先進(jìn)制造技術(shù)第七次教案

1、授課時間月 日至月日課時數(shù)授課方式理論課口討論課口習(xí)題課口 實驗課口上機課口技能課口 其他口授課單元第二早先進(jìn)制造工乙技術(shù)（第二節(jié)圖速加工技術(shù)）目的與要求1掌握高速加工技術(shù)的概念、切削理論2 .掌握高速切削加工的優(yōu)點和應(yīng)用領(lǐng)域3 . 了解高速切削加工所涉及的關(guān)鍵技術(shù)重點與難點重點：1 .高速加工技術(shù)的概念；高速加工的切削理論2.高速切削加工的優(yōu)點和應(yīng)用領(lǐng)域難點：高速切削加工所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要內(nèi) 容第二節(jié)高速加工技術(shù)局速加工技術(shù)的概念；局速加工的切削速度范圍；圖速加工的切削理論；局速切 削加工的優(yōu)點和應(yīng)用領(lǐng)域；高速切削加工所涉及的關(guān)鍵技術(shù)教學(xué)方法手段（教具）講授；多媒體和板書相結(jié)合；運用啟發(fā)式

2、、講解式、討論式、提問式教學(xué)方法參考資料1 .盛曉敏著.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2000。2 .孫大涌者.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1999。3 .張根保著.先進(jìn)制造技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社，1996。4中國機械工程、機械工程學(xué)報、制造技術(shù)與機床等科技核心期刊。思考題、作業(yè)第三節(jié)高速加工技術(shù)一、高速加工的概念與特征普通加工超過70 %是輔助時間（零件的上下料、測量、換刀和調(diào)整機床）幾十年，主要是減少加工過程的輔助 時間。20世紀(jì)50年代美國麻省理工學(xué)院發(fā)明了數(shù)控技術(shù)，實現(xiàn)了多品種、小批量生產(chǎn)的柔性自動化， 成功解決了形狀復(fù)雜、重復(fù)加工精度高的零件的加工，節(jié)省了輔助工時，

3、提高了生產(chǎn)效率。機床空行程動作（自動換刀、上下料）大大加快，輔助工時也大為縮短。自動換刀時間縮短小于1s,空行程速度提高到3060m/min。但再減少輔助工時，技術(shù)上有難度，經(jīng)濟上不合算?？梢詼p少切削的工時，提高 切削速度和進(jìn)給速度。高速加工可以成倍提高機床的生產(chǎn)效率，還可以改善加工質(zhì)量和精度。高速加工技術(shù)：是指采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實現(xiàn)高速運動的自動化制造設(shè)備，極大地提高材料的 切除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。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。刀具：PCD CB

4、N超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、 Si3N4陶瓷、TiN基硬質(zhì)合金，涂層刀具。高速切削和普通切削的比較比較因素普通切削高速切削轉(zhuǎn)速（r/min ）小于1000010000切削力大小運動傳遞方式傳動鏈電主軸刀具材料普通超硬加工表面質(zhì)量一般好機床配置普通機床（國產(chǎn)）高速機床（進(jìn)口）機床價格低高環(huán)境狀況噪聲、油污、煙塵清潔生產(chǎn)1 .高速加工切削速度的范圍高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異鋁合金：1000-7000 m/min 銅：900-5000 m/min 鋼：500-2000 m/min 灰鑄鐵：800-3000 m/min 鈦：100-1000m/mi n高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同

5、車削:700-7000 m/min 銃削:300-6000 m/min 鉆削:200-1100 m/min 磨削:50-300 m/s2 .切削理論的提出泰勒（Frederick ）是最早研究金屬切削機理的學(xué)者之一。提出了傳統(tǒng)的切削速度和刀具壽命的關(guān) 系為線性，即刀具的速度越高，刀具的磨損越快。但在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)了違反這一規(guī)律的現(xiàn)象。由德國Carl Salmon博士，在1931年4月，根據(jù)實驗曲線，提出著名的“薩洛蒙曲線”和高速切削理論。Carl Salmon薩洛蒙對鋁和鑄銅等有色金屬進(jìn)行了高速實驗，所得結(jié)果圖中的實線所示。虛線是推算出來的，并沒有經(jīng)過實驗驗證。薩洛蒙指出：A區(qū)（常規(guī)切削區(qū)），

6、切削速度t隨切削溫度v的提高而升高，但是在B區(qū)（不可用切削區(qū)），當(dāng)速度V增大到某一數(shù)值VO后(v 0的大小同工件材料的種類有關(guān)) 而下降了。由于在這個區(qū)域，t太高，任何刀具材料都無法接受，切削加工不可能進(jìn)行，因此，這個區(qū)域被稱 之為“死 谷” 0C區(qū)，高速切削區(qū)。1952年美國教授首次主持了高速加工試驗：將刀具裝在炮里從滑臺射向工件或?qū)⒐ぜ?dāng)作子彈射向固定的刀具。結(jié)果是隨著切削速度的提高，塑性材料的切削形態(tài)將從帶狀、片狀向碎屑不斷演變；單位切削力初期呈上升趨勢，爾后急劇下降；刀具磨損減少了95%。切除率可提高501000倍。1970 年美國空軍和海軍先后也進(jìn)行了一系列的高速銃削試驗。指出：可以

7、大大縮短零件的加工過程， 提高生產(chǎn)率。銃削力減少了 70%可以實現(xiàn)厚度為薄筒件的銃削。3 .高速加工的特點加工效率高：進(jìn)給率較常規(guī)切削提高510倍，材料去除率可提高3-6倍切削力小：較常規(guī)切削至少降低30%徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形，適于加工薄壁件和 細(xì)長件切削熱小：加工過程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點 低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件加工精度高：刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動；又切削力小、熱變形小、殘余應(yīng)力小，易于保證加工精度和表面質(zhì)量減少工序：可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對硬表面進(jìn)行加工，

8、從而可使工 序集中在一道工序中完成。這對于模具加工具有特別意義二、高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用1976年，美國的Vought公司的高速銃床，采用了內(nèi)裝式電機主軸，轉(zhuǎn)速達(dá) 20000r/min，功率15KW1983年德國Guerhing Automation公司格林自動化公司，高速磨床，轉(zhuǎn)速10000r/min，功率60KW.高速電主軸組件，多線滾珠絲杠或直線電動機，高壓冷卻系統(tǒng)，安全保障系統(tǒng)。美國Ingersoll公司是高速機床應(yīng)用直線電動機的先鋒。該機床用于加工汽車模具的高速龍門銃床。三個坐標(biāo)都采用直線電動機驅(qū)動。主軸最高轉(zhuǎn)速20000r/min，快速移動40m/min。加工模具時，與傳統(tǒng)工藝比

9、較，加工時間從350h縮短到40h。已用在日本豐田公司模具加工。五軸加工中心的工作臺和銃頭可以多軸聯(lián)動實現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給，進(jìn)行曲面加工，復(fù)雜形腔曲面的模具類零件。 一般有兩種典型結(jié)構(gòu)：一種是兩個旋轉(zhuǎn)軸安裝在工作臺上，由工作臺帶動工件回轉(zhuǎn)進(jìn)給，完成多軸或多面加工。另一種是兩個旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動進(jìn)給都由主軸系統(tǒng)實現(xiàn)，即主軸具有B軸和A軸的回轉(zhuǎn)擺動，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削進(jìn)給，工作臺和工件固定不動。(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。飛機大梁、肋板、雷達(dá)組件、鈦和鈦合金零件、鋁或鎂合金壓鑄件。材料去除率達(dá)100180cm3/min?，F(xiàn)代 飛機構(gòu)件都采用整體加工技術(shù)，高速切削，加工出高精度的鋁

10、合金的構(gòu)件，不用釧接的工藝。如波音公司的F15戰(zhàn)斗機的起動減速板。由500個零件裝配而成，約為3個月。高速加工，整體銃削，僅需 幾天。高速切削可加工薄壁件達(dá)，孔直徑。高速五釉加工葉輪，提高效率。以直徑 120mm鋁葉輪，用普通加工需35分鐘，高速加工只需10分鐘。(2 )汽車工業(yè)領(lǐng)域。大批生產(chǎn)領(lǐng)域中鑄鐵和剛的高速切削。采用高速數(shù)控機床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn) 線，實現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)(3) 模具工具工業(yè)領(lǐng)域簡化加工手段，縮短加工周期，提高加工效率，降低成本?？梢灾苯釉诖阌膊牧霞庸ぁ？梢赃_(dá)到高表面質(zhì)量。省去了電加工，研磨和拋光的工序。鍛模和鑄模經(jīng)高速切削即可。高速銃削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電

11、火花成形加工，效率提高3-5倍。對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。高速切削加工電火花加工用工具電極比普通加工快12倍，而且不需要手工修整。如圖中的銅電極，粗銃:主軸轉(zhuǎn)速35000r/min，進(jìn)給速度6m/min;精銃：40000m/min，進(jìn)給速度8m/min。整體加工時間為29min， 提高了工具電極的加工速度。對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使 模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。j卜工電極制造1毛坯T 2粗銃T3半精銃T4熱處理T5電火花

12、加工T6精銃T7手工磨修 a）傳統(tǒng)模具加工的過程1硬化毛坯T2粗銃T3半精銃T 4精銃T 5手工磨修b）高速模具加工的過程圖兩種模具加工過程比較1292009-3-9（4）難加工材料領(lǐng)域。替磨削，精度可達(dá)IT5IT6級，粗糙度可達(dá)1硬金屬材料（HRC5A62），可代微米。（5）超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域。電路板上有許多左右的小孔，用高速加工。三、高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)高速主軸、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、先進(jìn)的機床結(jié)構(gòu)、高速加工刀具等。1 .高速主釉最關(guān)鍵部件。高速化指標(biāo)： dm n值，至少達(dá)到1X 106。目前，轉(zhuǎn)速范圍為1000025000r/min，進(jìn) 給速度達(dá)到10m/min以上。

13、電主軸：交流伺服電動機內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝在機床的主軸上，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)緊湊的特點。采用的軸承有：滾動軸承、氣體靜壓軸承、液體靜壓軸承、磁浮軸承。 陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)特征采用電動主軸（電機與主軸作成一體） 采用C或B級精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類似;采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4 ；與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點是：陶瓷球密度減小60%從而可大大降低離心力；陶瓷彈性模量比鋼高50%使軸承具有更高剛度；陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失；陶瓷耐磨性好,軸承壽命長。軸承轉(zhuǎn)速特征值（=軸徑（mr

14、） ix轉(zhuǎn)速（r/min ）較普通鋼釉承提高2倍，可達(dá)1 x106。液體靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)1 x 106，空氣靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)3x 106。磁浮釉承高速主軸主軸由兩個徑向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約。岡U度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4X106 0回轉(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達(dá)Pm。機械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復(fù)雜；又由于發(fā)熱多，對冷卻系統(tǒng)性能要求較高。2快速進(jìn)給系統(tǒng)機床工作臺要有很高進(jìn)給速度為60m/min以上，特殊情況可達(dá)120m/min，甚至更高；高加速度，一般要求12g，特殊可達(dá)到210g；高精度；高可靠性和高安全性

15、；合理的成本。伺副電動機+大導(dǎo)程高速精密滾珠絲杠副。用于中小載荷、中小速度(1040m/min)和中小加速度()的場合。直流直線電機、交流永磁同步直線電動機、交流感應(yīng)異步直線電動機的進(jìn)給系統(tǒng)。直線電機：進(jìn)給速度可達(dá) 160m/min，加速度可達(dá)。消除了機械傳動間隙和彈性變形，幾乎沒有反向間隙，是未來機床進(jìn)給傳動的基本形式。 用于高檔高速加工中心?？梢韵龣C械傳動系統(tǒng)的間隙和彈性變形。3.高性能的CNC控制系統(tǒng)要有很高的運算速度和精度，以及快速響應(yīng)的伺服控制。32位或64位CPU計算機處理軟件。幾何補償軟件。 4.先進(jìn)的機床機構(gòu)床身和工作臺的要求：高的動、靜剛度和抗振性；好的精度保持性；更好的抗

16、熱變形能力。采取的措施：床身、立柱、橫梁、工作臺等基礎(chǔ)件一般采用整體鑄造；多應(yīng)用高強度鑄鐵、聚合物混凝土、大 理石等材料。安全保障系統(tǒng)：在線監(jiān)控系統(tǒng)，來監(jiān)測刀具的破損；用足夠厚鋼板做安全罩，用防彈玻璃做觀察窗。5.高速加工刀具對刀具系統(tǒng)要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石刀具、立方氮花硼刀具。天然金剛石天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，根據(jù)其質(zhì)量不同，硬度范圍為HV8000-12000。天然金剛石是一種各向異性的單晶體，在晶體上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金剛石耐磨性極 好，刀具壽命可長達(dá)數(shù)百小時；刃口鋒利，切削

17、刃鈍圓半徑可達(dá)口 天然金剛石耐熱性為700-800 C,高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，硬度喪失。天然金剛石價格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光 鼓、多面鏡、磁盤等。聚晶金剛石 人造金剛石是在高溫高壓條件下，借助于某些合金觸媒的作用，由石墨轉(zhuǎn)化而成。在高溫高壓下，金剛石粉經(jīng)二次壓制形成聚晶金剛石(20世紀(jì)60年代出現(xiàn))。聚晶金剛石不存在各向異性,硬度略低于天然金剛石,為HV6500-8000。聚晶金剛石價格便宜，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石。金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴散，使 金剛石刀具很快磨損)1970年問世聚晶立方氮化硼（PCBNPolycrystalli ne Cubic Boro n Nitride較高的硬度和耐磨性50倍，涂層硬質(zhì)合金刀PCBN硬度HV3000-5000。切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的具的30倍