工學超高速加工技術(shù)

工學超高速加工技術(shù)第1頁/共31頁高速加工技術(shù)：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)。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。超高速切削（SuperHigh-speedCutting）:采用比常規(guī)速度高得多的切削速度進行加工的一種高效新工藝方法。以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的5～10倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000r/min。高速加工的概念與特征第2頁/共31頁

高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異◎車削(Turing)：700-7000m/min◎銑削(Milling)：300-6000m/min◎鉆削(Drilling)：200-1100m/min◎磨削(Grinding)：50-300m/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(AluminumAlloy)：1000-7000m/min◎銅(Cu)：900-5000m/min◎鋼(Steel)：500-2000m/min◎灰鑄鐵(Graycastiron)：800-3000m/min◎鈦(Ti)：100-1000m/min第3頁/共31頁德國切削物理學家CarlSalmon

博士1929年進行了超高速模擬實驗。2.切削理論的提出切削適應區(qū)

圖1Salomon切削溫度與切削速度曲線軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應區(qū)非鐵金屬第4頁/共31頁圖2切削速度變化和切削溫度的關(guān)系

在1931年4月，根據(jù)實驗曲線，提出著名的“薩洛蒙曲線”和高速切削理論。第5頁/共31頁切削力低

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.高速加工的特點材料切除率高

單位時間內(nèi)切除率可提高3-5倍；圖3加工零件第6頁/共31頁高精度

切削激振頻率遠高于機床系統(tǒng)固有頻率，加工平穩(wěn)、振動?。粶p少工序

工件加工可在一道工序中完成，稱為

“一次過”技術(shù)（Onepassmachining）。

A為高速切削加工時的熱傳導過程

B為傳統(tǒng)加工的熱傳導過程

圖4熱傳導對比圖熱變形小

溫升不超過3oC，90%切削熱被切屑帶走；第7頁/共31頁

圖5HSM600U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42000rpm主軸功率：13KW進給速度：最高40m/min

定位精度：0.008mm重復定位精度：0.005mm高速加工技術(shù)的發(fā)展與應用第8頁/共31頁圖6HSM系列高速五軸聯(lián)動小型立式加工中心第9頁/共31頁圖9HSM400加工極高表面光潔度的硬鋼HRC62、鋁、銅、塑料工件圖7HSM800圖8HSM600第10頁/共31頁高速切削加工應用（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)斗機的起動減速板第11頁/共31頁鋁合金整體零件：

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高速銑削典型工件第12頁/共31頁（2）汽車制造。專用機床5軸×4工序=20軸（3萬件/月）剛性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固定不變）1234鉆孔表面倒棱內(nèi)側(cè)倒棱鉸孔表面和內(nèi)側(cè)倒棱高速鉆孔高速加工中心1臺1軸1工序（3萬件/月）柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變）圖12汽車輪轂螺栓孔高速加工實例（日產(chǎn)公司）第13頁/共31頁（3）模具制造。

圖13采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修第14頁/共31頁b）高速模具加工的過程圖14兩種模具加工過程比較1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修

a）傳統(tǒng)模具加工的過程1毛坯→2粗銑→3半精銑→4熱處理→5電火花加工→6精銑→7手工磨修

電極制造第15頁/共31頁生產(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第16頁/共31頁

（4）難加工材料領(lǐng)域。硬金屬材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可達IT5~IT6級，粗糙度可達0.2～1um。

（5）超精密微細切削加工領(lǐng)域。粗銑整體鋁板；精銑去口；鉆680個直徑為3mm的小孔。時間為32min。圖16高速切削加工醫(yī)用藥盒第17頁/共31頁高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)1.高速主軸

高速化指標：dmn值，至少達到1×106

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。

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。

第18頁/共31頁陶瓷球軸承圖17陶瓷軸承高速主軸密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸陶瓷球軸承冷卻水出口冷卻水入口

陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)第19頁/共31頁前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器圖18

磁浮軸承高速主軸

磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)第20頁/共31頁放大器電磁鐵（定子）傳感器轉(zhuǎn)子

圖19磁懸浮軸承工作原理控制器第21頁/共31頁

2.快速進給系統(tǒng)伺服電動機+大導程高速精密滾珠絲杠副；直流直線電機、交流永磁同步直線電動機、交流感應異步直線電動機的進給系統(tǒng)。3基座4磁性軌道5直線電機6直線導軌7直線光柵8平臺9接口電纜10防護罩圖20結(jié)構(gòu)圖

3.高性能的CNC控制系統(tǒng)第22頁/共31頁圖21六桿機床（并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)）

4.先進的機床結(jié)構(gòu)第23頁/共31頁圖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)第24頁/共31頁工件材料最佳前角數(shù)值最佳后角數(shù)值鋁合金12°~15°13°~15°銅材0°~5°12°~16°鑄鐵0°12°銅合金8°16°纖維強化復合材料20°15°~20°

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第25頁/共31頁磨削(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（Grindingspeed）:

指砂輪表面磨粒在工件材料上進行刻劃切削的運動速度，通常就是砂輪周邊的回轉(zhuǎn)線速度，單位m/s。高速磨削(High-speedgrinding)：磨削速度在100m/s以上。超高速磨削(Superhigh-speedgrinding):150m/s以上即常規(guī)速度五倍以上的高速磨削。高速磨削加工第26頁/共31頁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-信號傳送單元2-緊固發(fā)蘭盤3-內(nèi)裝電子驅(qū)動平衡塊4-磨床主軸

第27頁/共31頁2.高速磨床結(jié)構(gòu)圖24直線電機驅(qū)動高速平面磨床第28頁/共31頁3.高速磨削砂輪1）要求：砂輪基體的機械強度必須能承