超高速與超精密加工技術(shù)-共47頁(yè)P(yáng)PT資料課件

1、超高速與超精密加工技術(shù) 班級(jí)：機(jī)械134碩姓名：袁培培 學(xué)號(hào)：2130737超高速加工技術(shù)一、概述二、超高速加工的機(jī)理三、超高速加工的關(guān)鍵技術(shù)四、超高速加工的現(xiàn)狀五、超高速加工的發(fā)展趨勢(shì)一、概述1、超高速加工的概念 一般認(rèn)為超高速加工是采用超硬材料的刀具和磨具，利用能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化制造設(shè)備，極大地提高材料的切除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。2、超高速切削的速度范圍 1、超高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異 鋁合金(Aluminum Alloy)：1600m/min以上 銅(Cu)：900-5000 m/min 鋼(Steel)：500-2000 m/min

2、灰鑄鐵(Gray cast iron)：1500m/min以上 鈦(Ti)：150-1000m/min2、超高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同車削(Turing)：700-7000 m/min銑削(Milling)：300-6000 m/min鉆削(Drilling)：200-1100 m/min磨削(Grinding)：250 m/s以上 鏜削（Boring）：35-75m/min3、超高速加工的特點(diǎn)1、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；2、材料切除率高 單位時(shí)間內(nèi)切除率可提高3-5倍；3、加工精度高 切削激振頻率遠(yuǎn)高于

3、機(jī)床系統(tǒng)固有頻率，加工平穩(wěn)、振動(dòng)??；4、熱變形小 溫升不超過(guò)3C ，90%切削熱被切屑帶走；5、減少工序 工件加工可在一道工序中完成，稱為 “一次過(guò)”技術(shù)（One pass machining）；6、超高速切削可以加工難加工的材料 例如 ，航空和動(dòng)力部門(mén)大量采用的鎳基合金和鈦合金，在普通加工中一般采用很低的切削速度，若采用超高速切削，則其切削速度可達(dá)到100-1000m/min，是常規(guī)切削速度的10倍左右。二、超高速加工的機(jī)理 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。 超

4、高速磨削（Super High-speed grinding）：是一種先進(jìn)的高速磨削技術(shù)，它集成了高速磨削、CBN（立方氮化硼）超硬磨料及CNC 車削技術(shù)，具有優(yōu)良的加工性能。1、超高速切削機(jī)理 德國(guó)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)切削適應(yīng)區(qū) 圖1 Salomon切削溫度與切削速度曲線軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金8501600 1200800400切削溫度/切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬 在1931 年4 月，根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線，提出著名的“薩

5、洛蒙曲線”和高速切削理論。圖2 切削速度變化和切削溫度的關(guān)系 高速切削理論認(rèn)為：一定的工件材料對(duì)應(yīng)有一個(gè)臨界切削速度，在該切削速度下溫度最高。分為三個(gè)切削速度區(qū)：（1）常規(guī)的切削速度區(qū)：切削溫度隨著切削速度的增大而提高；（2）不能切削區(qū)：此區(qū)切削速度下，切削溫度過(guò)高，刀具不能承受；（3）高速切削區(qū)：當(dāng)切削溫度達(dá)到某一數(shù)值后，切削溫度不再升高，反而隨著切削速度的升高呈下降趨勢(shì)，切削溫度降到刀具能承受的切削速度時(shí)，即為高速切削的最低速度。 給我們的啟示：如果切削速度能超越切削“死谷”（B區(qū)）在超高速切削區(qū)內(nèi)（C區(qū)）進(jìn)行切削，則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削，從而大大減少切削工時(shí)，成倍地提高機(jī)床的生

6、產(chǎn)率。 但是實(shí)驗(yàn)表明：薩洛蒙超高速切削理論并不適用于所有的加工材料，有些材料在超高速切削時(shí)不存在不能切削區(qū)。2、超高速磨削的機(jī)理 在保持其他參數(shù)不變的情況下，隨著磨削速度的大幅度提高，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，每個(gè)磨粒切下的最大磨屑厚度變小，磨屑變得非常細(xì)薄，這就會(huì)導(dǎo)致每個(gè)磨粒承受的磨削力大大變小，總切削力降低。 但若使最大磨屑厚度保持不變，增大切削速度，由于單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，磨除的磨屑增多，磨削效率會(huì)大大提高。三、超高速加工的關(guān)鍵技術(shù)1、超高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù) 1）超高速切削刀具技術(shù) 2）超高速切削機(jī)床技術(shù) 3）超高速切削工藝技術(shù) 4）超高速切削加工測(cè)試技術(shù)2、超高速磨

7、削的關(guān)鍵技術(shù)1） 超高速磨削砂輪技術(shù)；2）超高速磨床主軸及其軸承技術(shù)；3）砂輪、工件安裝定位及安全防護(hù)技術(shù)；4） 磨削液及其供給技術(shù)；5）磨削狀態(tài)檢測(cè)及數(shù)控技術(shù)。四、超高速加工的現(xiàn)狀 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家較早就開(kāi)展了超高速切削加工的研究，德國(guó)、日本、美國(guó)和意大利等國(guó)的研究水平處于領(lǐng)先地位。 自20年代Saloman提出高速加工(High Speed Cutting, 簡(jiǎn)稱HSC)的概念后,超高速加工在德國(guó)得到了快速的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆床乃至各種超高速加工中心等。 HSM600U型數(shù)控五軸高速加工中心生產(chǎn)

8、廠家：瑞士Mikron（米克朗） 主軸轉(zhuǎn)速：最高42000 r/min 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 日本的工業(yè)界善于吸收世界各國(guó)的研究成果，并迅速應(yīng)用到其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中去。在超高速機(jī)床的研制和生產(chǎn)方面日本后來(lái)居上。20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本的機(jī)床制造廠推出了不少超高速切削加工中心和各種數(shù)控銑床，其主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)20000-100000r/min，主傳動(dòng)功率為10-40kw，工作臺(tái)最大進(jìn)給和快速空程速度為15-75m/min，并已成為世界上超高速機(jī)床的主要提供者。 我國(guó)有關(guān)單位在研究和開(kāi)發(fā)超高速機(jī)床加工技術(shù)亦取得

9、不小進(jìn)步。北京機(jī)床研究所生產(chǎn)出主軸轉(zhuǎn)速達(dá)8000r/min、功率達(dá)7kw的立式加工中心。同濟(jì)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)分別對(duì)主軸單元?jiǎng)犹匦院椭本€電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。東北大學(xué)研究了熱壓氮化硅陶瓷球軸承,建立了超高速磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái),能進(jìn)行200m/s的磨削加工試驗(yàn)。然 而，我國(guó)在超高速加工技術(shù)方面的總體同國(guó)外相比尚有較大差距。五、超高速加工的發(fā)展趨勢(shì)（1）擴(kuò)大材料加工范圍；（2）實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控； （3）節(jié)省能源,實(shí)現(xiàn)綠色加工；（4）拓展超高速加工方法的種類； （5）采用高精度定位系統(tǒng)； （6）改善研究和試驗(yàn)條件。超精密加工技術(shù)一、概述二、超精密加工方法三、超精密加工的主要影響因素四、超精密

10、加工的現(xiàn)狀五、超精密加工的發(fā)展趨勢(shì)一、概 述 1、超精密加工的概念 在機(jī)械加工領(lǐng)域中，某個(gè)歷史時(shí)期所能達(dá)到的最高加工精度的各種精密加工方法的總稱。目前，如果從零件的加工精度來(lái)劃分的話，可以把亞微米以上精度（尺寸精度高于0.1m，Ra小于0.025m）的加工方法稱為超精密加工。 2、不同時(shí)期的精密和超精密加工的精度20世紀(jì)50年代前精密加工精度5m以上超精密加工精度1m以上20世紀(jì)50年代后精密加工精度3-5m超精密加工精度1m20世紀(jì)70年代精密加工精度1m超精密加工精度0.1m目 前精密加工精度 0.1m超精密加工精度0.01-0.001m3、超精密加工的范疇超精密加工的范疇： 1、微細(xì)加工

11、2、超微細(xì)加工3、光整加工4、精整加工4、超精密加工的應(yīng)用 超精密加工技術(shù)主要應(yīng)用于：尖端技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、微電子工業(yè)、激光技術(shù)、航空航天、衛(wèi)星、計(jì)量、光學(xué)儀器、大規(guī)模集成電路、民用產(chǎn)品等。二、超精密加工的方法1、超精密切削2、超精密磨削3、超精密特種加工1、超精密切削 超精密切削主要是指金剛石超精密切削，金剛石刀具超精密切削主要用于加工銅、鋁等有色金屬，如高密度硬磁盤(pán)的鋁合金基片、激光器的反射鏡、復(fù)印機(jī)的硒鼓、光學(xué)平面鏡，凹凸鏡、拋物面鏡等。中小型精密冪件的加工精度超精密切削加工的技術(shù)特點(diǎn)1、材料微量加工性的影響2、單位切削力大3、切削溫度4、刃口圓弧半徑對(duì)最小切削厚度的限制5、刀具的磨損和破

12、損6、切削過(guò)程中的微振動(dòng)7、積屑瘤對(duì)加工過(guò)程的影響 2、超精密磨削 超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，表面粗糙度Ra0.02-0.01m的一種鏡面磨削方法。 超精密磨削的機(jī)理1、微刃的微切削作用；2、微刃的等高切削作用；3、微刃的滑擠、摩擦、拋光作用。超精密磨削加工固體磨料加工固結(jié)磨具精密砂輪磨削油石研磨精密珩磨涂覆磨具砂帶磨削砂帶研拋游離磨料加工精密研磨精密拋光3、超精密特種加工 超精密特種加工是將電、磁、光、熱等物理及化學(xué)能量或其組合乃至與機(jī)械能組合直接施加在被加工的部位上，從而使材料被去除、變形及改變性能的非傳統(tǒng)超精密加工方法。 超精密特種加工主要包括高束能加工、單一能量加工，

13、復(fù)合加工、制作集成電路的一些微細(xì)加工等。超精密特種加工的特點(diǎn)1、刀具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；2、有助于提高工件的加工精度和表面質(zhì)量；3、各種加工方法可以有選擇地復(fù)合成新的工藝方法，使生產(chǎn)效率成倍地增長(zhǎng)，加工精度也相應(yīng)地提高；4、幾乎每產(chǎn)生一種新的能源，就有可能產(chǎn)生一種新的精密、超精密特種加工方法。三、超精密加工的主要影響因素 1、超精密加工機(jī)床2、超精密加工刀具3、工件材料4、超精密測(cè)量5、加工環(huán)境 （1）超精密加工機(jī)床 超精密加工機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超精密加工的首要條件。它應(yīng)滿足如下要求： 1）高精度 2）高剛度 3）高穩(wěn)定性 4）高自動(dòng)化 （2）超精密加工刀具 為實(shí)現(xiàn)超精密所要保證的加

14、工精度和表面質(zhì)量，超精密刀具應(yīng)滿足如下兩方面要求。1、刀具切削部分的幾何要求1）刃口能磨得極其鋒銳，刃口鈍圓半徑值極小，能實(shí)現(xiàn)超薄切削。2）具有不產(chǎn)生走到痕跡、強(qiáng)度高、切削阻力非常小的刀具切削部分幾何形狀。3）刀刃無(wú)缺陷，切削時(shí)刃形將復(fù)印在加工表面上，能得到超光滑的鏡面。2、刀具材料的物理及化學(xué)性能 1）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模 量， 保證刀具有很長(zhǎng)的壽命和很高的尺寸耐用度。 2）和工件材料的抗粘性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。 目前超精密切削中一般都使用單晶體金剛石特別是天然單晶體金剛石刀具。這主要是因?yàn)樘烊?單晶體金剛石有著一系列優(yōu)異的特性，能滿足

15、超精密切削加工對(duì)刀具材料的要求。美國(guó)在20世紀(jì)50年代末，首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)加工，稱“SPTD（Single Point Diamond Turning）技術(shù)”。在超精密發(fā)展的初期，人們把金剛石刀具切削和超精密切削等同起來(lái)。（3）工件材料 用于超精密加工的材料，其化學(xué)成分應(yīng)準(zhǔn)確、質(zhì)地均勻、無(wú)雜質(zhì)；物理力學(xué)性能穩(wěn)定、一致，無(wú)外部和內(nèi)部微觀缺陷；加工工藝性能也要有嚴(yán)格的要求。 其冶煉、鑄造、軋碾、熱處理等工藝過(guò)程均應(yīng)嚴(yán)格控制。一般來(lái)說(shuō)，材料的剛度高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低對(duì)提高材料加工過(guò)程中的精度是有利的。（4）超精密測(cè)量 精密加工技術(shù)和測(cè)量技術(shù)總是緊密相關(guān)的，因?yàn)闆](méi)有高精度的測(cè)

16、量手段，就不能評(píng)價(jià)超精密加工精度。通常，測(cè)量?jī)x器的精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 對(duì)于高精度的尺寸、幾何形狀及位置要求等，可采用分辨率為0.01-0.001的電感測(cè)微儀以及激光干涉儀等來(lái)檢測(cè)；主軸回轉(zhuǎn)精度可用電容測(cè)微儀來(lái)測(cè)量；導(dǎo)軌直線度可用自準(zhǔn)值儀、激光干涉儀來(lái)測(cè)量；表面形貌及表面粗糙度可用 表面輪廓儀、隧道顯微鏡來(lái)測(cè)量；表面層的應(yīng)力、變質(zhì)層、微裂紋等缺陷可用X光衍射法、激光干涉法等來(lái)測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展接觸式測(cè)量技術(shù)逐步向非接觸式傳感測(cè)量技術(shù)發(fā)展。（5）加工環(huán)境 超精密加工不僅要有精密的加工設(shè)備、加工刀具以及超精密測(cè)量?jī)x器和手段，高穩(wěn)定性的加工環(huán)境也是保證超加工精度的主要因素。加工環(huán)境主要

17、有溫度、濕度、凈化和防震等方面的要求。 環(huán)境溫度可根據(jù)不同加工要求控制在20攝氏度左右，并采用專門(mén)恒溫室和恒溫罩的局部恒溫來(lái)達(dá)到恒溫要求。 在恒溫室內(nèi)，濕度一般保持在55%-60%以防止設(shè)備銹蝕以及一些儀器的影響（如激光干涉儀的零點(diǎn)漂移等）。 超精密加工應(yīng)在高潔凈室內(nèi)進(jìn)行?；覊m的混入會(huì)使工件表面劃傷，使工件精度受到影響，為此要進(jìn)行空氣的凈化處理。根據(jù)加工性質(zhì)與加工零件要求的不同，通常要求潔凈度為你100-10000級(jí)。（即每立方英尺體積中直徑大于0.5 m的灰塵粒不得超過(guò)100-10000個(gè)）。 在超精密切削加工中，振動(dòng)對(duì)加工精度、表面粗糙度均有較大影響，且會(huì)降低金剛石刀具的使用壽命。其中，機(jī)

18、床振動(dòng)已有本身解決，而為防止由外界傳入的振動(dòng)，就需要將加工設(shè)備安放在帶防振溝和隔振器的防振地基上，同時(shí)可將加工設(shè)備放在空氣彈簧墊上來(lái)隔離低頻振動(dòng)。 超精密加工有時(shí)還需要一些特殊工作環(huán)境，如防磁、防靜電、防電子輻射、防X射線、防原子輻射等，則可根據(jù)需要進(jìn)行整體環(huán)境或局部環(huán)境的處理。四、超精密加工的現(xiàn)狀 超精密加工技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有美國(guó)、英國(guó)和日本。這些國(guó)家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。 美國(guó)是最早也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的研究超精密加工技術(shù)的國(guó)家。早在20世紀(jì)50年代末美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削加工技術(shù)，即“SPDT技術(shù)”，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床。該國(guó)還先后研制出多種不同規(guī)模的CNC超精密車床，代表當(dāng)代最高水平的CNC超精密金剛石車床LODTM于1984在美國(guó)勞倫斯.利佛莫爾(Lawrence Livemore Laboratory)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制成功，其加工精度可達(dá)0.25 m，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.0076 m，至今仍是世界上公認(rèn)的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。 英國(guó)也是研究超精密加工技術(shù)較早的國(guó)家之一，英國(guó)Cranfeild