高速加工技術(shù)【特制教育】

1、高速與超高速加工技術(shù)(4h,高速加工技術(shù)作為21世紀(jì)影響深遠(yuǎn)的先進(jìn)制造技術(shù)之一，其應(yīng)用與發(fā)展已有10多年的歷史，一般凡切削速度、進(jìn)給速度高于常規(guī)值5一10倍以上，稱為高速加工。由于高速加工的高切削速度和高進(jìn)給速度使切削效率高于傳統(tǒng)加工5-10倍，且高速加工的切削機(jī)理較傳統(tǒng)加工更具有優(yōu)越性，使高速加工技術(shù)在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)及模具工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,1,行業(yè)學(xué)習(xí),1、切削用量 三要素,切削速度 進(jìn)給量(或進(jìn)給速度) f mm/r、mm/行程、mm/s、mm/齒 背吃刀量（切削深度） aP,4.0 切削理論回顧,2,行業(yè)學(xué)習(xí),切削速度vc 切削速度vc是刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)

2、動(dòng)的速度。 當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí) d完成主運(yùn)動(dòng)的刀具或工件上某一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑(mm)； n主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速(rmin或rs,進(jìn)給速度 進(jìn)給量f 每齒進(jìn)給量 進(jìn)給速度是刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，單位為mms ；進(jìn)給量f是工件或刀具的主運(yùn)動(dòng)每轉(zhuǎn)或每一行程時(shí)，工件和刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移量。 背吃刀量（切削深度,3,行業(yè)學(xué)習(xí),主要內(nèi)容提綱,1. 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì); 2. 優(yōu)越性及其原因; 3. 機(jī)床結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù); 4. 刀具材料與結(jié)構(gòu); 5. 高速磨削技術(shù),4,行業(yè)學(xué)習(xí),2、影響切削力的因素,影響切削力的因素主要有四個(gè)方面： 工件材料、 切削用量、 刀具幾何參數(shù) 其它方面的因素

3、 刀具磨損 切削液 刀具材料,5,行業(yè)學(xué)習(xí),3、 切削熱和切削溫度,影響工件加工精度、已加工表面的質(zhì)量、刀具的磨損和耐用度及生產(chǎn)率等。 1 切削熱的產(chǎn)生和傳出 2 影響切削溫度的主要因素 3 切削溫度的理論計(jì)算 4 切削溫度對(duì)工件、刀具和切削過程的影響,6,行業(yè)學(xué)習(xí),4、切削熱的產(chǎn)生和傳出,切削中所消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱量，即切削熱. 來自工件材料的彈、塑性變形和前、后刀面的摩擦功,5086,4010,周圍介質(zhì)占1,93,7,行業(yè)學(xué)習(xí),切削溫度對(duì)工件、刀具和切削過程的影響,對(duì)工件材料機(jī)械性能的影響 切削溫度對(duì)工件材料強(qiáng)度、硬度的影響不大。 對(duì)刀具磨損和刀具材料的影響 是刀具磨損的主要原因，

4、它將使刀具磨損加劇，刀具耐用度下降。但較高的切削溫度，對(duì)硬質(zhì)合金刀具材料的韌性有利。 對(duì)加工件尺寸精度的影響 工件本身和刀桿受熱膨脹會(huì)使工件尺寸精度達(dá)不到要求，還會(huì)影響已加工表面質(zhì)量,8,行業(yè)學(xué)習(xí),5、影響切削溫度的主要因素,切削溫度一般是指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。 實(shí)驗(yàn)公式,實(shí)驗(yàn)測(cè)出的刀屑接觸區(qū)的平均溫度()， C切削溫度系數(shù),9,行業(yè)學(xué)習(xí),切削用量,切削速度Vc一倍切削溫度30%45% 進(jìn)給量f一倍切削溫度15%20% 背吃刀量aP一倍切削溫度5%8,10,行業(yè)學(xué)習(xí),影響切削溫度的因素,刀具磨損:磨損F切削溫度 切削液可降低切削溫度,11,行業(yè)學(xué)習(xí),4.1 基礎(chǔ)理論研究,一）問題描

5、述,12,行業(yè)學(xué)習(xí),13,行業(yè)學(xué)習(xí),14,行業(yè)學(xué)習(xí),15,行業(yè)學(xué)習(xí),16,行業(yè)學(xué)習(xí),17,行業(yè)學(xué)習(xí),4.2 技術(shù)內(nèi)涵,18,行業(yè)學(xué)習(xí),目前關(guān)于高速加工的經(jīng)濟(jì)效益定位指標(biāo)是：在保證家伙精度和加工質(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50,19,行業(yè)學(xué)習(xí),4.3 高速加工機(jī)床與設(shè)備,20,行業(yè)學(xué)習(xí),21,行業(yè)學(xué)習(xí),22,行業(yè)學(xué)習(xí),高速主軸單元,23,行業(yè)學(xué)習(xí),24,行業(yè)學(xué)習(xí),25,行業(yè)學(xué)習(xí),26,行業(yè)學(xué)習(xí),27,行業(yè)學(xué)習(xí),磁懸浮軸承,28,行業(yè)學(xué)習(xí),29,行業(yè)學(xué)習(xí),30,行業(yè)學(xué)習(xí),直線電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu),31,行業(yè)學(xué)習(xí),32,行業(yè)學(xué)習(xí),33,行業(yè)學(xué)習(xí),34,行業(yè)學(xué)習(xí),4

6、.4 高速加工刀具,35,行業(yè)學(xué)習(xí),36,行業(yè)學(xué)習(xí),37,行業(yè)學(xué)習(xí),38,行業(yè)學(xué)習(xí),39,行業(yè)學(xué)習(xí),影響切削加工質(zhì)量的因素有那些?原因是什么,高速加工技術(shù)具有的共性,4.5 與傳統(tǒng)加工方法相比之優(yōu)勢(shì),40,行業(yè)學(xué)習(xí),41,行業(yè)學(xué)習(xí),長(zhǎng)期以來 ，傳統(tǒng)的加工方式是“重藍(lán)切屑”加工方式，它的特點(diǎn)是切屑深度大，進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度較低，在低速范圍內(nèi)需較大的扭矩，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直流電機(jī)最大速度和扭矩關(guān)系，需要較大的齒輪傳動(dòng)速比。這種加工方式不可避免地給工件和機(jī)床帶來較大的力負(fù)荷和熱負(fù)荷。 HSC技 術(shù) 是“快、輕切削”方式，切削深度較小，但是切削速度卻可以提高5-10倍。這意味著在主軸軸承、刀具和工件上的切削力

7、負(fù)荷較小，同時(shí)因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量大部分被切屑帶走，工件和刀具上的熱負(fù)荷較小。 試驗(yàn)可以證明，隨著切削速度的提高，切削過程中產(chǎn)生的熱負(fù)荷減少，這樣可以延長(zhǎng)刀具壽命，并能獲得較好的表面加工質(zhì)量(在加工表面沒有“微焊接效應(yīng)”,42,行業(yè)學(xué)習(xí),傳統(tǒng) 加 工 中工件材料、刀具材料及刀具的幾何角度、切削用量及零件的幾何結(jié)構(gòu)是影響切削效率和加工質(zhì)量的主要因素?？紤]到切削力、切削變形和刀具磨損對(duì)加工的影響，在粗加工時(shí)采用大吃刀量和大進(jìn)給量以提高加工效率，而在精加工時(shí)則采用小吃刀量和小進(jìn)給量以保證表面加工精度，因而在加工大型薄壁零件、難加工材料及幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件時(shí)其加工工藝復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)。 在常 規(guī) 切 削速度范

8、圍內(nèi)，切削溫度隨切削速度的增大提高，刀具磨損隨切削溫度的提高而加劇，當(dāng)切削速度達(dá)到某臨界值時(shí)，切削溫度及切削力會(huì)減小。切削溫度的降低、切削力的大幅度下降及切削變形的減小，不僅使現(xiàn)有刀具進(jìn)行超高速切削變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，還大幅度減少切削時(shí)間，成倍提高機(jī)床的生產(chǎn)率。 和傳統(tǒng)加工相比，高速加工有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),43,行業(yè)學(xué)習(xí),加工時(shí)間大幅度縮短:產(chǎn)品加工中耗時(shí)最多的工序是精加工。對(duì)精加工，高速加工比一般加工快4倍以上，普通數(shù)控機(jī)床精加工時(shí)一般進(jìn)給速度在3一6 m/min，而高速機(jī)床一般在巧一60m/min，是常規(guī)的5一10倍;對(duì)粗加工，高速加工采取非常小的切深，但時(shí)間范圍內(nèi)的切削量還是比普通數(shù)控機(jī)床加工快幾倍。這

9、意味著1臺(tái)用于高速加工的高速機(jī)床可代替幾臺(tái)普通CNC機(jī)床。 (2)減少切削振動(dòng)。切削加工中振動(dòng)是影響加工精度因素之一，振動(dòng)會(huì)惡化表面粗糙度，加速刀具磨損，縮短機(jī)床壽命。高速加工時(shí)切削力減小，而切削力是切削系統(tǒng)振動(dòng)的主要激勵(lì)源，高轉(zhuǎn)速使切削系統(tǒng)的激振頻率遠(yuǎn)離機(jī)床固有頻率，切削穩(wěn)定，振動(dòng)小，加工表面質(zhì)量高。 (3 )切 削 溫度及切削力的減小，使高速切削可加工45-65HRC硬度高的工件材料及難加工材料，同時(shí)可采用干式切削，避免使用切削液，有利保護(hù)環(huán)境、降低成本,44,行業(yè)學(xué)習(xí),4) 切 削 力的減少，尤其是徑向切削力大幅度降低，夾緊力相應(yīng)減小，從而零件的內(nèi)應(yīng)力及變形小;加工時(shí)切削溫度的降低也減小

10、熱變形，所以特別有利于薄壁細(xì)筋件的加工。 (5 )高 速 加工切削力的減小，對(duì)刀具的剛性要求不高，故高速加工可采用小直徑刀具、小切深、小切寬和快速多次走刀來提高效率，而傳統(tǒng)的加工一般采用大直徑刀具、大切深、大切寬。 (6) 高 速 加工明顯縮短加工時(shí)間，可縮短交貨期。同樣的生產(chǎn)量，機(jī)床的配置數(shù)減少，則節(jié)約投資成本，同時(shí)還減少車間占地面積，減少工人數(shù)量,45,行業(yè)學(xué)習(xí),高速加工技術(shù)得以應(yīng)用的主要原因是這一技術(shù)自身具有很多優(yōu)點(diǎn)，高速加工的應(yīng)用場(chǎng)合主要包括：模具業(yè)制造，飛機(jī)制造工業(yè)，光學(xué)和精密儀器加工，汽車制造工業(yè)以及家用設(shè)施生產(chǎn)(見表)。盡管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工領(lǐng)

11、域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采用高速切削技術(shù)，表面加工質(zhì)量可達(dá)Ra=0.2m和Rz=3m,4.6 典型應(yīng)用,46,行業(yè)學(xué)習(xí),47,行業(yè)學(xué)習(xí),48,行業(yè)學(xué)習(xí),49,行業(yè)學(xué)習(xí),50,行業(yè)學(xué)習(xí),51,行業(yè)學(xué)習(xí),52,行業(yè)學(xué)習(xí),53,行業(yè)學(xué)習(xí),4.7 技術(shù)制約因素,HS C技 術(shù) 的成功應(yīng)用依賴于各種不同的因素，這些因素彼此緊密相連。只有在影響加工過程的所有因素都達(dá)到最佳配合的狀態(tài)下，HSC技術(shù)才能成功。這些因素包括:刀具技術(shù)、程序設(shè)計(jì)、CNC和電機(jī)以及機(jī)床自身設(shè)計(jì),3.1 刀具技術(shù) （1）刀具材料； （2）刀具結(jié)構(gòu)； （3）機(jī)床、刀 具(刀具座/刀把)、工件(工件夾具)等整個(gè)系統(tǒng)的剛性對(duì)于刀具的壽命和能夠達(dá)

12、到的表面加工質(zhì)量有顯著影響； （4）刀 具長(zhǎng)度和加工的方向?qū)庸け砻娴馁|(zhì)量也有較大的影響,54,行業(yè)學(xué)習(xí),3.2 程序設(shè)計(jì) 程序 設(shè) 計(jì) 分為模型建構(gòu)(CAD)和所需的制造工藝過程(CAM) 即刀具、加工策略等的制訂兩方面。HS C成 功 應(yīng)用的關(guān)鍵在于CAD/CAM用的程序編制器要能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)床刀具到最佳加工方式,3.3 CNC和電機(jī) 現(xiàn)代 CN C控制器能提高速度、精度和表面加工質(zhì)量，它的特色主要有:程序段處理時(shí)間降到0.5ms;內(nèi)存達(dá)到1.5GB以上;能進(jìn)行螺旋線、NURBS拋物線、雙曲線)等插補(bǔ);前瞻功能可以達(dá)到100個(gè)程序段以上，尤其在5軸機(jī)床上，對(duì)于刀具長(zhǎng)度和加工幾何尺寸有自動(dòng)補(bǔ)

13、償功能;具備刀庫管理功能(TCPM);振動(dòng)限制和補(bǔ)償;可以達(dá)到100MB的快速接口(以太網(wǎng))速度。 對(duì)控 制 器 模塊的要求是:程序段循環(huán)時(shí)間短、具有前瞻功能和減振裝置、優(yōu)良的進(jìn)給控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的接口和數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò),55,行業(yè)學(xué)習(xí),1) 程 序 段循環(huán)時(shí)間短。對(duì)于3D幾何圖素來說，為了達(dá)到最好的表面加工質(zhì)量，輪廓被細(xì)分成大量微小的增量，這樣勢(shì)必造成程序運(yùn)行時(shí)間非常長(zhǎng)，因此需要快速的程序模塊執(zhí)行功能。例如，如果一個(gè)程序段處理時(shí)間為4ms，切削一段長(zhǎng)為0.5mm的直線外形輪廓，那么進(jìn)給速度可達(dá)到7500mm/min 。 (2) 前 瞻 功能。通常劃分的單元長(zhǎng)度不同，產(chǎn)生的曲率半徑也不同，因此需要改

14、變進(jìn)給速度來適應(yīng)不同的曲率半徑。必須預(yù)測(cè)(前瞻)工件的幾何圖形，以便提前確認(rèn)方向的更改，相應(yīng)地，NC主軸能夠減速或加速以便保持最小的輪廓誤差和最經(jīng)濟(jì)的加工時(shí)間。 (3) 減 振 裝置。在加速度改變的過程中，為了保證加工輪廓的精度，采用“平振裝置”能夠避免可能的振動(dòng)，這是現(xiàn)代CNC的另一個(gè)特色。 (4) 進(jìn) 給 控制系統(tǒng)。為了滿足HSC機(jī)床的動(dòng)態(tài)要求，只能采用數(shù)字電機(jī)代替模擬電機(jī)。同老式的模擬電機(jī)相比，數(shù)字電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是有較高的可控快速進(jìn)給速率、較高的精度和轉(zhuǎn)速控制性、較大的補(bǔ)償和漂移范圍、較高安全性的M/C故障診斷、較高的Kv一因子和較易在機(jī)床上安裝,56,行業(yè)學(xué)習(xí),3.4 機(jī)床 HSC要求

15、機(jī)床床身能快速移動(dòng)，所以不充分考慮機(jī)床本身的設(shè)計(jì)就不能把數(shù)控系統(tǒng)的高性能轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的切削性能和可靠的操作,首先 是 定 位精度的問題。HSC要求CNC能快速處理大量的數(shù)據(jù)保證快速的進(jìn)給和保證機(jī)床的加速、減速性能，但是所有這些不能以損失定位精度為代價(jià)。光是實(shí)現(xiàn)CNC對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理是不夠的，機(jī)床必須攜帶巨大的負(fù)載做準(zhǔn)確的三維甚至五維移動(dòng)，當(dāng)機(jī)床做插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)甚至五個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿或齒輪齒條把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)必須有足夠的動(dòng)力克服機(jī)械運(yùn)動(dòng)阻力、切削力和工件的重量,5) 接口和數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于處理3D幾何圖形的HSC機(jī)床的CNC控制器來說，因?yàn)閿?shù)據(jù)量往往有幾兆字節(jié)，采用串聯(lián)接口(例如RS232)就要花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間。特別是在連續(xù)負(fù)載模式下過慢的傳輸速度對(duì)于主軸旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。由于這個(gè)原因，所有最新的控制器都必須能通過“以太”網(wǎng)直接輸送程序,57,行業(yè)學(xué)習(xí),HSC技 術(shù) 的另一個(gè)主要問題是在一定的溫度條件下保證機(jī)械精度。軸承、滾珠絲桿及導(dǎo)軌的摩擦