2.1 超高速加工技术概述（教案）《现代制造技术基础》同步精品课堂（苏教版·凤凰职教）

《现代制造技术基础》教案 课 题 模块2 超高速加工技术 单元1 超高速加工技术概述 课 型 课 时 2 授课班级 授课时间 90 授课教师 教材分析 所选教材《现代制造技术基础》是职业学校机械专业新方案新课标创新实验教材，是江苏凤凰职业教育图书有限公司在江苏省教育科学研究院指导下，依据江苏省职业学校“学标、贯标、用标”的需要开发的。教材内容结合职业院校机械类学生应掌握的现代制造技术基本知识，紧扣新时代脉搏，充分挖掘思政元素，将立德树人根本任务贯穿于教材通篇，并与江苏省中职加工制造类专业技能教学标准及学业水平考试技能考纲相关联，突出知识传授与技能培养，将现代先进制造技术的基本知识与职业素养有机融入设置教学模块和单元，具体包含现代制造技术的发展、超高速加工技术、多轴加工技术、特种加工技术、增材制造技术、智能制造系统、其他先进制造技术、现代制造装备安全生产与电气基础认知8个模块。教学模块与教学单元根据学生认知规律和职业成长规律、现代制造技术的发展与分类进行设置，从而使教学内容合理序化，非常适合职业学校机械类专业使用。 学情分析 本课程主要面向中等职业教育，以培养技术技能人才为主要目标。而中等职业学校的学生普遍具有学习基础较为薄弱、缺乏学习自信心以及自控能力、自学能力较差，但动手能力较强等特点，一定程度上增加了课程教学的难度，应根据学情，以学生感兴趣的内容为切入点，选择合适的教学方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性。 学习目标 知识目标：了解超高速加工技术的发展与现状，超高速切削刀具常用材料的应用范围；熟悉超高速切削设备；掌握超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构。 能力目标：能够区分超高速切削刀具的材料、结构等不同，并根据实际需求选择合适的刀具，运用所学超高速加工技术的特点及其关键技术分析解决实际问题。 情感目标：通过本节知识体会科学探索的重要性，培养学生不断创新的学习精神和勇攀高峰的科学精神。 学习重难点 重点：超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构。 难点：超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构。 教学方法 讲授法、启发式教学法、合作探究教学法、案例分析法等。 课前准备 教师准备：了解学情、创设情境，明确学习任务。 学生准备：确定分组、思考讨论，完成课前预习任务。 教学媒体 纸质版教学媒体：教材、配套习题 数字化教学媒体：多媒体，中国大学MOOC（慕课）等教学网站 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 创设情境 生成问题 观看视频： 高速切割 根据视频内容，分组讨论如此坚硬的金属加工是如何实现的？并给每组发放一张白纸，在2分钟的时间内各组结合视频，分别写下关于超高速加工的3~5个词语。 观看视频，结合视频内容设置讨论任务 1.学生分组讨论，完成任务 2.小组代表发言（抢答形式，小组积分） 1.组织学生分组讨论学习，培养学生团队合作意识和沟通交流习惯。 2.积分制激发学生对本章内容学习的兴趣，调动学生的积极性。 活动二： 调动思维 探究新知 一、超高速加工技术的概念 (一)超高速加工技术的概念 超高速加工技术(Ultra-High Speed Machining，UHSM)是指采用超硬材料的刀具，磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。其显著标志是使被加工塑性金属材料在被切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，使得切除被加工材料所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具和磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。国内外权威学者认为，如果把数控技术看成是现代制造技术的第一个里程碑，那么，超高速加工技术就是现代制造技术的第二个里程碑。超高速加工、超精密加工、超高能束加工和超自动化加工构成了当今四大先进加工技术。 由于不同的工件材料、不同的加工方式有着不同的切削速度范围，因而很难就超高速加工的切削速度范围给定一个确切的数值。目前，对于各种不同加工工艺和不同加工材料，超高速加工的切削速度范围分别见表2-1-1和表2-1-2。 表2-1-1 不同加工工艺的切削速度范围加工工艺 切削速度范围|/(m·min⁻¹) 车削 700~7000 铣削 300~600 钻削 200~1100 拉削 30~75 铰削 20~500 锯削 50~500 磨削 5000~10000 表2-1-2各种材料的切削速度范围 加工材料 切削速度范围/(m·min⁻¹) 铝合金 2000~7500 钢合金 900~5000 铸铁 800~3000 钢 600~3000 耐热合金 >500 钛合金 150~1000 纤维增强塑料 2000~9000 (二)超高速加工技术分类 1.超高速切削 超高速切削是指采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，超高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5~10倍的切削加工。超高速切削的概念源于德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)博士于1929年所提出的。 2.超高速磨削 超高速磨削是指磨削速度在150m/s以上，即磨削速度是常规速度5倍以上的高速磨削。超高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变，是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术成就于一体。德国著名磨削专家将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。 【知识拓展】萨洛蒙曲线 1931年4月，德国切削物理学家萨洛蒙根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线”，提出了超高速切削的理论。超高速切削的概念可用图2-1-1示意。 萨洛蒙超高速切削理论的最大贡献在于创造性地预言了超越泰勒切削方程式的非切削工作区域的存在，被后人誉为“高速加工之父”。 二、超高速加工技术的发展与现状 (一)超高速切削技术的发展与现状 1.国内发展 中国在超高速切削技术领域也有着较长时间的研究和应用历史。20世纪80年代末和90年代初，中国开始关注超高速切削技术并进行了相关研究。随着国内机床和切削工具制造技术的发展，中国在超高速切削技术方面取得了显著的进展。2003年，中国科学院金属研究所首次开展了“中国超高速切削技术研讨会”，这是国内超高速切削技术研究的重要里程碑。此后，国内学术界和企业持续加大对超高速切削技术的研究和应用力度，推动了该领域的发展。 2.国外发展 在国外，超高速切削技术的研究和发展主要集中在日本、德国、美国等发达国家。20世纪60年代，瑞典的一家刀具制造公司山特维克(Sandvik)首次提出了超高速切削的概念，并开发了相应的切削工具。此后，日本成为超高速切削技术研究的重要推动者。日本在机床制造和切削工具领域拥有雄厚的实力，通过不断地创新和改进，推动了超高速切削技术的发展。德国和美国等国家也在该领域进行了大量的研究工作，并取得了重要的成果。这些国家在超高速切削技术的刀具材料、涂层技术、机床设计等方面进行了深入的研究和应用，推动了超高速切削技术的发展。 (二)超高速磨削技术的发展与现状 1.国内发展 20世纪80年代初，我国开始引进和消化国外的超高速磨削技术，主要将其应用于航空航天、汽车制造等领域。 在20世纪90年代，我国开始进行自主研发超高速磨削技术，取得了一些进展，并应用于国防工业和重要零部件的加工。 2000年代初，我国超高速磨削技术逐渐扩大应用范围，包括模具、汽车零部件、轴承等领域，并且开始出口到一些发展中国家。 进入21世纪后，我国超高速磨削技术得到了长足的发展，研发出了一系列高性能的超高速磨削设备和工具，成为国内加工领域的重要技术之一。 2.国外发展 20世纪60年代末至70年代初，日本开始研究并开发超高速磨削技术，主要将其应用于汽车和电子工业。 在20世纪80年代初期，美国和欧洲的一些国家也开始研究超高速磨削技术，并在航空航天、医疗器械等领域进行应用。 20世纪90年代以后，超高速磨削技术在国外得到了广泛的应用和发展，相关的研究成果不断涌现，各国纷纷推出了自己的超高速磨削设备和工具。 近年来，国外的超高速磨削技术进一步发展，注重提高加工效率和精度，同时也在磨削材料、磨削液等方面进行了深入研究。 1.了解学习目标和任务 2.教师提出问题，在老师的引导下，打开思路进行思考讨论 3.学生代表或个人表达观点（小组或个人积分） 1、组织学生回答问题，提高学生课堂参与度，使同学们通过思考加深印象。 2.讲解教学目标，让学生明确本节课的学习任务，让学习更有针对性和目标。 3.小组或个人积分形式，更能激发学生作为学习主体，参与学习的动机和团队合作意识的树立。 活动三： 调动思维 探究新知 三、超高速加工技术的特点及其关键技术 (一)超高速切削加工技术的特点 超高速切削加工与常规切削加工相比，在提高生产率、降低生产成本、减少热变形和切削力，以及实现高精度、高质量零件加工等方面具有明显优势。 1.切削力小 和常规切削加工相比，超高速切削加工切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件(如细长轴、薄壁件)来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。同时，采用超高速切削，单位功率材料切除率可提高40%以上，有利于延长刀具的使用寿命，通常刀具寿命可提高约70%。 2.切削效率高 超高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5~10倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高5~10倍，这样，单位时间材料切除率可提高3~6倍，切除率显著增大，生产效率大幅度提高。 3.加工工件的热变形小 超高速加工温升不超过3℃，且90%以上的切削热被切屑带走，零件不会由于温升导致弯翘或膨胀变形，故超高速加工工件的热变形小。因而，超高速切削加工特别适合于加工容易发生热变形的零件。 4.加工精度高，表面粗糙度低 由于超高速切削加工的切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性。另外，由于切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影响小，从而使工件表面的残余应力小，达到较好的表面质量。 5.工艺系统振动小 同时，在超高速切削加工中，由于机床主轴转速很高，激振频率远离机床固有振动频率，因此可使工艺系统振动减小、加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。 6.减少工序 超高速切削加工工件可在一道工序中完成，被称为“一次过”技术。加工获得的工件，表面质量几乎可与磨削相比，因而可以直接作为最后一道精加工工序，实现高精度、低粗糙度加工。 7.加工成本低 采用超高速切削加工将减少加工成本，如缩短加工时间、降低加工能耗、提高刀具耐用度和机床利用率、节省换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。 (二)超高速磨削加工技术的特点 1.大幅度提高磨削效率 由于单位时间内作用的磨粒数增加，使材料磨除率成倍增加。 2.磨削力小，零件加工精度高 当磨削效率相同时，200m/s时的磨削力仅为80m/s时的50%，在相同的单颗磨粒切削条件下，磨削速度对磨削力影响极小，磨削速度250 m/s磨削时的磨削力比磨削速度180m/s时磨削力降低近一半。由于切削厚度小，法向磨削力相应减小，从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。 3.获得低粗糙度表面 超高速磨削单个磨粒的切削厚度变小，磨削划痕浅，表面塑性隆起高度减小，表面粗糙度数值降低。 4.大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化 由于每颗磨粒的负荷减小，磨粒磨削时间相应延长，提高了砂轮使用寿命。 5.改善加工表面完整性 超高速磨削可以越过容易产生磨削烧伤的区域，在大磨削用量下磨削，反而不产生磨削烧伤。 (三)超高速加工的关键技术 超高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削的相关技术。 1.超高速切削刀具技术 超高速切削刀具技术是实现超高速加工的关键技术之一。由于超高速切削加工时受离心力和振动的影响，刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的。刀具系统必须有良好的平衡状态和安全性。 2.超高速切削工艺 超高速切削作为一种新的切削方式，目前，尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的超高速切削数据库，在超高速加工的工艺参数优化方面，也还需要做大量的工作。超高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足超高速切削加工的要求，需要由人工编程加以补充。还需要采用一种全新的编程方式，使切削数据适合超高速主轴的功率特性曲线。 3.超高速切削机理 目前对于铝合金的超高速切削机理研究，已取得了较为成熟的结论，并已用于指导铝合金超高速切削生产实践。而关于黑色金属及难加工材料的超高速切削加工机理研究尚在探索阶段，其超高速切削工艺规范还很不完善，是目前超高速切削生产中的难点，也是切削加工领域研究的焦点。正开展的研究工作主要包括铸铁、普通钢材、模具钢、钛合金和高温合金等材料在超高速切削过程中的切屑形成机理、切削力、切削热变化规律，以及刀具磨损对加工效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律，继而提出合理的超高速切削加工工艺。另外，超高速切削已进入铰孔、攻丝、滚齿等应用中，其机理也都在不断研究之中。 四、超高速加工切削设备 超高速切削机床是实现高速、超高速切削必不可少的设备。超高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。高速单元技术包括超高速切削的主轴系统、高速进给系统、高性能的CNC 控制系统等，机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。 1.主轴系统 在超高速运转的条件下，传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能适应要求，取而代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速，从而使机床主传动的机械结构大为简化，形成一种新型的功能部件——主轴单元。在超高速数控机床中，几乎无一例外地采用了主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称“电主轴”。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，把主传动链的长度缩短为零，因此称这种新型的驱动与传动方式为“零传动”。 超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现超高速加工最关键的技术领域之一。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，这四个部分构成一个动力学性能和稳定性良好的系统。超高速主轴结构如图2-1-3所示。 超高速主轴性能要求如下：高转速范围、足够的刚性、良好的热稳定性、大功率、可靠的刀具装夹性能、先进的润滑和冷却系统、可靠的主轴监测系统。 2.超高速进给系统 超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等，否则，不但无法发挥超高速切削的优势，而且会使刀具处于恶劣的工作条件下，还会因为进给系统的跟踪误差影响加工精度。在复杂曲面的高速切削中，当进给速度增加1倍时，加速度增加4倍才能保证轮廓的加工精度要求。超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，进给系统还须具有大的加速度及高的定位精度。 目前超高速切削进给速度已高达50~120m/ min，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。为了适应进给运动高速化的要求，在超高速加工机床的进给系统上主要采用如下措施。 (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”现象可大大减少。 (2)超高速进给机构采用大螺距多头滚珠丝杠，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。 (3)超高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化。超高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电动机和控制技术。 (4)为了尽量减少工作台重量但又不降低刚度，超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，直线电动机传动已经在超高速机床进给系统中得到应用。 3.高性能的CNC 控制系统 用于超高速加工的CNC控制系统必须具有很高的运算速度、运算精度及快速响应的伺服控制，以满足高速及复杂型腔的加工要求。 超高速CNC数控系统的数据处理能力有两个重要指标：一是单个程序段处理时间。为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此，需使用64位的CPU，并采用多处理器并行处理。二是插补精度。为了确保高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段处理功能。此外，还可采用NURBS(非线性B样条)插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。 超高速切削加工CNC 系统的功能特征包括加减预插补、前馈控制、精确矢量补偿、最佳拐角减速控制等功能。 4.先进的机床结构 机床的基本结构有床身、底座和立柱等，超高速切削会产生很大的附加惯性力，因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。机床在总体结构上将进给机构全部或大部分移出工作台，以最大限度减小运动惯量。 超高速加工机床中，为减少直线和回转运动的动量与惯量(移动质量和转动质量)，对于相同刚度而言，可采取轻质材料来制造零部件，如钛合金、铝合金和纤维强化复合材料等。 5.超高速切削机床安全防护与实时监控 超高速切削的安全保障包括以下方面：机床操作者及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，特别是由抗变强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上须防止由于离心力作用产生飞离外，还要进行极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧，须绝对安全可靠。 机床及切削过程的监测包括：切削力监测、机床主轴功率监测、主轴转速监测、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，以确保操作人员和设备的安全可靠。 五、超高速切削刀具 超高速铣削刀具必须具备可靠的安全性和高耐用度。超高速切削刀具的安全性须考虑：刀具强度、刀具夹持、刀片压紧、刀具动平衡。超高速切削刀具的耐用度还与刀具材料、刀尖结构、切削用量、走刀方式、冷却条件、刀具工件材料匹配等有关。 (一)刀具材料 切削刀具材料的迅速发展是超高速切削得以实施的工艺基础。超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性。目前适合于超高速切削的刀具材料主要有硬质合金、涂层、金属陶瓷、陶瓷、金刚石和立方氮化硼(CBN)等。 1.硬质合金刀具 超高速铣刀通常采用细晶粒或超细晶粒硬质合金(晶粒尺寸0.2~1μm)，根据被加工材料选钨钴类或钨钛钴类硬质合金，但含钴量一般不超过6%。 2.涂层刀具 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的切削性能。 超高速铣削大量采用的涂层刀具有高速钢、硬质合金和陶瓷，但以硬质合金为主。涂层既可以是单涂层、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。 涂层材料有 TiCN，TiAlN，TiAlCN，CBN，Al₂O₃,CNx 等。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛、碳氮化钛、氮化铝钛、碳氮化铝钛等，其中TiAIN在超高速切削中性能优异，其最高工作温度可达 近年来相继开发的一些新型 PVD硬涂层材料，如 CBN、氧化物等，在高温下具有良好的热稳定性，也适用于超高速切削。金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属，软涂层刀具主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。此外，最新开发的纳米涂层刀具材料在超高速切削中也具有广阔的应用前景。例如，日本某公司已开发出纳米 TiN/AIN 复合涂层铣刀片，涂层共达2000层，每层涂层厚度为2.5nm。 3.金属陶瓷刀具 金属陶瓷刀具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要有高耐磨性的 TiC 基金属陶瓷(TiC+ Ni或 Mo)、高韧性 TiC 基金属陶瓷(TiC+TaC+WC+ Co)、增强型TiCN 基金属陶瓷(TiCN+NbC)。相比硬质合金，金属陶瓷刀具改善了刀具的高温性能，适合超高速加工合金钢和铸铁。金属陶瓷可制成钻头、铣刀和滚刀。 4.陶瓷刀具 陶瓷刀具分为氧化铝系陶瓷、氮化硅系陶瓷和复合氮化硅一氧化铝系陶瓷三类，具有高硬度、高耐磨性、热稳定性。 (1)氧化铝系陶瓷刀具。 以 为主体的陶瓷材料，其中包括纯氧化铝陶瓷，氧化铝中添加各种碳化物、氧化物、氮化物与硼化物等组合陶瓷，以及在氧化铝中同时添加化合物与黏结金属的组合陶瓷等。氧化铝系陶瓷刀具有以下五种分类：①纯Al₂O₃基陶瓷刀具。 ②Al₂O₃−TiC陶瓷刀具。 ③Al₂O₃−ZrO2陶瓷刀具。 ④Al₂O₃−SiC 晶须增强陶瓷刀具。⑤ Al₂O₈/(W，Ti)C梯度陶瓷刀具。 目前国外开发的 Al₂O₃陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3。陶瓷刀具化学活性低、不易黏结和扩散磨损，以及强度、断裂韧性、导热性和耐热冲击性较低的特点，适用于加工高速切削硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁或淬硬钢，也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料(加工钢材效果优于氮化硅基陶瓷)；也用于大件机械零部件切削及高精度零件的切削加工。 (2)氮化硅系陶瓷刀具。 氮化硅系陶瓷包括氮化硅(Si₃N₄)陶瓷和以氮化硅为基体的添加其他碳化物制成的组合氮化硅陶瓷。此类陶瓷刀具主要是以MgO为添加剂的热压陶瓷。氮化硅系陶瓷刀具主要原料是氮和硅，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta和Nb等重要的金属。 氮化硅系陶瓷刀具有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。氮化硅系陶瓷刀具比氧化铝系陶瓷有更高的强度、断裂韧性和耐热冲击性，但化学稳定性不如氧化铝系陶瓷，适宜高速加工铸铁和高温合金，其切削寿命比硬质合金刀具高几倍至十几倍。此外，氮化硅系陶瓷有自润滑性能好、摩擦系数较小、抗黏接能力强、不易产生积屑瘤、切削刃可磨得锋利、可加工出良好表面质量等优点，特别适合于车削容易形成积屑瘤的工件材料，如铸造硅铝合金等，在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。 (3)复合氮化硅—氧化铝系陶瓷刀具。 赛隆(Sialon)陶瓷刀具是用氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物在高温下进行热压烧结而得到的材料，在其中添加Y2O3可使组织致密化。由于碳化钛和氮化硅的热膨胀系数相差太大，超高速切削加工时因刀尖温度急剧升高，会产生较大的热应力，从而降低刀具的使用寿命。 复合陶瓷刀具有较高的强度和断裂韧性、高抗氧化性和抗高温蠕变性、高抗热冲击性，但不适合加工钢件，可用于高速粗加工铸铁和镍基合金。 5.金刚石刀具 金刚石刀具材料分天然金刚石和聚晶金刚石。聚晶金刚石具有非常高的硬度、导热性，以及低的热膨胀系数，通常用于超高速加工有色金属和非金属材料。晶粒越细越好，高速切削含Si量小于12%的铝合金可用晶粒尺寸10~25βm的聚晶金刚石，高速切削含 Si量大于12%的错合金和非金属材料可用晶粒尺寸为8~9μm的聚晶金石。 6.立方氮化硼刀具 立方氮化硼(CBN)的硬度仅次于金刚石，它的突出优点是热稳定性(1400℃)好，化学惰性大，在1200℃~1300℃下也不发生化学反应。CBN刀具具有高硬度、高耐热性、高化学稳定性和导热性，但强度稍低。 由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬钢，可实现“以切代磨”。由于CBN 刀坯价格较高，考虑重磨等因素，一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块CBN 刀坯，且通常只做一个刀尖。 而拓展不同CBN 含量的刀具及其用途研究证明，采用纯CBN 材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果，为此，国外已开发出各种成分配比的CBN刀片及CBN+金属陶瓷复合刀片，根据不同的加工用途，刀片中的CBN含量也应相应变化。国外还研制了CBN 含量不同的CBN 刀具，以充分发挥CBN 刀具的切削性能(见表2-1-3)。据报道，CBN300加工灰铸铁的速度可达2000 m/ min。 表2-1-3 不同CBN含量的刀具及其用途 CBN含量/% 用途 50 连续切削淬硬钢(45~65 HRC) 60 Ni-Cr铸铁 65 半断续切削淬硬钢(45~65 HRC) 80~90 高速切削铸铁(500~1300m/ min),粗、半精切削淬硬钢 90 连续重载切削淬硬钢(45~65 HRC) (二)刀具几何角度 为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力，刀具的几何角度必须选择合理数值。超高速切削各种工件材料时，刀具前角和后角的推荐值见表2-1-4。 表2-1-4 几种材料超高速切削时刀具的前角、后角推荐值 工件材料 前角 后角 铝合金 12°- 15° 13°- 15° 钢材 0°- 5° 12°- 16° 铸铁 0° 12° 铜合金 0° 16° 纤维强化复合材料 20° 15°- 20° (三)刀具结构 超高速切削刀具的几何结构和装夹结构是非常重要的。由于超高速铣刀是在1000~10000 m/min的切削速度下工作，在这样高的回转速度下工作的机夹可转位铣刀刀体和可转位刀片均受很大的离心力作用，故要求设计十分可靠的刀片夹紧结构和刀体结构。 从安全性考虑，刀体的设计应减轻质量、减小直径、增加高度，选用比重轻、强度高的材料。目前，有的超高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。刀体上的槽(刀片槽、容屑槽、键槽等)会引起应力集中，降低刀体强度，因此铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中。同时，还应减少机夹零件的数量；刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线；对于不等分齿铣刀，应对刀体的质量分布作相应调整，使刀体膨胀比较均匀；刀片和刀座的夹紧、调整机构应尽可能消除游隙，且应保证良好的重复定位性。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。 超高速铣削刀具分为整体式和机夹式两类。目前在超高速铣削加工中，应用最多的是整体式硬质合金刀具，其次是机夹式硬质合金刀具。在高转速下应用机夹刀具加工时，应注意刀具的动平衡等级及最高许用转速。刀具的冷却一般采用刀具中心开冷却孔的中心冷却方式。 小直径铣刀一般采用整体式，大直径铣刀采用机夹式。 (四)刀柄结构 刀柄是超高速加工机床(加工中心)的重要配(套)件。超高速切削时，为使刀具保持足够的夹持力，以避免离心力造成刀具的损坏，对刀具的装夹装置也提出了相应的要求。在超高速切削条件下，刀具与机床的连接界面结构装夹要牢靠，工具系统应有足够的整体刚性，同时，装夹结构设计必须有利于迅速换刀，并有最广泛的互换性和较高的重复精度。 一般切削最常用的是BT 刀柄，高速加工机床通常需要采用 HSK 刀柄。HSK 刀柄为过定位结构，在机床拉力作用下，可保证刀柄短锥柄和端面与机床紧密配合。 刀柄夹紧主要采用热膨胀式装夹方式。 (五)刀具动平衡 超高速加工必须考虑刀具动平衡问题。刀具系统不平衡会缩短刀具寿命、增加停机时间、增大加工表面粗糙度、降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命。而且，轴承受到方向不断变化的径向力作用而加速磨损并引起机床振动，甚至可能造成事故。选用刀具时首先应选用经过动平衡的高质量刀柄与刀具，应尽量选用短而轻的刀具，并定期检查刀具与刀柄的疲劳裂纹和变形征兆。 引起超高速切削刀具系统不平衡的主要因素有：刀具的平衡极限和残余不平衡度、刀具结构不平衡、刀柄不对称、刀具及夹头的安装(如单刃镗刀)不对称等。使用超高速切削刀具(主要是旋转刀具)前除须进行静平衡外，还必须进行动平衡，应根据其使用速度范围进行平衡，以实现最佳加工效益。 刀具动平衡分为机外动平衡和机上动平衡两种。机外动平衡须专用机外动平衡机，由动力装置提供旋转运动，测量出动不平衡的质量和相位，再通过调整平衡环或在特定位置去掉部分材料，使刀具系统达到要求。机上动平衡则用机床主轴提供旋转运动，其余与机外动平衡相同。动平衡过程通常须经过几次反复，调整到最佳平衡量。 超高速加工技术 模块² 1.教师布置任务并引导学生分组探究。 2.结合课本知识思考并回答问题。（根据情况选择小组模式或个人模式，并进行小组或个人积分） 1.组织学生以个人或小组形式回答问题，提高学生课堂参与度，使同学们通过思考加深印象。 2. 个人或小组积分形式，激发学生的学习积极性和主动性。 活动四： 巩固练习 素质提升 根据分组情况，明确并分配任务： 1.以小组为单位进行知识抢答闯关 单选题： (1)根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，超高速切削通常指切削速度超过传统切削速度的( )倍数。 A. 1~2 B. 3~4 C. 5~10 D. 10~15 (2)超高速加工的切削进给速度是( )。 A. 10~20m/min B. 20~40 m/ min C. 40~50 m/ min D. 50~60m/ min (3)超高速磨削是指磨削速度超过( )。 A. 80m/s B. 100m/s C. 120m/s D. 150m/s (4)采用超高速加工使切削力降低( )。 A. 5%~10% B. 15%~20% C. 25%~30% D. 35%~40% 多选题： (5)机床及切削过程的监测包括( )。 A.切削力监测 B.主轴功率监测 C.主轴转速监测 D.刀具破损监测 (6)超高速加工机床刀杆夹紧刀具采用热膨胀式装夹方式的原因是( )。 A.结构简单 B.夹紧可靠 C.同心度高 D.传递轴向力大 (7)刀具过大的动不平衡将影响( )。 A.刀具寿命 B.机床精度 C.加工表面质量 D.机床刀杆夹紧刀具方式 (8)刀具动平衡有( )。 A.机外动平衡 B.机内动平衡 C.机上动平衡 D.机下动平衡 判断题： (9)高速 CNC 数控系统的数据处理能力有两个重要指标：单个程序段处理时间和插补精度。 (10)在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜的目的是获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。 2.老师记分并点评，评出优胜小组 1.学生分组完成任务 2.以抢答形式进行知识闯关，小组积分 1.组织学生分组抢答，提高学生课堂参与度，强化知识应用，培养团队合作及集体意识。 2.积分制激发学生的学习积极性。 课堂小结 作业布置 1.课堂小结：本节课学习了超高速加工技术的基础知识，主要包括超高速加工技术的概念与分类，超高速切削技术、超高速磨削技术的发展现状，超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速加工切削设备及超高速切削刀具。通过学习，应了解超高速加工技术的发展与现状，超高速切削刀具常用材料的应用范围；熟悉超高速切削设备；掌握超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构；并能够区分超高速切削刀具的材料、结构等不同，根据实际需求选择合适的刀具，运用所学超高速加工技术的特点及其关键技术分析解决实际问题。 2.课后作业： 以小组为单位，网上搜集资料，了解超高速加工技术的工业应用并选择一种进行介绍。 板书设计 2.1 超高速加工技术概述 一、超高速加工技术的概念 超高速切削、超高速磨削 二、超高速加工技术的发展与现状 超高速切削技术、超高速磨削技术 三、超高速加工技术的特点及其关键技术 (一)超高速切削加工技术的特点 切削力小、效率高、热变形小 工精度高，粗糙度低 振动小、工序少、成本低 (二)超高速磨削加工技术的特点 提高效率、零件加工精度高、低粗糙度表面 延长砂轮寿命，磨削加工自动化，加工表面完整性 (三)超高速加工的关键技术 超高速切削刀具技术、超高速切削工艺、超高速切削机理 四、超高速加工切削设备 主轴系统、超高速进给系统 高性能的CNC 控制系统、先进的机床结构 超高速切削机床安全防护与实时监控 五、超高速切削刀具 刀具材料、几何角度、结构 刀柄结构，刀具动平衡 教学反思 通过本节知识的学习，学生应了解超高速加工技术的发展与现状，超高速切削刀具常用材料的应用范围；熟悉超高速切削设备；掌握超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构；并能够区分超高速切削刀具的材料、结构等不同，根据实际需求选择合适的刀具，运用所学超高速加工技术的特点及其关键技术分析解决实际问题。通过学习体会科学探索的重要性，培养学生不断创新的学习精神和勇攀高峰的科学精神。教学过程中，应针对学生特点，选择合适的教学方法，突出学生的主体地位，让学生全程参与整个教学过程，摆脱填鸭式灌输，引导学生主动思考，并多措并举激发学生学习的主动性和积极性，为后续知识的学习打下基础，帮助学生树立职业理想。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $