伤亡。解决刀具可靠性问题，成为高速切削加工成功应用的关键技术之一。在选择高速切削刀具时，除需要考虑刀具材料的可靠性外，还应考虑刀具的结构和夹固的可靠性。高的耐热性、抗热冲击性能和良好的高温力学性能。切削速度的增大，往往会导致切削温度的急剧升高。因此，要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如：高温强度、高温硬度、高温韧性等。同时，还要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强。刀具应具有很好的断屑、卷屑和排屑性能。切削塑性材料时切屑的折断与卷曲，常常

25、是决定数控加工能否正常进行的重要因素。因此，刀具必须具有很好的断屑、卷屑和排屑性能。要求切屑不能缠绕在刀具或工件上、切屑不影响工件的已加工表面、不妨碍冷却浇注效果。一般都采取了一定的断屑措施(如：可靠的断屑槽型、断屑台和断屑器等)，以便可靠的断屑或卷屑。刀具材料应能适应难加工材料和新型材料加工的需要：随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多的被采用。它们中多数属于难加工材料，目前难加工材料已占工件的40以上。因此，高速切削加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。同时，由于可持续发展的要求，还要求高速切削时不污染环境。高速切

26、削刀具材料高速切削刀具材料刀具材料对高速切削加工技术的发展具有决定性意义。目前已发展的刀具材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、TiCN基硬质合金刀具（金属陶瓷）、涂层刀具和和超细硬质合金刀具等。金刚石刀具主要用于高速加工铝、铜及其合金等有色金属和非金属材料以及钛和钛合金。立方氮化硼和陶瓷刀具主要适于高速加工铸铁及其合金和淬硬钢以及镍基合金等高温合金。陶瓷刀具、TiCN基硬质合金刀具和涂层刀具等适于高速加工钢及其合金。超细晶粒硬质合金适于小尺寸整体刀具，高速加工孔、攻丝和齿轮，也可以较高速度加工钛及其合金和高温合金等超级合金。高速切削刀具结构高速切削刀具结构高速切削刀具结构主要有整体和锒齿

27、两类。锒齿刀具主要采用机夹结构。高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体重量尽量轻以减少离心力，如铝合金刀体的金刚石面铣刀。高速回转刀具必须进行动平衡，以满足平衡品质的要求。高速切削刀具结构高速切削刀具结构高速切削加工刀具结构特点高速切削加工刀具结构特点高速切削对刀具系统的要求高速回转刀具的结构特点7:24锥度的工具系统高速切削旋转刀具的刀柄结构HSK系统高速切削对刀具系统的要求高速切削对刀具系统的要求刀柄是高速切削加工的一个关键部件，它传递机床的动力和精度。刀柄一端是机床主轴，另一

28、端是刀具。高速切削加工时既要保证加工精度，又要保证高的生产率，还要保证安全可靠。所以，高速切削刀具系统必须满足下列要求：(1)很高的几何精度和装夹重复精度，(2)很高的装夹刚度，(3)高速运转时安全可靠。高速回转刀具的结构特点高速回转刀具的结构特点刀体材料刀体材料：为了减轻所承受的离心力的作用，刀体材料的设为了减轻所承受的离心力的作用，刀体材料的设计应减轻质量，选用比重小、强度高的刀体材料。如高强度计应减轻质量，选用比重小、强度高的刀体材料。如高强度铝合金刀体，碳素纤维增强塑料刀杆。铝合金刀体，碳素纤维增强塑料刀杆。刀体结构：刀体结构：刀体结构应尽量避免贯通式刀槽，减少尖角，防刀体结构应尽量避

29、免贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中，尽量减少机夹零件的数量。刀体的结构应对称止应力集中，尽量减少机夹零件的数量。刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过刀具轴线。刀片和刀座的夹紧、调整于回转轴，使重心通过刀具轴线。刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。高速回转刀具的结构特点高速回转刀具的结构特点刀具(片)的夹紧方式：要求刀体结构和刀片夹紧结构可靠。刀体与刀片之间的连接配合要封闭，刀片夹紧机构要有足够的夹紧力。可转位刀片应有中心螺钉孔，保证刀具精确定位和高速旋轴时的可靠。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致。刀具的动平衡

30、：用于高速切削的回转刀具必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940/1规定的平衡质量等级。加工中心主轴与刀具的连接大多采用7:24锥度的单面夹紧刀柄系统，ISO、CAT、DIN、BT等都属此类。刚性不足：不能实现与主轴端面和内锥面同时定位。当拉力增大4-8倍时，联结的刚度可提高20-50，但是，过大的拉力在频繁换刀过程中会加速主轴内孔的磨损。高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大。因此，要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴端的膨胀。ATC(自动换刀)的重复精度不稳定：每次自动换刀后刀具的径向尺寸可能发生变

31、化。高速切削刀柄系统高速切削刀柄系统 轴向尺寸不稳定：主轴高速转动时因受离心力的作用内孔会增大，使刀具轴向尺寸发生变化，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变。刀柄锥度较大，锥柄较长，不利于快速换刀及机床小型化。主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。标准的7:24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70以上接触，因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具径向跳动，影响结构的动平衡。7:24锥度的工具系统锥度的工具系统(如：如：BT、ISO等等)7:24锥度的工具系统锥度的工具系统(如：如：BT、ISO等等)高速切削刀柄系统高速切削刀柄系统

32、 针对这些问题，为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应高速切削加工技术发展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄主要有两大类：一类是对现有7:24锥度刀柄进行的改进性设计，如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系统；另一类是采用新思路设计的1:10中空短锥刀柄系统，有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。高速切削旋转刀具的刀柄结构HSK系统HSK刀柄采用1:10的锥度，它以其端面及1:10锥度的空心锥套作双重定位，与7:24锥柄相比有如下优点：(1)重量减少约50；(2)重复使用时装夹和定位精度高；(3)刚度高，并可传递

33、大的力矩；(4)装夹力随转速升高而增大。HSK型刀柄的结构形式刀柄类型HSKBT结合部位销面端面锥度夹紧力传递方式简夹简夹刀具HSK-63BBT40基径38mm44.5mm柄部形式空心柄实心柄牵引力3.5KN12.1KN夹紧力10.5KN12.1KN过盈量3-10m锥度1:107:24HSK和和BT刀柄的结构特点刀柄的结构特点高速切削加工的安全防护与实时监控系统高速切削加工的安全防护与实时监控系统 高速切削加工的速度相当高，当主轴转速达40000rpm时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就象出膛的子弹。因此，对高速切削加工引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲，高速切削加工的安全保障包括以下诸方

34、面：机床操作者及机床周围现场人员的安全保障；避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤；识别和避免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面，机床设有安全保护墙和门窗。刀片，特别是抗弯强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由离心力作用下产生飞离倾向的保证外，还要作极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测以控制刀具磨损，机床功率监测亦可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监测以判别切削参数与进给系统间关系；刀具破损监测；主轴轴承状况监测；电器控制系统过程稳定性监测等。高速切削刀具材料的合理选择高速切削刀具材料的合理选择高速切

35、削刀具有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、TiC(N)基硬质合金、超细晶粒硬质合金等。高速加工用刀具材料必须根据所加工的工件和加工性质来选择，除需要满足技术要求外，还应满足经济性的要求。每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料和一定的切削速度范围，所谓万能刀具是不存在的。每一品种的刀具材料都有其最佳加工对象，也即：存在切削刀具材料与加工对象的合理匹配问题。CBN和陶瓷刀具能胜任淬硬钢(HRC45-65)、轴承钢(HRC60-62)、高速钢(HRC62)、工具钢(HRC57-60)和冷硬铸铁等的高速精车加工，可实现以车代磨；低硬度的高速钢刀具不能用来加工淬硬

36、钢和冷硬铸铁等高硬度材料。刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好硬质合金中含钴量增多，其强度和韧性增加，硬度降低，适合于粗加工；含钴量减少时，其硬度及耐磨性增加，适合于精加工。但普通硬质合金刀具只适合于在较低的切削速度范围内(100-200m/min)切削加工。切削刀具与加工对象的物理性能匹配问题主要是指刀具与工件材料的熔点、弹性模量、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等物理性能参数要相匹配。耐热温度：PCD700-800、PCBN1200-1500、陶瓷1100-1200、TiC(N)合金900-1100、WC超细晶粒合金为800-900导热系数：PCDPCBNWC合金TiC(N)合金HSSSi

37、3N4Al2O3热胀系数：HSSWC基合金TiC(N)Al2O3PCBNSi3N4PCD抗热震性：HSSWC合金Si3N4PCBNPCDTiC(N)合金Al2O3加工导热性差的工件时，应采用导热较好的刀具材料，以使切削热得以迅速传出而降低切削温度。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故刀具切削部分温度低。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形。CBN导热性高于高速钢和硬质合金。CBN刀具的导热系数随切削温度的提高逐渐增加，可导致刀尖处切削温度的降低。PCBN的耐热性可达到1200-1500，

38、比金刚石的耐热性(700-800)几乎高一倍。高速切削加工时切削温度高，其刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能。高速干切削、高速硬切削和高速加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具材料的耐热性，要求刀具材料的熔点高、导热性好、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性强。切削刀具材料与加工对象的化学性能匹配问题主要是指刀具材料与工件材料化学亲和性、化学反应、扩散和溶解等化学性能参数要相匹配。抗粘结温度高低(与钢)为：PCBN陶瓷硬质合金HSS。抗粘结温度高低(与镍基合金)：陶瓷PCBN硬质合金金刚石HSS抗氧化温度高低为：陶瓷PCBN硬质合金金刚石HSS。扩散强度大小(对钢铁)为：金刚石Si3N4PCBNA

39、l2O3。扩散强度大小(对钛)为：Al2O3PCBNSiCSi3N4金刚石。刀具材料元素在钢(未淬硬)中溶解度的大小顺序为(在1027)：SiCSi3N4WC基合金PCBNTiNTiCAl2O3ZrO2高速切削刀具材料的合理选择高速切削刀具材料的合理选择刀刀具具高硬高硬钢钢耐热耐热合金合金钛合金钛合金高温高温合金合金铸铁铸铁纯钢纯钢高硅高硅铝合金铝合金FRP复材料复材料PCDPCBN陶瓷刀具陶瓷刀具涂层硬涂层硬质合金质合金TiC(N)基合金基合金金刚石刀具的选用金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。天然金刚石刀具是目

40、前超精密切削加工领域中最主要的刀具。金刚石刀具有车刀、铣刀和镗刀等品种。80以上的PCD刀具用于加工汽车和摩托车行业发动机铝合金活塞，这些件材料含硅量较高(12%以上)。金刚石刀具可在V2000-5000m/min、f10-40m/min条件下加工纤维增强塑料。PCD粒径为10-25m的PCD刀具适合于加工Si含量大于12的铝合金(V=300-1500m/min)及硬质合金；PCD粒径为8-9m的PCD刀具适合于加工Si含量小于12的铝合金(V=500-3500m/min)及通用非金属材料；PCD粒径为4-5m的PCD刀具适合于切削加工FRP、木材或纯铝等材料。金刚石的热稳定性比较差，切削温度

41、达到800时，就会失去其硬度，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料。立方氮化硼刀具的选用立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢(HRC45-65)、轴承钢(HRC60-62)、高速钢(HRC62)、工具钢(HRC57-60)、冷硬铸铁的高速半精车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。目前已有多个品种不同CBN含量的PCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等。被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性，是实现以车代磨的最佳刀具之一。立方氮化硼刀具的选用CBN含量越高，PCBN的硬度和耐磨性就越高。CBN颗粒颗粒尺寸越大，其抗机械磨损能力越强，而抗破损能力减弱。金属作为结

42、合相时，PCBN具有较好的韧性；以陶瓷作为结合相时，PCBN具有较好的耐热性。CBN含量含量刀片用途刀片用途50%连续切削淬硬钢连续切削淬硬钢(HRC45-65)65%半断续切削淬硬钢半断续切削淬硬钢(HRC45-65)80%加工镍铬铸铁加工镍铬铸铁90%连续重载切削淬硬钢连续重载切削淬硬钢(HRC45-65)80-90%高速切削铸铁高速切削铸铁(V500-1300mm/min)精和半精切削淬硬钢精和半精切削淬硬钢陶瓷刀具的选用陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁(包括：灰口铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、高强铸铁和硬镍铸铁等)、钢件(包括：轴承钢、超高强钢、高锰钢、淬硬钢、合金钢和耐热钢等)、热喷涂喷焊材

43、料、镍基高温合金(包括：纯镍、镍喷涂与镍焊材料和含镍高比重材料等)。Al2O3基陶瓷刀具应适用范围最广，可用于对钢、铸铁及其合金的高速切削加工。但Al2O3基陶瓷刀具在加工铝及其铝合金时存在较大的亲和力，Al2O3/TiC和Al2O3/(W,Ti)C等陶瓷刀具中含有铝及钛元素，加工钛和钛合金以及铝和铝合金时也存在较大的亲和力。Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热震性高于Al2O3基陶瓷刀具，适于断续加工铸铁及铸铁合金。SiC晶须增韧陶瓷刀具在加工镍基合金时表现出优良的切削性能，但加工钢时因Fe容易与SiC发生反应而使刀具材料急剧磨损。晶须增韧陶瓷刀具的耐磨性能与晶须的取向有关。当刀具以后刀面磨损为主时，应选用=90表面作为刀具后刀面；当刀具以前刀面磨损为主时，应选用=90表面作为刀具前刀面。当刀具前后刀面同时存在较大的磨损时，应选用=45表面作为刀具前(或后)刀面，以提高刀具的抗磨损能力。Al2O3/ZrO2陶瓷刀具的室温性能优良，但Al2O3/ZrO2陶瓷刀具只适合于在切削速度较低范围内进行切削加工，因为在高温下(当温度超过1170时)ZrO2的增韧效果会显著减小。