《超高速加工技術》PPT課件.ppt

1、Page 1,2020年8月2日,先進制造工藝技術,超高速加工技術,邢臺職業(yè)技術學院機電系,Page 2,2020年8月2日,概述 超高速加工技術的機理及特征 超高速加工技術的應用 超高速加工技術的相關技術,超高速加工技術,Page 3,2020年8月2日,超高速加工技術的歷史背景 20世紀50年代，美國麻省理工學院發(fā)明的數(shù)控技術被稱為現(xiàn)代制造技術的開端 80年代 ，工業(yè)發(fā)達國家數(shù)控化率已高達7080。隨著數(shù)控機床、加工中心和柔性制造系統(tǒng)的應用，使機械加工的輔助工時大大縮短。在這種情況下，輔助工時在生產(chǎn)過程中占的比重已經(jīng)較小，所以不能通過一味的減小輔助工時來提高生產(chǎn)率。而切削工時占了總工時的主

2、要部分，成為主要矛盾，只有大幅減少切削工時，提高切削速度和進給速度等，才能大幅提高生產(chǎn)率。,概述,Page 4,2020年8月2日,超高速加工技術的歷史背景 圖 不同年代切削加工的制造時間及費用的變化圖,概述,Page 5,2020年8月2日,超高速加工技術的歷史背景 1995年，米蘭國際機床博覽會以來，高速化是每次國際性機床博覽會一個突出的主題。超高速加工已經(jīng)成為20世紀末國際機械制造業(yè)最熱門的話題。 數(shù)控技術是現(xiàn)代制造技術的第一個里程碑，那么超高速加工技術就是第二個 高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自動化加工成了當今四大先進加工技術,概述,Page 6,2020年8月2日,超高

3、速加工技術的內(nèi)涵和范圍 超高速加工技術是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，以極大地提高切削速度來達到提高切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術。,概述,Page 7,2020年8月2日,內(nèi)涵,高速切削是一個相對概念，是相對常規(guī)切削而言，用較高的切削速度對工件進行切削。一般認為應是常規(guī)切削速度的510倍。 高速切削的速度范圍與加工方法和工件材料密切相關。,HSCHigh-Speed-Cutting HSMHigh-Speed-Machining,概述,Page 8,2020年8月2日,范圍,高速范圍與加工材料密切相關,來源：PTW,概述,Pa

4、ge 9,2020年8月2日,范圍,高速范圍與加工方法密切相關,車削：7007000m/min； 銑削：3006000m/min； 鉆削：2001100m/min； 磨削：150m/s以上。,例如：在切削灰鑄鐵時，1000 m/min 以上才是高速車削，而 400 m/min 就定義為高速鉆削。,概述,Page 10,2020年8月2日,目前定位的超高速切削的指標： 保證加工精度和加工質(zhì)量的前提下，將通常切削速度加工的加工時間減少90，同時將加工費用減少50,概述,Page 11,2020年8月2日,超高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀切削 1976年美國首次推出有級超高速銑床，最高轉(zhuǎn)速達20000r/m

5、in，功率15kw。此后，法國、德國也開始了超高速加工技術的研究。 20世紀80年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)。 目前，日本在超高速機床的研究和開發(fā)領域已躍居世界領先地位，法國、瑞士、英國、意大利、澳大利亞等國也做了大量的工作。,超高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,Page 12,2020年8月2日,超高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀切削 我國在超高速加工的關鍵領域也做了一定的研究，但與國外相比，有較大的差距。 主軸轉(zhuǎn)速在20000r以下，快速進給速度在30m以下；而國外，采用滾珠絲杠的進給系統(tǒng)，快速進給速度達到4060m，采用直線電機的進給系統(tǒng)中 ，快速進給可達160m。,超高速加工技術的

6、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,Page 13,2020年8月2日,超高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀磨削 超高速磨削的研究開始是在50、60年代，在80年代興起。在超高速磨削技術方面，德國領先，日本后來巨上，美國則在奮起直追。 目前發(fā)達國家，工業(yè)上應用磨削速度已達到150250m/s,實驗室中達到400/s。 我國在這一領域與國外差距巨大，工業(yè)上應用的磨削速度還未達到100m/s，實驗室中才為250m/s。,超高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,Page 14,2020年8月2日,超高速加工技術的發(fā)展趨勢 超高速加工技術的發(fā)展趨勢應符合加工中心或柔性制造技術的發(fā)展方向，即高效高速化、實用廉價化、多功能復合化，最主要的是高效

7、高速化方向。,超高速加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,Page 15,2020年8月2日,概述 超高速加工技術的機理及特征 超高速加工技術的應用 超高速加工技術的相關技術,3.2 超高速加工技術,Page 16,2020年8月2日,超高速切削示意圖,20世紀30年代德國物理學家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理論 在切削速度達到一個臨界值時,切削溫度達到最大值,在這個臨界值之后的一個范圍內(nèi),切削速度增加,則切削溫度下降。,超高速加工技術的機理,Page 17,2020年8月2日,新型刀具材料,20世紀80年代以來，新型刀具材料的發(fā)展為高速切削的實際應用創(chuàng)造了條件。,超高速加工技術的機理,P

8、age 18,2020年8月2日,超高速加工技術的特征,高單位時間切除率，降低加工成本 高加工表面質(zhì)量，提高加工精度 低切削力，降低加工系統(tǒng)力變形 高激勵頻率，避免自激振蕩 切削熱由切屑帶走，減少工件熱變形 減少后續(xù)工序 ，降低加工成本,優(yōu)點,Page 19,2020年8月2日,超高速加工技術的特征,高單位時間切除率，降低加工成本 進給速度隨切削速度的提高也可相應的提高510倍，這樣，單位時間材料的去除率可提高36倍，因而加工時間可縮減到1/3.,Page 20,2020年8月2日,高速切削的特征,提高單位時間的切除量，降低產(chǎn)品的制造時間,（常規(guī)銑削）,（高速銑削）,后續(xù)工作 精加工 半精加工

9、 粗加工 加工準備 設計,來源：BMW,超高速加工技術的特征,Page 21,2020年8月2日,超高速加工技術的機理,高加工表面質(zhì)量，提高加工精度 切削力和切削熱影響小，使刀具和工件的變形小，保持了尺寸的精確性。,Page 22,2020年8月2日,高速切削的特征,提高加工表面質(zhì)量,行距,行距,實際輪廓,要求輪廓,加工余量,行距,來源：PTW,超高速加工技術的特征,Page 23,2020年8月2日,超高速加工技術的特征,低切削力，降低加工系統(tǒng)力變形 高速切削切削力可降低30,Page 24,2020年8月2日,超高速加工技術的機理,切削熱由切屑帶走，減少工件熱變形 加工過程極為迅速，95以

10、上的切削熱來不及傳給工件，而被切削迅速帶走，零件不會因為溫升導致彎翹和膨脹變形,Page 25,2020年8月2日,高速切削的特征,減少傳遞給工件的熱量,切屑和接觸面之間的接觸區(qū)域產(chǎn)生的高溫會導致溫度效應并降低工件材料變形的阻力 剪切角增大 切削熱大部分由切屑快速帶走 避免積屑瘤的產(chǎn)生,工件,后刀面,刀具,前刀面,接觸區(qū),高速切削的剪切角,常規(guī)切削的剪切角,超高速加工技術的特征,Page 26,2020年8月2日,超高速加工技術的特征,高激勵頻率，避免自激振蕩 減少后續(xù)工序 ，降低加工成本 因為超高速加工的表面質(zhì)量幾乎可以和磨削相比，可以直接作為最后一道精加工工序,Page 27,2020年8

11、月2日,超高速加工技術的特征,Page 28,2020年8月2日,概述 超高速加工技術的機理及特征 超高速加工技術的應用 超高速加工技術的相關技術,3.2 超高速加工技術,Page 29,2020年8月2日,高速切削的應用領域,航空航天工業(yè)輕合金的加工： 模具制造業(yè)： 汽車工業(yè)： 難加工材料的加工（如：Ni基高溫合金和Ti合金） 纖維增強復合材料加工 精密零件加工 薄壁易變形零件的加工,超高速加工技術的應用,Page 30,2020年8月2日,航空航天工業(yè)輕合金的加工：飛機上的零件通常采用“整體制造法”，其金屬切除量相當大（一般在70以上），采用高速切削可以大大縮短切削時間。,超高速加工技術的

12、應用,高速切削的應用領域,Page 31,2020年8月2日,美國波音公司的F15戰(zhàn)斗機兩個方向舵之間的氣動減速板以前需要500多個零件裝配而成，制造一個需要交貨期為3個月；而現(xiàn)在應用高速切削技術直接在實體鋁合金毛坯上銑削加工出來交貨期只需要幾天時間。,超高速加工技術的應用,Page 32,2020年8月2日,高速切削的應用領域,模具制造業(yè)：型腔加工同樣有很大的金屬切除量，過去一直為電加工所壟斷，其加工效率低。以前為電加工后再進行拋光加工。 圖,超高速加工技術的應用,Page 33,2020年8月2日,高速切削的應用領域,汽車工業(yè)：對技術變化較快的汽車零件，采用高速加工。（過去多用組合機加工，

13、柔性差） 其加工的典型零件：伺服閥、各種泵、電機的殼體、電機轉(zhuǎn)子、氣缸體等,超高速加工技術的應用,Page 34,2020年8月2日,高速切削的應用領域,難加工材料的加工（如：Ni基高溫合金和Ti合金） 纖維增強復合材料加工 精密零件加工 薄壁易變形零件的加工,超高速加工技術的應用,Page 35,2020年8月2日,概述 超高速加工技術的機理及特征 超高速加工技術的應用 超高速加工技術的相關技術,3.2 超高速加工技術,Page 36,2020年8月2日,高速主軸必須裝在結構能適應高速切削的機床上，才能充分發(fā)揮高速切削的眾多優(yōu)點。這就要求高速切削機床具有很高的進給速度，并在很高速下仍有高的定

14、位精度。此外高速進給要靠很大的加速度來實現(xiàn)，所以高速切削機床不僅要有很高的靜剛度，還必須有很高的動剛度。,超高速加工技術的相關技術,1.高速切削機床結構,Page 37,2020年8月2日,根據(jù)上述幾點要求，高速切削機床在90年代基本上從兩個方向上發(fā)展： 一是在普通機床的基礎上對關鍵零部件進行改進。 二是研制完全不同于普通機床的新型結構機床。,超高速加工技術的相關技術,Page 38,2020年8月2日,面向高速切削的切削機床,設計特征,高速電機主軸,直線電機（Z軸）,混凝土聚合物床身框架,焊接結構橫梁,焊接結構XY工作臺 直線電機驅(qū)動,超高速加工技術的相關技術,Page 39,2020年8月

15、2日, 主軸系統(tǒng) 傳統(tǒng)的齒輪變速和皮帶傳送方式已不能適應超高速運轉(zhuǎn)的條件 代之以寬調(diào)速交流變頻電機來實現(xiàn)數(shù)控機床主軸的變速，即采用無外殼電機，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成“電主軸”。實現(xiàn)變頻電機和機床主軸的一體化。,超高速加工技術的相關技術,Page 40,2020年8月2日,圖 超高速主軸的結構,超高速加工技術的相關技術,Page 41,2020年8月2日, 進給驅(qū)動系統(tǒng)高速化 高速切削機床的滑臺驅(qū)動系統(tǒng)在90年代初多采用大導程滾珠絲杠傳動和增加伺服進給電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，一般進給速度可達60m/min左右。 近幾年出現(xiàn)了直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。由于它無間隙

16、、慣性小、剛度較大而無磨損，通過控制電路可實現(xiàn)高速度和高精度驅(qū)動，在1997年進給速度已達120m/min,超高速加工技術的相關技術,Page 42,2020年8月2日,直線電動機的基本構造與普通旋轉(zhuǎn)電機相似，如圖所示,圖 直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng) 1導軌系統(tǒng) 2籠型繞組 3三相繞組 4直線行程測量系統(tǒng),超高速加工技術的相關技術,Page 43,2020年8月2日,把電機的轉(zhuǎn)子部分直接與機床工作臺相連，從而消除了一切中間傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了直接驅(qū)動,超高速加工技術的相關技術,Page 44,2020年8月2日,(3)運動部件輕量化和伺服進給控制精密化 右圖是一臺高速切割的加工中心，其X、Y、Z三軸的

17、移動部件的質(zhì)量均較傳統(tǒng)的結構為輕，且均采用直線電機驅(qū)動。,圖 高速切削的加工中心結構示意,超高速加工技術的相關技術,Page 45,2020年8月2日,右圖是美國Ingersoll公司為英國British Aerospace公司提供的大型高速型面銑床。床身底面積為33m15m，約有三層樓高，它主要用來加工大型鋁合金飛機零件。,圖7-14 大型高速型面銑床 1基座 2、6可移動銑頭及滑臺 3、4頂部輔助支承導軌 5工件安裝和夾壓臺 7主支承導軌及驅(qū)動系統(tǒng),超高速加工技術的相關技術,Page 46,2020年8月2日,2.高速切削的刀具系統(tǒng) 高速切削時的一個主要問題是刀具磨損，與普通切削相比，高速

18、切削時刀具與工件的接觸時間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，切削過程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機理與普通切削有很大區(qū)別。,超高速加工技術的相關技術,Page 47,2020年8月2日,由于高速切削時離心力和振動的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設計刀具時，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強度、剛度和精度等方面因素。,超高速加工技術的相關技術,Page 48,2020年8月2日, 刀具材料 刀具材料主要以鍍膜的和未鍍膜的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氧化鋁基或氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼為主。,超高速加工技術的相關技術,Page 49,2020年8月2日,刀具

19、的發(fā)展主要集中在如下兩方面：一是研制新的鍍膜材料和鍍膜方法以提高刀具的抗磨損性。 采用適宜的鍍膜可成倍地提高刀具的使用壽命。此外，刀具材料與工件材料相適應也是提高刀具壽命的重要因素。,超高速加工技術的相關技術,Page 50,2020年8月2日,另一個發(fā)展方面是開發(fā)新型的高速切削刀具，特別是那些形狀比較復雜的刀具。 有的刀具工廠在1997年漢諾威的世界機床博覽會上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花鉆。形狀更為復雜的聚晶金剛石刀具仍在研究中。,超高速加工技術的相關技術,Page 51,2020年8月2日,面向高速切削的切削刀具,特點：“三高一專 ”，即高效率、高精度、高可靠性和專用化,在基體上焊接

20、刀片（材料CBN，PCD）的HSC刀具,以高強度鋁合金做基體的HSC端面銑刀,帶內(nèi)部冷卻的鉆頭,超高速加工技術的相關技術,Page 52,2020年8月2日,刀柄結構 刀柄結構是高速切削時的一個關鍵件，主要體現(xiàn)在它傳遞機床精度和切削力的作用。,超高速加工技術的相關技術,Page 53,2020年8月2日,高速切動時既要保證加工精度，又要保證很高的生產(chǎn)效率，所以高速切削時刀柄須滿足下列要求： l)很高的幾何精度和裝夾重復精度； 2)很高的裝夾剛度； 3)高速運轉(zhuǎn)時安全可靠。,超高速加工技術的相關技術,Page 54,2020年8月2日,刀柄與主軸的聯(lián)接在大多數(shù)高速切削機床上以圖所示的圓錐空心柄（

21、HSK）為主。,圖 HSK型刀柄及其聯(lián)結結構,超高速加工技術的相關技術,Page 55,2020年8月2日,它以其端面及1：10錐度的空心錐套作雙重定位，與以往常用的7：24錐柄相比，有如下優(yōu)點： 1)重量減少約50； 2)重復使用時裝夾和定位精度高； 3)剛度高，并可傳送大的轉(zhuǎn)矩； 4)裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而加大。,超高速加工技術的相關技術,Page 56,2020年8月2日,接裝刀具的模塊 常用的錐形夾頭靈活性好，適用于不同的刀具直徑，缺點是可傳遞的扭矩有限且裝夾精度很低。 提高裝夾精度和剛度需采用其他方法，目前常用的有收縮夾頭、液壓膨脹夾頭和力膨脹夾頭。,超高速加工技術的相關技術,Page

22、57,2020年8月2日,收縮夾頭利用材料熱脹冷縮的原理，把刀具裝人刀柄時，先用輔助系統(tǒng)把刀柄孔加熱，使之膨脹，待刀具插入刀柄后進行冷卻，刀具就被穩(wěn)當?shù)貖A持在刀柄內(nèi)。 這種夾頭的優(yōu)點是精度高，剛性大。缺點是操作不便，每次裝夾須對刀柄進行加熱和冷卻，易引起刀柄的熱疲勞和變形。,超高速加工技術的相關技術,Page 58,2020年8月2日,液壓控脹夾頭的原理，在刀柄孔的周圍是一個液壓腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推動油腔頂部的活塞使刀柄孔內(nèi)結膨脹，從而夾緊刀具。 其優(yōu)點是精度高，剛性大，操作方便。缺點是對刀具的尺寸公差要求較嚴，過松時，可能達不到應有的夾持力。,超高速加工技術的相關技術,Page 59,2020年8月2日,力膨脹夾頭的原理如下圖所示。刀柄的孔呈三棱形，在裝夾刀具時，先用輔助裝置在三棱孔的三個頂點施加預先調(diào)整好的力，使刀柄孔變形成圓，然后把刀具插入刀柄，再除去變形外力，刀柄孔彈性回復，刀具就被夾持在孔內(nèi)。 這種夾頭的