超高速加工技術(shù)PPT課件

1、1,第3講 高速加工技術(shù),本節(jié)要點(diǎn) 高速加工的概念與特征 高速加工的切削速度范圍 高速加工的切削理論 高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù) 高速磨削加工,2,超高速加工是一個(gè)相對的概念，由于不同的加工方式、不同工件材料有不同的高速加工范圍，因而很難就超高速加工的切削速度給出一個(gè)確切的定義。概括地說，超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具與磨具，能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動，極大地提高材料切除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)，其切削速度通常比常規(guī)高10倍左右,3,高速加工技術(shù)： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動的自動化制造設(shè)備，極大地提高材料的切除率，并保證加工精度

2、和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。 超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常規(guī)速度高得多的切削速度進(jìn)行加工的一種高效新工藝方法,以切削速度和進(jìn)給速度界定： 高速加工的切削速度和進(jìn)給速度為普通切削的510倍。 以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min,高速加工的概念與特征,4,高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異,車削(Turing)：700-7000 m/min 銑削(Milling)：300-6000 m/min 鉆削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：50-30

3、0 m/s 鏜削（Boring）：35-75m/min,高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同,1. 高速加工切削速度的范圍,鋁合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 銅(Cu)：900-5000 m/min 鋼(Steel)：500-2000 m/min 灰鑄鐵(Gray cast iron)：800-3000 m/min 鈦(Ti)：100-1000m/min,5,德國切削物理學(xué)家Carl Salmon 博士1929年進(jìn)行了超高速模擬實(shí)驗(yàn),2. 切削理論的提出,6,圖2 切削速度變化和切削溫度的關(guān)系,在1931 年4 月，根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線，提出著名的“薩洛蒙

4、曲線”和高速切削理論。即：一定的工件材料對應(yīng)有一個(gè)臨界切削速度，在該切削速度下其切削溫度最高,7,結(jié)論： 在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。 在切削速度達(dá)到臨界切削速度后，隨著切削速度的增大切削溫度反而下降,啟示： 如果切削速度能超越切削“死谷”， 在超高速區(qū)內(nèi)進(jìn)行切削，則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削，從而可大大減少切削工時(shí)，成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率,8,切削力低 切削變形小，切屑流出速度加快，切削力 比常規(guī)降低30-90%，可高質(zhì)量地加工出薄壁零件,3.高速加工的特點(diǎn),材料切除率高 單位時(shí)間內(nèi)切除率可提高3-5倍,圖 3 加工零件,9,高精度 切削激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床系統(tǒng)

5、固有頻率， 加工平穩(wěn)、振動小,減少工序 工件加工可在一道工序中完成，稱為 “一次過”技術(shù)（One pass machining,A為高速切削加工時(shí)的熱傳導(dǎo)過程 B為傳統(tǒng)加工的熱傳導(dǎo)過程 圖4 熱傳導(dǎo)對比圖,熱變形小 溫升不超過3C，90%切削熱被切屑帶走,10,應(yīng)當(dāng)指出的是，超高速加工的切削速度不僅是一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，而且是一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。也就是說，它不僅僅是一個(gè)技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的切削速度，而且必須是一個(gè)可由此獲得較大經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度。沒有經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度是沒有工程意義的。 目前定位的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)是：在保證加工精度和加工質(zhì)量的前提下，將通常切削速度加工的加工時(shí)間減少90，同時(shí)將加工費(fèi)用減少50，

6、以此來衡量高切削速度的合理性,11,二、超高速加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 自20世紀(jì)30年代德國薩洛蒙博士首次提出高速切削概念以來，經(jīng)過50年代的機(jī)理與可行性研究，70年代的工藝技術(shù)研究，80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究，到20世紀(jì)90年代后期，商品化高速切削機(jī)床大量涌現(xiàn)；21世紀(jì)初，高速加工技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用，正成為切削加工的主流技術(shù)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家對超高速加工的研究起步早，水平高。在此項(xiàng)技術(shù)中，處于領(lǐng)先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等,12,在超高速加工技術(shù)中，超硬材料工具是實(shí)現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件。超高速切削磨削技術(shù)是現(xiàn)代超高速加工的工藝方法，而高速數(shù)控機(jī)床和加

7、工中心則是實(shí)現(xiàn)超高速加工的關(guān)鍵設(shè)備,13,目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)及聚晶立方氮化硼(PCBN)。切削速度亦隨著刀具材料的創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。 砂輪材料過去主要采用剛玉系、碳化硅系材料，美國GE公司于20世紀(jì)50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。 20世紀(jì)90年代陶瓷或樹脂結(jié)合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達(dá)125 m/s，有的可達(dá)150 m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達(dá)250 m/s。因此有人認(rèn)為，隨著新刀具(磨具)

8、材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會太遙遠(yuǎn)了,14,在超高速切削技術(shù)方面，近年來，高速、超高速加工的實(shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究取得了顯著成果,世界許多著名公司的加工中心，如美國的Cincinnati和Ingersoll、日本牧野、意大利的Rambaudi等公司，其標(biāo)準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速配置可達(dá)800010000 r/min，可選的20000 r/min以下的主軸單元已處于商品化階段。 日本日立精機(jī)的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)3600040000 r/min，工作臺快速移動速度為3640 m/min,15,高速磨削在20世紀(jì)60年代初，砂輪磨削速度曾一度達(dá)到90

9、m/s，但更多的還是在4560 m/s之間。德國居林公司1983年制造出了當(dāng)時(shí)世界上第一臺最具威力的高效深切快進(jìn)給磨床，即HEDG磨床，其主軸功率為60kW，砂輪直徑為400mm，砂輪轉(zhuǎn)速為10000 r/min，vs達(dá)到100180 m/s。 Bremen大學(xué)在高效深磨的研究方面取得了世界公認(rèn)的高水平成果，并積極在鋁合金、鈦合金、鉻鎳合金等難加工材料方面進(jìn)行高效深磨的研究,16,近年來，我國在高速、超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域(如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動軸承等方面)也進(jìn)行了較多的研究并有相應(yīng)的研究成果。 50 m/s高速磨削研究起始于1958年，近20年來其發(fā)展十分緩慢。

10、實(shí)驗(yàn)室超高速磨削速度曾達(dá)到250 m/s，但離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。目前工業(yè)應(yīng)用的磨削速度未能超過100 m/s。顯然，國內(nèi)在超高速磨削技術(shù)方面與國外差距很大,17,圖5 HSM600U型數(shù)控五軸高速加工中心生產(chǎn)廠家：瑞士Mikron 主軸轉(zhuǎn)速：最高42000 rpm 主軸功率：13 KW 進(jìn)給速度：最高40 m / min 定位精度：0.008 mm 重復(fù)定位精度：0.005mm,高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,18,圖6 HSM 系列高速五軸聯(lián)動小型立式加工中心,19,圖9 HSM400,加工極高表面光潔度的硬鋼HRC62、鋁、銅、塑料工件,圖7 HSM800,圖8 HSM600,20,高速切削加

11、工應(yīng)用 （1）航空航天領(lǐng)域。 大型整體結(jié)構(gòu)件、薄壁類零件和葉輪零件等,圖10 波音公司的F15戰(zhàn)斗機(jī)的起動減速板,21,鋁合金整體零件： 整體零件“掏空”， 切除量大 零件有薄壁，要求小 切削力 小直徑刀具 較長的刀具懸伸,圖11 高速銑削典型工件,22,2）汽車制造,23,3）模具制造,24,25,生產(chǎn)剃須刀的石墨電極,生產(chǎn)球形柄用的銅電極,圖15 高速切削加工電火花加工用工具電極,26,4）難加工材料領(lǐng)域。硬金屬材料（HRC5562），可代替磨削，精度可達(dá)IT5IT6級，粗糙度可達(dá)0.21um,5）超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域,粗銑整體鋁板； 精銑去口； 鉆680個(gè)直徑為3mm的小孔。 時(shí)間為3

12、2min,圖16 高速切削加工醫(yī)用藥盒,27,高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù),28,1. 超高速切削的刀具技術(shù) 1) 超高速切削的刀具材料 (1) 涂層刀具材料 涂層刀具通過在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削性能。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷等。 硬涂層刀具的涂層材料主要有氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高速切削中性能優(yōu)異，其最高工作溫度可達(dá)800。軟涂層刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作為涂層材料的高速鋼刀具)主要用于加工高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金或貴重金屬

13、材料,29,2) 金屬陶瓷刀具材料。金屬陶瓷具有較高的室溫硬度、高溫硬度及良好的耐磨性。金屬陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬質(zhì)合金(TiCNi或Mo)、高韌性TiC基硬質(zhì)合金(TiCTaCWC)、強(qiáng)韌TiN基硬質(zhì)合金(以TiN為主體)、高強(qiáng)韌性TiCN基硬質(zhì)合金(TiCNNbC)等。金屬陶瓷刀具可在300500 m/min的切削速度范圍內(nèi)高速精車鋼和鑄鐵,30,3) 陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化鋁基和氮化硅基兩大類，是通過在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外還有多相陶瓷材料。目前國外開發(fā)的氧化鋁基陶瓷刀具約有20余個(gè)品種，約占陶瓷刀具總量的2/3

14、；氮化硅基陶瓷刀具約有10余個(gè)品種，約占陶瓷刀具總量的1/3。陶瓷刀具可在2001000 m/min的切削速度范圍內(nèi)高速切削軟鋼(如A3鋼)、淬硬鋼、鑄鐵等,31,4)PCD刀具材料。PCD是在高溫高壓條件下通過金屬結(jié)合劑將金剛石微粉聚合而成的多晶材料。雖然它的硬度低于單晶金剛石，但有較高的抗彎強(qiáng)度和韌性。PCD材料還具有高導(dǎo)熱性和低摩擦系數(shù)。另外，其價(jià)格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一，因此得以廣泛應(yīng)用。 PCD刀具主要用于加工耐磨有色金屬和非金屬，與硬質(zhì)合金刀具相比能在切削過程中保持鋒利刃口和切削效率，使用壽命一般高于硬質(zhì)合金刀具10500倍,32,5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬

15、度僅次于金剛石，它的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性(140)好，化學(xué)惰性大，在12001300下也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 CBN刀具具有極高的硬度及紅硬性，可承受高切削速度，適用于超高速加工鋼鐵類工件，是超高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的理想刀具材料,33,刀具角度選擇,表1 超高速切削刀具最佳前角和后角推薦值,34,1）高速主軸,高速化指標(biāo)：dm n值，至少達(dá)到1106,電主軸：交流伺服電動機(jī)內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝 在機(jī)床的主軸上，定子安裝在主軸單元的殼體中，采用水冷 或油冷。精度高、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊,采用的軸承有：滾動軸承（陶瓷軸承）、磁浮軸承、氣 體靜壓軸承、液體靜壓軸承,2

16、. 超高速切削機(jī)床,35,陶瓷球軸承,陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu),36,磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu),37,38,2.快速進(jìn)給系統(tǒng),伺服電動機(jī)+大導(dǎo)程高速精密滾珠絲杠副； 直流直線電機(jī)、交流永磁同步直線電動機(jī)、交流感應(yīng)異步直線電動機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng),3 基座 4 磁性軌道 5 直線電機(jī) 6 直線導(dǎo)軌7 直線光柵 8 平臺 9 接口電纜 10 防護(hù)罩 圖20 結(jié)構(gòu)圖,3.高性能的CNC控制系統(tǒng),39,圖21 六桿機(jī)床（并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu),4.先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu),40,圖22 德國HSK型刀柄及其聯(lián)接結(jié)構(gòu),5. 高速切削的刀具系統(tǒng),41,磨削(Grinding): 借助于砂輪表面大量磨粒作切削刃去除材料的一種方法。 磨削速度（Grinding speed）: 指砂輪表面磨粒在工件材料上進(jìn)行刻劃切削的運(yùn)動速度，通常就是砂輪周邊的回轉(zhuǎn)線速度，單位m/s。 高速磨削(High-speed grinding)：磨削速度在100 m/s以上。 超高速磨削( Super high-speed grinding):150 m/s以上即常規(guī)速度五倍以上的高速磨削,高速磨削加工,42,1.高速主軸,高速磨削關(guān)鍵技術(shù),圖23 高速主軸動平衡系統(tǒng) 1