先進制造工藝技術(shù)(超高速加工)講解課件

1、 超高速加工技術(shù)第1頁，共44頁。本章內(nèi)容一、超高速加工的定義及產(chǎn)生背景 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具和能可靠地實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設(shè)備以極大地提高切削速度來達到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造技術(shù)。第2頁，共44頁。二、超高速加工理論及其發(fā)展 20世紀30年代德國物理學(xué)家dr.carl salomon以大直徑圓鋸片對不同的工件進行了高速切削實驗。 50年代末期，得到科學(xué)家和工程師的重視展開了一系列模擬實驗。 1977年美國第一次在真正的機床上實現(xiàn)了超高速切削。 80年代中期德國darsmtadt大學(xué)和40多家制造企業(yè)在政府的資助下，對高速機床、

2、刀具、控制系統(tǒng)和安全防護等進行全面研究。其研究成果反映在H.Schulz教授的專著金屬和非金屬的高速銑削中。 90年代日本后來居上。第3頁，共44頁。二、超高速加工理論及其發(fā)展國外一些高速加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為： 主軸最高轉(zhuǎn)速：最高4000060000r/min坐標(biāo)軸加工最高速：3060m/min，快速移動：7080m/min；換刀時間：1.53.5 s ，0.80.9 s ；托板交換：68s第4頁，共44頁。三、高速切削、磨削的優(yōu)點小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量極小，因而機床主軸、導(dǎo)軌的受力就小，機床的精度壽命長， 同時刀具壽命也延長了。 雖然切削深度和厚度小，但主軸轉(zhuǎn)速高，進給速

3、度快，單位時間內(nèi)的金屬切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。 將粗加工、半精加工、精加工合為一體，在一臺機床上完成，減少了機床臺數(shù)，避免由于多次裝夾使精度產(chǎn)生誤差。 可加工高硬度、難加工材料(62HRC左右)，可以鉆1mm以下的小孔。 加工時間短，經(jīng)濟性能好。第5頁，共44頁。四、高速切削、磨削的應(yīng)用有色金屬，特別是鋁薄壁加工，如厚度0.1mm、高幾十mm的成形曲面。 石墨加工，模具型腔制造中，采用電火花腐蝕加工，石墨電極被廣泛使用。石墨很脆，必須用高速切削才能較好地進行成形加工。 模具，特別是淬硬模具?？梢灾苯忧谐瞿＞撸∪C加工電加工的幾道工序，節(jié)約工時；還可達到很高的表面質(zhì)量(Ra0.

4、4um)，省去了電加工后面的磨削和拋光的工序；切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài)，提高模具工件表面的耐磨程度。 硬的、難切削的材料，如耐熱不銹鋼等。第6頁，共44頁。五、超高速加工技術(shù)發(fā)展趨勢 超高速切削的發(fā)展趨勢：高效高速化；實用廉價化；復(fù)合化等 超高速磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢：高柔性自動化系統(tǒng)+超硬磨料磨具+各種高速高效磨削技術(shù)。第7頁，共44頁。超高速加工技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：超高速切削、磨削機理；超高速主軸單元制造技術(shù)； 超高速加工進給單元制造技術(shù)；超高速加工用刀具、磨具； 超高速加工機床支承及輔助單元制造技術(shù)；超高速加工測試技術(shù)。第8頁，共44頁。1、超高速切削、磨削機理隨著切削線速度的增

5、加，溫度及刀具磨損會劇烈增加，當(dāng)切削線速度達到超過某臨界值時，切削溫度及切削力會減小，然后又隨著切削速度的增加而急劇增加第9頁，共44頁。2、 超高速主軸單元制造技術(shù)主軸的驅(qū)動方式電動機通過帶傳動：變頻電機，電機經(jīng)精密動平衡，置于單獨地基，柔軟絲質(zhì)傳動帶。（優(yōu)點：可隔離電機振動；缺點：布置不方便）電動機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動：電機、主軸在同一軸線上，變頻電機，電機經(jīng)精密動平衡，柔性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。（優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)精度高；缺點：軸向尺寸增加，機床尺寸增加）內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動：電機軸即機床主軸，無刷式直流電動機。第10頁，共44頁。內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動優(yōu)點主軸是電機的轉(zhuǎn)子，定子裝入主軸套筒內(nèi)，取消

6、了傳統(tǒng)的電機經(jīng)齒輪和皮帶傳動主軸的結(jié)構(gòu)，減少了振動，增加了可靠性，可獲得高轉(zhuǎn)速和高的加(減)角速度，轉(zhuǎn)速達到042000r/min，甚至更高。結(jié)構(gòu)簡化，造價下降，精度和可靠性提高。噪聲、振動源消除，主軸自身熱源消除?；剞D(zhuǎn)精度高，摩擦振動小，主軸箱成為緊湊、獨立、方便移動的部件，第11頁，共44頁。內(nèi)裝式同軸電動機示例第12頁，共44頁。內(nèi)裝式同軸電動機主軸支撐形式陶瓷軸承、靜壓軸承、動壓軸承、空氣軸承以及氣油潤滑、噴射潤滑等技術(shù)第13頁，共44頁。內(nèi)裝式同軸電動機主軸溫升熱升溫引起主軸熱變形的解決辦法：采用電子傳感器控制溫度，使用水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速下成為“恒溫”；而用油霧潤滑、混

7、合陶瓷軸承等新技術(shù)，使得主軸可以免維護、長壽命、高精度。舉例：STEPTEC的電主軸采用了矢量式閉環(huán)控制、高動平衡的主軸結(jié)構(gòu)、油霧潤滑的混合陶瓷軸承，可以隨室溫調(diào)整的溫度控制系統(tǒng)，確保主軸在全部工作時間內(nèi)溫度衡定。第14頁，共44頁。液體靜壓主軸液體靜壓主軸空氣靜壓軸承主軸第15頁，共44頁。液體靜壓主軸靜壓軸系：軸承間隙內(nèi)介質(zhì)壓強由外部供給，忽略主軸旋轉(zhuǎn)時的動壓效應(yīng)，承載能力不受主軸轉(zhuǎn)速的影響，此外，主軸浮起后是純液體或氣體摩擦，主軸旋轉(zhuǎn)后軸線偏移量比軸頸軸套的加工誤差小得多。適合于調(diào)速范圍和載荷變化大得精密設(shè)備原理優(yōu)點：回轉(zhuǎn)精度高、剛性大、轉(zhuǎn)動穩(wěn)、無振動，保護金屬第16頁，共44頁。液體靜

8、壓主軸(續(xù))缺點：油溫易升高，不同轉(zhuǎn)速溫升不同，控制困難；易將空氣帶入油源，使油中產(chǎn)生懸浮微小氣泡，降低剛性和動態(tài)特性。解決途徑：提高壓力油油壓，減小油中氣泡的影響；設(shè)置恒溫油箱控制靜壓軸承用油；軸承用恒溫水冷卻第17頁，共44頁。空氣靜壓軸承主軸優(yōu)點：回轉(zhuǎn)精度更高、溫升很??；可用于高速；氣體無需回收、密封以及不污染環(huán)境。缺點：承載能力和剛性比液體靜壓軸承低；氣體支撐容易引起氣錘現(xiàn)象而導(dǎo)致失穩(wěn)；制造精度要求極高；不能保護金屬，帶水分氣體會腐蝕金屬。第18頁，共44頁。空氣靜壓軸承主軸(續(xù))典型結(jié)構(gòu)：圓柱徑向軸承和端面止推空氣靜壓軸承；雙半球空氣軸承主軸；前部球形后部圓柱徑向空氣軸承的主軸；立式

9、空氣軸承；第19頁，共44頁。超精密機床主軸和軸承的材料要求：不易磨損；不易腐蝕生銹；熱膨脹系數(shù)?。环€(wěn)定性好。制造空氣主軸和軸套的材料：38CrMoAl氮化鋼、不銹鋼、多孔石墨和軸承鋼發(fā)展中的材料：銦鋼、花崗石、微晶玻璃、陶瓷第20頁，共44頁。3、超高速加工用刀具、磨具對刀具的要求：具有足夠的耐熱性、耐磨性和耐破損性的刀具材料常用材料：涂層碳化鎢硬質(zhì)合金、碳(氮)化鈦硬質(zhì)合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼(CBN)、立方/六方復(fù)合氮化硼(WBN)和聚晶金剛石(PCD)等。各種常用材料的高速切削速度：鋁合金10007000m/min；銅合金9005000m/min；鋼5002000m/min;灰鑄

10、件8003000m/min。其進給速度范圍一般為225m/min。 第21頁，共44頁。3、 超高速加工用刀具、磨具刀具材料根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)的選擇：陶瓷(AlO，SiN)、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于鋼、鐵等黑色金屬；PCD 和CVD等刀具則適用于對鋁、鎂、銅等有色金屬。 刀具材料及制備技術(shù)聚晶金剛石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)高速磨削砂輪和超硬磨料、結(jié)合劑、基體的開發(fā)應(yīng)用高速磨削用超硬磨具的制備及應(yīng)用第22頁，共44頁。刀具材料發(fā)展與車削高速化的關(guān)系第23頁，共44頁。4、超高速加工機床支承及輔助單元制造技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)床身結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌驅(qū)動電機：直線電機刀具的

11、材料和技術(shù)采用油霧潤滑加工區(qū)，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。其他支撐環(huán)境第24頁，共44頁。數(shù)控系統(tǒng)可同時控制8根以上軸，實現(xiàn)五軸聯(lián)動。多個CPU，數(shù)據(jù)塊處理時間不超過0.4ms；配置功能強大的后置處理軟件，運算速度快，仿真能力強且具備程序運行中的“前視”功能，隨時干預(yù)，隨時修改。外接插口，數(shù)據(jù)傳輸速度快，甚至可與以太網(wǎng)直聯(lián)；加上全閉環(huán)的測量系統(tǒng)，配合使用數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)，機床的線性移動可以實現(xiàn)12g的加速和減速運動。矢量式閉環(huán)控制：借助數(shù)/模轉(zhuǎn)換，將交流異步電動機的電量值變換為直流電模型，具有無電刷的交流電機的優(yōu)點，即在低轉(zhuǎn)速時，保持全額扭矩，功率全額輸出，主軸電機快速起動和制動。第25頁，共

12、44頁。床身結(jié)構(gòu)落地式床身，整體鑄鐵結(jié)構(gòu)，龍門式框架的主軸立柱，盡可能由主軸部件來實現(xiàn)二軸甚至三軸的線性移動。由于刀具重量變化極小，在工件乃至工作臺不進行快速線性移動的情況下， 機床快速線性移動的部件的重量近乎常量，更容易實現(xiàn)快速加速和減速情況下的運動慣量及實現(xiàn)動態(tài)平衡，減少由于動態(tài)沖擊所帶來的不穩(wěn)定，保證穩(wěn)定的且更高的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。第26頁，共44頁。導(dǎo)軌線性的滾動導(dǎo)軌，代替過去的滑動導(dǎo)軌，其移動速度、摩擦阻力、動態(tài)響應(yīng)，甚至阻尼效果都發(fā)生了質(zhì)的改變。導(dǎo)軌的基本要求：導(dǎo)向精度高、剛度大、耐磨、運動靈活和平穩(wěn)導(dǎo)軌的基本類型：燕尾形、平面、V-平面導(dǎo)軌偶合面的結(jié)構(gòu)形式：導(dǎo)軌表面耐磨塑料層；

13、導(dǎo)軌接觸面強迫潤滑；滾動導(dǎo)軌；液體靜壓導(dǎo)軌；氣浮導(dǎo)軌；空氣靜壓導(dǎo)軌等。第27頁，共44頁。導(dǎo)軌類型V-平導(dǎo)軌：磨損后可自動補償，保持間隙和潤滑；但V導(dǎo)軌和平導(dǎo)軌磨損不一致，工作臺下降不均勻；載荷中心偏向平導(dǎo)軌時，導(dǎo)向精度下降；雙V形導(dǎo)軌：提高了機床的抗扭能力，同時起導(dǎo)向和支撐作用，導(dǎo)向精度高；磨損均勻；載荷偏離中央仍有良好導(dǎo)向性；但屬于過定位，加工精度要求很高，加工工藝性差；當(dāng)床身與工作臺熱變形量不同時，很難保證良好接觸； 壓力油潤滑導(dǎo)軌：非液體或氣體靜壓導(dǎo)軌時，用壓力油潤滑提高導(dǎo)軌的直線運動精度、減小摩擦。第28頁，共44頁。驅(qū)動電機：直線電機優(yōu)點：快速、精密、高精度和耐用。顯著地減少諸如摩

14、擦力、間隙和磨損等機械傳動特性的影響獲得一致的高精度的位移運動、動態(tài)位移和精確的定位快速行程可達到60m/min。第29頁，共44頁。刀具的材料和技術(shù)高速切削時，不需大的切削扭矩，刀柄不再是傳統(tǒng)的錐柄，而是短圓柄，即HSK型柄，刀柄的定位方式為靠110的錐部與主軸內(nèi)錐面定心，同時刀柄凸緣端面與主軸前端面緊貼，從而獲得高轉(zhuǎn)速的聯(lián)接剛性。（克服傳統(tǒng)加工中心使用的724實心錐柄刀桿在高轉(zhuǎn)速時的弱點），不需拉釘，主軸鎖緊裝置要充分考慮離心力的影響。重要的是需要動平衡， 即需加上動平衡環(huán)，在裝好刀具后，由動平衡儀進行平衡。刀具本身采用通體硬質(zhì)合金刀，或在硬質(zhì)合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金剛石，

15、即PCD等，使刀具可以承受高達300500m/min的切削線速度。第30頁，共44頁。其它采用油霧潤滑加工區(qū)，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。新型換刀機構(gòu)和伺服驅(qū)動的托板交換裝置，提高了換刀速度和托板交換速度。第31頁，共44頁。支撐環(huán)境空氣環(huán)境：潔凈度、氣流速度、壓力和有害氣體等熱環(huán)境：包括溫度、濕度對加工精度的影響振動環(huán)境的干擾：影響加工精度和表面質(zhì)量（積極預(yù)防、實現(xiàn)隔振、消振）光環(huán)境：一般照明；局部照明；混合照明靜電環(huán)境潔凈室：將室內(nèi)空氣中塵埃微粒、溫度、濕度、壓力流速和氣流分布形式及形狀等控制在一定范圍內(nèi)的房間。第32頁，共44頁。2.7.7 超高速加工測試技術(shù)極高精度測量方法和測量技術(shù)的

16、發(fā)展雙頻激光測量系統(tǒng)、X射線干涉儀、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、精密測角度儀等在線自動測量技術(shù)的發(fā)展配精密數(shù)控的三坐標(biāo)測量儀測量數(shù)據(jù)的自動采集處理技術(shù)的發(fā)展硬件：微電子技術(shù)、計算機處理能力軟件第33頁，共44頁。主軸高速轉(zhuǎn)動示例第34頁，共44頁。主軸高速轉(zhuǎn)動加工示例第35頁，共44頁。坐標(biāo)軸快速移動示例第36頁，共44頁。坐標(biāo)軸高速加工示例第37頁，共44頁。高速深孔加工第38頁，共44頁。高速深孔加工第39頁，共44頁。高速加工實例汽車車門外覆蓋件拉延模具模具尺寸： 1400 x 1200 x 600模具重量： 2500kg毛坯材料：GGG30 材料硬度：HB240高速加工設(shè)備：Mecof 5軸聯(lián)動高速加工中心第40頁，共44頁。汽車車門外覆蓋件拉延模具的高速加工 第41頁，共44頁。高速加工實例刀具類型球型刀球型刀端銑刀鑲刀材料CBN BRAIE Wel dectTITIAI直徑：f （mm）20126410切削速度m/min630450340250350主軸速度rpm1600012000180002100011150進給率mm/mm80006000500050001000切深（mm）0.30.30.30.30.3進刀量0.40.20.20.20.