第5章 高新加工技術(shù).ppt

1、第5章 高新加工技術(shù),5.1 高速切削加工技術(shù) 5.2 超精密加工技術(shù) 5.3 微細(xì)加工技術(shù) 5.4 快速成形制造技術(shù)(RPM) 5.5 敏捷制造 5.6 虛擬制造,5.1 高速切削加工技術(shù),本章要點(diǎn) 高速切削加工的概念、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)床類(lèi)型及高速切削刀具； 超精密加工的概念及相關(guān)知識(shí); 微細(xì)加工的概念、特征及工藝方法; 快速成形制造技術(shù)的相關(guān)知識(shí); 敏捷制造的概念與特點(diǎn); 虛擬制造、虛擬公司和虛擬產(chǎn)品的概念。,下一頁(yè),返回,5.1 高速切削加工技術(shù),高速切削加工是提高生產(chǎn)率的途徑之一。為了提高數(shù)控加工的效率，許多航空零部件已采用高速切削加工來(lái)制造，如薄層腹板件、模具、鈦合金零件等。目前，

2、采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制造的大趨勢(shì)，在國(guó)外一些模具生產(chǎn)廠家，高速機(jī)床已大面積取代電火花機(jī)床，大大提高了模具生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。 5.1.1 高速切削概述 高速切削(High Speed Crutting)和高速加工(High Speed Machining)分別簡(jiǎn)稱(chēng)HSC和HSM。1931年4月德國(guó)物理學(xué)家Carl. J. Salomon提出了高速切削理論:在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削溫度不但不升高反而會(huì)降低，且該切削速度值與工件材料有關(guān)，如圖5-1所示。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速切削技術(shù)是在高性能C

3、NC系統(tǒng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測(cè)量測(cè)試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展的基礎(chǔ)上綜合而成的，因此，高速切削技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程和一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。 對(duì)于機(jī)械零件而言，高速加工即是以較快的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行加工。零件的一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍為:零件送進(jìn)-定位夾緊-刀具快進(jìn)-刀具工進(jìn)(在線檢測(cè))-刀具快退-工具松開(kāi)、卸下-質(zhì)量檢測(cè)等七個(gè)基本生產(chǎn)環(huán)節(jié)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),刀具快進(jìn)、工進(jìn)及快退三個(gè)環(huán)節(jié)，是高速加工系統(tǒng)中一個(gè)主要的子系統(tǒng)。對(duì)于整條生

4、產(chǎn)自動(dòng)線而言，高速加工的技術(shù)的表征是較簡(jiǎn)捷的工藝流程，較短、較快的生產(chǎn)節(jié)拍。對(duì)于某一產(chǎn)品而言，高速加工技術(shù)也意味著企業(yè)要以較短的生產(chǎn)周期，完成研發(fā)產(chǎn)品的各類(lèi)信息采集與處理、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、加工制造、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)及反饋信息。這與敏捷制造工程技術(shù)理念有相同之處。 模具加工是高速切削技術(shù)的主要受益者。圖5-2圖5-5所示是一些模具加工用高速機(jī)床，圖5-2所示為高速數(shù)控銑床，圖5-3所示為高速高精度的雕銑機(jī)床，圖5-4所示為落地龍門(mén)高速數(shù)控鎖銑床，圖5-5所示為直線驅(qū)動(dòng)立式加工中心。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.2 高速切削概念與特征 自從Salomon提出高速切削的概念以來(lái)，高速切

5、削技術(shù)經(jīng)歷了高速切削理論的探索、應(yīng)用探索、初步應(yīng)用和較成熟應(yīng)用四個(gè)階段的發(fā)展，現(xiàn)已在生產(chǎn)中得到了一定的推廣應(yīng)用。那么，到底何謂高速切削呢?到目前其仍是一個(gè)相對(duì)的概念，主要是指采用超硬材料的刀具與磨具，實(shí)現(xiàn)主軸的高轉(zhuǎn)速和高的進(jìn)給速度以及高的進(jìn)給加速度的自動(dòng)化制造設(shè)備，極大地提高了材料的切除率，并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。主軸的高轉(zhuǎn)速和高的進(jìn)給速度的關(guān)系用下面的公式來(lái)表達(dá): 主軸轉(zhuǎn)速: n=Vc/(d) 進(jìn)給速度: Vt=nZfZ,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),式中 fZ每一切削刃在一轉(zhuǎn)中所切削的厚度(mm ) ; Z銑刀的刃數(shù); Vc刀具的線速度(mm/min

6、) ; d刀具的直徑。 將n代入上式，得出進(jìn)給速度:Vt=(fZ Z Vc)/(d)。即在選定了刀具和切削用量的情況下，進(jìn)給速度與主軸的轉(zhuǎn)速成正比。因此，高速加工機(jī)床不僅要有高的主軸轉(zhuǎn)速，也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高的進(jìn)給速度。此外，為了保證加工輪廓的高精度，機(jī)床還必須具備高的進(jìn)給加速度。如果一臺(tái)高速機(jī)床沒(méi)有足夠高的進(jìn)給加速度，那么是無(wú)法高速地進(jìn)行高精度復(fù)雜曲面輪廓的加工的，因?yàn)樗鼰o(wú)法滿足加工復(fù)雜曲面時(shí)根據(jù)不同的曲率半徑在最短的時(shí)間內(nèi)不斷地調(diào)整進(jìn)給速度的要求。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),隨著高速切削、高速機(jī)床和刀具等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，高速與高速切削技術(shù)的工藝和速度

7、范圍也在不斷擴(kuò)展。高速切削已是實(shí)現(xiàn)高效率制造的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化也使之具有很高的生產(chǎn)效率。因此，高速切削較傳統(tǒng)切削具有如下優(yōu)越特征: 切除率高、生產(chǎn)效率高。在高速切削時(shí)刀具的高轉(zhuǎn)速和機(jī)床的高進(jìn)給以及高加速度，大大地提高了金屬的切除率與生產(chǎn)效率，適用于材料切除率要求大的場(chǎng)合，如模具、汽車(chē)和航空航天等制造領(lǐng)域。 切削力小。由于加工速度高，使剪切變形區(qū)變窄，剪切角增大，變形系數(shù)減小，切屑流出速度加快，從而可使切削變形減小，切削力比常規(guī)切削降低，刀具壽命提高，特別適合于加工薄壁類(lèi)剛性較差的工件。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),熱變形小。高速切削熱大部分由切屑帶走，工

8、件發(fā)熱少，特別適合于加工易熱變形的細(xì)長(zhǎng)零件和薄壁零件。 精度高、表面質(zhì)量高。由于高轉(zhuǎn)速和機(jī)床的高進(jìn)給率，使加工過(guò)程平穩(wěn)、振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度和高表面質(zhì)量的要求，非常適合于光學(xué)器件的加工。 工序減少。常規(guī)加工時(shí)需分粗加工、半精加工、精加工工序，而高速切削可集中在一道工序中完成。此即高速加工用于模具加工的“一次過(guò)”技術(shù)(One pass maching)。 加工成本降低。采用高速切削時(shí)，由于零件的單件加工時(shí)間縮短與同一臺(tái)機(jī)床上的“一次過(guò)”技術(shù)，使加工成本較普通加工大幅度降低。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),但隨之也出現(xiàn)了值得注意的事項(xiàng): 機(jī)床的耐用度降低; 工具壽命縮短; 排屑性

9、能下降。 這些因素對(duì)高速切削加工的影響采取相應(yīng)的措施來(lái)減小。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.3 高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 高速切削加工技術(shù)作為模具制造中最為重要的一項(xiàng)集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù)，是控制技術(shù)、精密制造技術(shù)、新材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合應(yīng)用的結(jié)果。德國(guó)工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所的舒爾茲教授對(duì)高速切削技術(shù)提出了相關(guān)的技術(shù)因素，如圖5-6所示。 高速切削主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)。 1.高速切削機(jī)理 高速切削機(jī)理的研究是高速切削的理論基礎(chǔ)，對(duì)高速加工中切屑形成機(jī)理、切削力、切削熱、刀具磨損、表面質(zhì)量等技術(shù)的研究，也為開(kāi)發(fā)高速機(jī)床、高速加工刀具提供了理論指導(dǎo)。

10、,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速切削機(jī)理的研究集中在高速加工過(guò)程中金屬材料剝離理論的研究上，主要有以下幾個(gè)方面: 高速加工基本規(guī)律的研究; 高速切削過(guò)程和切屑成形機(jī)理的研究; 高速切削中切削力、切削熱變化規(guī)律的研究; 刀具磨損規(guī)律的研究; 各種材料的高速切削機(jī)理研究; 高速切削機(jī)床技術(shù)。 高速切削機(jī)床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)(或稱(chēng)功能部件)和機(jī)床整體技術(shù)。高速單元技術(shù)包括高速主軸系統(tǒng)、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC系統(tǒng)等;機(jī)床整機(jī)技術(shù)包括機(jī)床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設(shè)施、加工環(huán)境等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),(1)高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速加工機(jī)床最關(guān)鍵的

11、部件，包括動(dòng)力源、主軸、軸承和機(jī)架四個(gè)主要部分。主要有電主軸和氣動(dòng)主軸兩種類(lèi)型，應(yīng)用中一般采用電主軸的結(jié)構(gòu)形式，如圖5-7所示。電主軸的關(guān)鍵技術(shù)包括高速主軸軸承、無(wú)外殼主軸電動(dòng)機(jī)及其控制模塊、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具(或工件)動(dòng)平衡等。 (2)高速進(jìn)給系統(tǒng)。高速切削不僅要求高轉(zhuǎn)速、很高的進(jìn)給速度，而且由于在瞬時(shí)達(dá)到高速、瞬時(shí)準(zhǔn)停等，還要求具有大的加減速度以及高的定位精度。目前已有更先進(jìn)、更高速的直線電動(dòng)機(jī)(圖5-8)代替滾珠絲杠副傳動(dòng)。高速進(jìn)給系統(tǒng)所涵蓋的技術(shù)包括伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、滾動(dòng)元件技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)以及防塵、防屑、降噪聲、冷卻潤(rùn)滑等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速

12、切削加工技術(shù),(3)高速CNC系統(tǒng) 高速CNC系統(tǒng)具有很高的運(yùn)算速度和精度以及快速響應(yīng)的伺服控制，以滿足高速度及高精度的加工要求。高速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件有高速主軸矢量控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制伺服系統(tǒng)、預(yù)先前饋控制系統(tǒng)、精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)、刀具和工件的故障檢測(cè)及安全控制系統(tǒng)等。 (4)先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)粗精加工、輕重切削負(fù)荷和快速移動(dòng)的要求，同時(shí)為了保證高精度，高速切削機(jī)床床身具有足夠的剛度、強(qiáng)度和高的阻尼特性、高的熱穩(wěn)定性和可靠性，為此應(yīng)采取的措施有:改革床身結(jié)構(gòu);使用高阻尼特性材料。20世紀(jì)90年代，在高速切削領(lǐng)域出現(xiàn)了一種全新結(jié)構(gòu)形式的機(jī)床并聯(lián)機(jī)床，又稱(chēng)六桿機(jī)床，其外觀與運(yùn)動(dòng)形式如圖5-9所示

13、。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),2.高速切削刀具技術(shù) 由于高速切削時(shí)的離心力和振動(dòng)的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能，刀具的設(shè)計(jì)必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強(qiáng)度、剛度和精度等方面的因素。對(duì)不同工件材料選用與其合理匹配的刀具材料、刀具參數(shù)和刀體結(jié)構(gòu)，才能獲得最佳的切削效果。高速加工刀具所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有高速加工用刀具材料及制備技術(shù)、高速加工用刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的研究。 3.高速切削工藝技術(shù) 高速切削工藝技術(shù)包括切削方法和切削參數(shù)的選擇優(yōu)化，對(duì)各種不同材料的切削方法、刀具材料和刀具幾何參數(shù)的選擇等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),4.高

14、速加工的測(cè)試技術(shù) 高速加工的測(cè)試技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信號(hào)分析和處理等技術(shù)，主要指在高速加工過(guò)程中通過(guò)傳感、分析、信號(hào)處理，對(duì)高速機(jī)床及系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)和控制。實(shí)時(shí)地對(duì)加工情況、刀具的磨損狀態(tài)等進(jìn)行在線監(jiān)控，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命，確保人員和設(shè)備的安全。目前，高速監(jiān)測(cè)技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有基于監(jiān)控參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、多傳感信息融合檢測(cè)技術(shù)、機(jī)床功能部件的檢測(cè)技術(shù)、高速加工中工件狀態(tài)的測(cè)試技術(shù)和自適應(yīng)控制及智能控制技術(shù)等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.4 高速切削的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用 1.高速切削的發(fā)展趨勢(shì) 提高生產(chǎn)率是高速切削發(fā)展

15、的目的。在機(jī)械制造領(lǐng)域里，零件(產(chǎn)品)、工具(刀具)與機(jī)床三者連體，在研討高速加工技術(shù)時(shí)，要三位一體地進(jìn)行系統(tǒng)分析和考察。在當(dāng)今信息時(shí)代，研討高速加工技術(shù)發(fā)展，必然要涉及信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理技術(shù)及系統(tǒng)工程技術(shù)。 信息技術(shù)內(nèi)涵:以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的各類(lèi)信息采集與處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的組建與運(yùn)行技術(shù)等。 自動(dòng)化技術(shù)內(nèi)涵:控制過(guò)程的數(shù)字化、智能化及信息化。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),經(jīng)營(yíng)管理技術(shù):以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)運(yùn)行機(jī)制與管理模式、產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)理念與技術(shù)、對(duì)各類(lèi)信息采集、處理、決策和生產(chǎn)全過(guò)程的控制(綠色制造)，以及本企業(yè)內(nèi)外各類(lèi)有效資源的集成

16、與優(yōu)化處理等。 系統(tǒng)工程技術(shù)內(nèi)涵:企業(yè)與社會(huì)之間，產(chǎn)品制造與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、環(huán)保、生態(tài)平衡之間，各科技領(lǐng)域之間，各類(lèi)產(chǎn)品之間的配套思維與操作運(yùn)行等都可具體化為某一系統(tǒng)技術(shù)工程。 通過(guò)上面對(duì)高速切削技術(shù)的發(fā)展與發(fā)展目的的研討，高速切削加工在制造業(yè)發(fā)展中被需要的原因也就非常明顯了。 為了存續(xù)。市場(chǎng)上日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)一直都在不斷設(shè)定新的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)時(shí)間和成本效益的要求變得越來(lái)越高。這已經(jīng)迫使人們必須開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)技術(shù)，高速切削為此提供了希望和解決途徑。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),新材料的出現(xiàn)。新材料和難加工材料的發(fā)展更加突出了開(kāi)辟新加工方法的必要性。航空工業(yè)采用自己的專(zhuān)用耐熱和不銹鋼合金;汽

17、車(chē)工業(yè)采用的雙金屬?gòu)?fù)合材料、密實(shí)石墨鐵以及用量越來(lái)越大的鋁材;模具行業(yè)主要面臨的問(wèn)題是加工高度淬火的工具鋼，從粗加工直到精加工。 質(zhì)量的提高。對(duì)零部件或產(chǎn)品質(zhì)量提出較高要求是激烈競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。如果將高速切削加工技術(shù)適當(dāng)應(yīng)用，則可以在這方面提供解決方案?？梢蕴娲謩?dòng)精加工就是一個(gè)實(shí)例。特別是對(duì)于具有復(fù)雜三維幾何形狀的模具或零部件，這一點(diǎn)尤其如此。 工藝的優(yōu)化。通過(guò)高速切削加工，可以在很大程度上滿足這樣的需求，即通過(guò)減少裝夾次數(shù)和簡(jiǎn)化流程而縮短加工時(shí)間。在模具行業(yè)中一個(gè)重要的目標(biāo)就是通過(guò)一次裝夾而對(duì)完全硬化的小尺寸模具完全加工好。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),通過(guò)高速切削加工可減

18、少甚至免除成本高而費(fèi)時(shí)的電火花加工(EDM)過(guò)程。 結(jié)構(gòu)快速發(fā)展與開(kāi)發(fā)。在當(dāng)今的競(jìng)爭(zhēng)中，其中一個(gè)主要特點(diǎn)就是利用新穎方面的價(jià)值而出售產(chǎn)品。汽車(chē)的平均產(chǎn)品使用壽命周期為4年，計(jì)算機(jī)及其附件為1. 5年，手機(jī)為3個(gè)月這些結(jié)構(gòu)方面的快速發(fā)展以及產(chǎn)品方面的迅速發(fā)展其前提之一就是高速切削加工技術(shù)。 復(fù)雜產(chǎn)品的出現(xiàn)。在零部件方面，多功能表面越來(lái)越多。諸如一個(gè)新的渦輪葉片結(jié)構(gòu)就既具有新穎的，也具有優(yōu)化的功能和特征。在早期的設(shè)計(jì)中，可以用手或機(jī)器人(機(jī)械手)進(jìn)行拋光處理。而采用新型、較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的渦輪葉片就必須通過(guò)機(jī)加工進(jìn)行拋光，并最好是采用高速切削加工方式。還有越來(lái)越多需要進(jìn)行機(jī)加工的薄壁零件，如醫(yī)療設(shè)備、電

19、子元件、國(guó)防產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)零件等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展。切削材料、夾具、機(jī)床、控制器等的強(qiáng)勁發(fā)展，特別是CAD/CAM以及設(shè)備等方面的發(fā)展，使得用新生產(chǎn)方法和新技術(shù)滿足相應(yīng)要求成為可能。 高速切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可從以下幾個(gè)方面分析: 零件毛坯制造技術(shù)。快速成形技術(shù)的實(shí)用化，將進(jìn)一步提升目前的精鑄、精鍛及其他成形制造技術(shù)，使其幾何尺寸精度能滿足無(wú)切屑加工的要求，其材料的選擇將適應(yīng)綠色制造工程的技術(shù)要求，零件材料的可加工性能也將適應(yīng)高速切削的技術(shù)要求。 刀具技術(shù)。制造業(yè)中將普遍應(yīng)用高速(超高速)干式切削技術(shù)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工

20、技術(shù),機(jī)床技術(shù)。隨著數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵功能部件、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步與完善，企業(yè)將促使多軸聯(lián)動(dòng)、多面高速加工中心以及車(chē)、銑功能為一體的復(fù)合加工中心技術(shù)達(dá)到實(shí)用化;相應(yīng)地各類(lèi)專(zhuān)用高效率數(shù)控加工機(jī)床將更加廣泛地應(yīng)用于激光技術(shù)與機(jī)械成形加工和切割加工領(lǐng)域中;機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信與生產(chǎn)，并進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)床的利用率 自動(dòng)生產(chǎn)線。由各類(lèi)高速加工中心組成，大力發(fā)展柔性、敏捷制造工程技術(shù) 測(cè)量技術(shù)。隨著高速加工系統(tǒng)工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化CCD,激光圖形處理測(cè)量技術(shù)和隨機(jī)在線高速測(cè)量技術(shù)將廣泛應(yīng)用于柔性數(shù)控生產(chǎn)線及數(shù)控專(zhuān)用高效率加工機(jī)床上。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

21、。在不斷進(jìn)步的計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，大力發(fā)展寬帶網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)控用于車(chē)間生產(chǎn) 2.高速切削的應(yīng)用 高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)主要在于:提高生產(chǎn)效率、提高加工精度及降低切削阻力。它適合的加工材料有鋁合金、鈦合金、銅合金、不銹鋼、淬硬鋼、石墨、石英玻璃等，廣泛應(yīng)用于模具、航空航天、汽車(chē)、電子、船舶、兵器和其他精密機(jī)械制造業(yè)等領(lǐng)域。高速加工技術(shù)對(duì)模具加工工藝也產(chǎn)生了巨大影響，改變了傳統(tǒng)模具加工采用的“退火、銑削加工、熱處理、磨削”或“電火花加工、手工打磨、拋光”等復(fù)雜冗長(zhǎng)的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來(lái)的全部工序。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速切削加工技術(shù)除可應(yīng)用于

22、淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約80%的手工研磨時(shí)間，節(jié)約加工成本近30%，模具表面加工精度可達(dá)1 um，刀具切削效率可提高一倍。如圖5-10所示為高速加工模具的圖樣，如圖5-11所示為代替EDM加工高表面質(zhì)量模具的圖樣。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.5 高速切削機(jī)床 高速切削技術(shù)的日益成熟和應(yīng)用，使金屬切削速度實(shí)現(xiàn)了一次大的飛躍，機(jī)床技術(shù)也出現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)的變化。如果說(shuō)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生是現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展史上的一次革命，那么高速機(jī)床的應(yīng)用則是現(xiàn)代

23、機(jī)床工業(yè)的第二次革命。高速切削技術(shù)和以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)為主要目標(biāo)的數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使機(jī)床技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高度，對(duì)制造技術(shù)水平的提高起到了重要作用。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速切削要獲得良好的應(yīng)用效果，必須將高性能的高速切削機(jī)床與工件材料相適應(yīng)的刀具和對(duì)于具體加工對(duì)象最佳的加工工藝技術(shù)相結(jié)合。高速切削機(jī)床是高速切削應(yīng)用的基本條件。高速切削機(jī)床主軸和床身要有良好的剛性，優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能。具有快速數(shù)據(jù)處理能力的CNC系統(tǒng)是高速機(jī)床的必要保證。根據(jù)高速切削機(jī)床傳動(dòng)上和結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)，應(yīng)用“零傳動(dòng)”的設(shè)計(jì)理論，簡(jiǎn)化機(jī)床的傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)靈敏度、加工精度和工

24、作可靠性。直線電動(dòng)機(jī)高速進(jìn)給單元?jiǎng)t是高速機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”的典型代表。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),如圖5-12所示顯示了高速機(jī)床CNC系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)。前視技術(shù)、大容量?jī)?nèi)存和ETHERNET通信等技術(shù)是高數(shù)據(jù)處理速度的基礎(chǔ)，NURBS曲線插補(bǔ)為復(fù)雜曲面提供了短程序段和光滑插補(bǔ)解決方案，數(shù)字驅(qū)動(dòng)克服了模擬控制微量的時(shí)間滯后問(wèn)題，高分辨率反饋技術(shù)是高精度加工的保障。此外，機(jī)床的安全防護(hù)、刀庫(kù)數(shù)量、換刀速度、冷卻潤(rùn)滑、排屑能力等，也是設(shè)計(jì)或選購(gòu)高速機(jī)床必須考慮的重要問(wèn)題。 目前，模具加工對(duì)高速切削機(jī)床提出了如下要求: 高速響應(yīng)的機(jī)床控制系統(tǒng); 適合于高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)

25、; 高速下穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能; 配套的動(dòng)平衡。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.6 高速數(shù)控車(chē)床 高速數(shù)控車(chē)床(圖5-13)較一般車(chē)床的加工效率高許多，因此需要相當(dāng)大的功率覆蓋粗加工范圍。這就要求必須采用新觀念設(shè)計(jì)機(jī)床，以滿足高速加工時(shí)機(jī)床的剛性要求，特別重要的是采用直接驅(qū)動(dòng)和較松的支撐頂尖，以消除巨大的軸向力。 高速數(shù)控車(chē)床的一個(gè)重要問(wèn)題是卡盤(pán)-工件系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)中夾緊出現(xiàn)問(wèn)題的安全保護(hù)。高速車(chē)削中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是工件的夾緊方法。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.7 高速鉆床 高速鉆床(圖5-14)提高生產(chǎn)率的方法是提高線速度和進(jìn)給速度以及解決排屑

26、問(wèn)題，特別是在鉆盲孔時(shí)。高速鉆床一般用于粗加工。在實(shí)際應(yīng)用中，臥式主軸或立式主軸的數(shù)控銑床、加工中心和龍門(mén)式機(jī)床可當(dāng)作高速鉆床使用。但搖臂式和升降臺(tái)式數(shù)控機(jī)床用于高速切削時(shí)，則顯得剛性較差。 為了提高鉆削加工效率，高速鉆床可以配置自動(dòng)換刀系統(tǒng)以及很細(xì)的過(guò)濾器。在模具生產(chǎn)線上，高速鉆、鉸和攻螺紋是常用的工序。這就要求高速鉆削主軸要有足夠高的轉(zhuǎn)速，切削速度要大于100 m/min;穩(wěn)定性要好，特別是動(dòng)剛度要高;進(jìn)給速度要達(dá)到10 m/min，加速度要達(dá)到1. 5 g?？焖俟ヂ菁y還要求快速反轉(zhuǎn)、定位和速度控制。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.8 高速車(chē)銑床 高速車(chē)銑床(圖5

27、-15)是集車(chē)、銑功能于一體的機(jī)床，或者說(shuō)是在車(chē)床上加高速銑頭而形成的具有車(chē)、銑功能的機(jī)床，這使機(jī)床具有更大的加工范圍。這種機(jī)床可以是車(chē)削為主，也可以是銑削為主。機(jī)床相關(guān)零部件的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，適合于加工對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)體的零件，可以滿足一些特殊零件的高精度加工要求，特別是裝在床身上的高速銑頭，不僅可以高速切削，提高加工效率，而且可以進(jìn)行高速精加工，獲得非常好的加工精度和表面質(zhì)量。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.9 高速加工中心 1.高速加工中心的發(fā)展與特點(diǎn) 加工中、自的高速化是為了滿足模具開(kāi)發(fā)的需要。加工中心不僅主軸轉(zhuǎn)速高，同時(shí)也需要進(jìn)給速度和加速度高，它用于加工高精度和大切

28、削量零部件，因此“三高”高速度、高精度、高剛度就成為對(duì)現(xiàn)代高速加工中心的基本要求。下面分析高速加工中心的發(fā)展與特點(diǎn)。 (1)高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速加工中心最關(guān)鍵的部件之一。目前主軸轉(zhuǎn)速在20 00040 000 r/min的加工中心已越來(lái)越普及，一些歐洲的高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到60 000 r/min，轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000 r/min以上的超高速主軸也正在研制開(kāi)發(fā)中。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速加工中心的轉(zhuǎn)速、功率、動(dòng)態(tài)平衡、剛性、錐度孔型及熱變形特性等，對(duì)高速加工中心的剛性和熱穩(wěn)定性都有相當(dāng)程度的影響。這樣就要求高速加工中心主軸和電動(dòng)機(jī)合二為一，制成

29、電主軸，實(shí)現(xiàn)無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，以減少傳動(dòng)部件，使其具有更高的可靠性。 主軸軸承也是決定主軸壽命和負(fù)荷容量的關(guān)鍵部件。為了適應(yīng)高速切削加工，高速加工中心的主軸設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的主軸軸承潤(rùn)滑、散熱技術(shù)。目前高速主軸主要采用三種特殊軸承:陶瓷軸承、磁力軸承和空氣軸承。主軸軸承潤(rùn)滑對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要的作用，高速主軸一般采用油空氣潤(rùn)滑或噴油潤(rùn)滑。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),同時(shí)提高切削進(jìn)給速度是提升加工效率所必須的。目前高速加工中心的切削進(jìn)給速度一般為2040 m/min，有的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)X, Y軸的立式加工中心超高速定位速度達(dá)140 m/min，有的高速加工中心進(jìn)給速度

30、高達(dá)208 m/min。要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣高的進(jìn)給速度，對(duì)高速加工中心導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等都提出了新的要求。直線電動(dòng)機(jī)的成熟應(yīng)用使高速加工中心在效率、精度和實(shí)用性方面翻開(kāi)了新的一頁(yè)。直線電動(dòng)機(jī)為非接觸的直接驅(qū)動(dòng)方式，移動(dòng)部件少，無(wú)扭曲變形問(wèn)題，采用這種技術(shù)，機(jī)床制造達(dá)到了傳統(tǒng)滾珠絲桿所無(wú)法達(dá)到的水平。直線電動(dòng)機(jī)具有高加速度和減速特性，加速度可達(dá)2 g,為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的1020倍，進(jìn)給速度為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的45倍。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),(2)高速CNC系統(tǒng) 高速加工中心要求CNC系統(tǒng)具有快速數(shù)據(jù)處理能力和高的功能化特性，以保證在高速切削時(shí)(特別是45

31、軸坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面時(shí))仍具有良好的加工性能。高速加工中心須選擇傳輸速度快，CPU運(yùn)算速度快，預(yù)讀單節(jié)及NURBS功能等適當(dāng)?shù)腃NC控制器，才能發(fā)揮高速切削加工的效能。OPEN架構(gòu)及PC -Based也是發(fā)展的一個(gè)新潮流。結(jié)合PC在通信及網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)展，建立參數(shù)資料庫(kù)系統(tǒng)、CAD/CAM整合模擬系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)化電控模組，也是未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力有兩個(gè)重要指標(biāo):一是單個(gè)程序段處理時(shí)間，為了適應(yīng)高速，要求單個(gè)程序段處理時(shí)間要短，為此需使用32位CPU和64位CPU，并采用多處理器;,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),二是插補(bǔ)精度，為了確保高速下的插補(bǔ)精度，要有前饋和

32、大數(shù)日超前程序段處理功能，此外，還可采用NURBS(非線性B樣條)插補(bǔ)、回沖加速、平滑插補(bǔ)、鐘形加減速等輪廓控制技術(shù)。高速切削加工中CNC系統(tǒng)的功能特征包括:加減預(yù)插補(bǔ);前饋控制;精確矢量補(bǔ)償;最佳拐角減速度。 (3)高速切削刀具 已發(fā)展的刀具材料主要有聚晶金剛石(PCD),聚晶立方氮化硼(PCBN)、硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具等，都能適應(yīng)鋁合金、鑄鐵、鋼和耐熱合金的高速切削，其切削水平如下:鋁合金25005 000 m/min(w(Si) 12%時(shí)為5001 500 m/min)，鑄鐵5001 500 m/min，鋼3001 000 m/min，淬硬鋼、耐熱合金100400 m/min，鐵合

33、金90200 m/min。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),有關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)新的刀具材料，向更高的切削速度發(fā)展。 要對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)平衡，特別是對(duì)刀柄外伸較長(zhǎng)的刀具必須進(jìn)行動(dòng)平衡，以防止因高速而引起離心力，使抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都較低的刀柄或刀片發(fā)生斷裂，給高速加工中心和操作者帶來(lái)危險(xiǎn)。 刀柄系統(tǒng)的選擇也會(huì)影響自動(dòng)換刀的重復(fù)精度和刀具切削剛性。目前刀柄系統(tǒng)一般選擇7: 24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng)，ISO , CAT , DIN , BT等都屬此類(lèi)，兩面定位刀具系統(tǒng)有HSK、KM、NC5、BIG-PLUS、WSU、ABSC等。 (4)高速加工中心溫控系統(tǒng),下一頁(yè),返回,上一頁(yè),

34、5.1 高速切削加工技術(shù),高速加工中心的熱特性是指高速加工中心結(jié)構(gòu)在其內(nèi)部熱源和外部熱源的作用下，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和對(duì)加工精度產(chǎn)生影響，為了改善高速加工中心的熱特性，一般采用溫控循環(huán)水(或其他介質(zhì))來(lái)冷卻主軸電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、直線電動(dòng)機(jī)、液壓油箱、電氣柜，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構(gòu)件。此外，還可采用低膨脹系數(shù)的鑄鐵來(lái)作高速加工中心的主軸箱體，以減少主軸的熱伸長(zhǎng)和主軸部件的熱變形。 (5)其他 為了使高速加工中心正常運(yùn)行和發(fā)揮效能，高速加工中心總體結(jié)構(gòu)上還要設(shè)置刀庫(kù)及換刀裝置、冷卻系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、安全防護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、刀具破損監(jiān)控、刀具長(zhǎng)度及直徑的激光檢測(cè)裝置、光柵尺測(cè)量系統(tǒng)和排屑裝置等

35、。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),2.高速加工中心的技術(shù)特征 加工中心的切削速度主要取決于機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速和刀具的直徑。提供高旋轉(zhuǎn)速度的主軸部件，高移動(dòng)速度的進(jìn)給系統(tǒng)以及相關(guān)的元部件和技術(shù)就構(gòu)成了高速加工中心的基本技術(shù)體系。高速加工中心的技術(shù)特征可以從兩方面描述:一是高速切削的技術(shù)指標(biāo);二是實(shí)現(xiàn)高速切削的機(jī)床結(jié)構(gòu)特征。 從高速切削的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，高速加工中心必須具備高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度以及變加速度等特征。 從機(jī)床的結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，高速加工中心必須具有提供高旋轉(zhuǎn)速度的主軸單元部件(目前高主軸轉(zhuǎn)速主要由電主軸實(shí)現(xiàn))、提供高移動(dòng)速度進(jìn)給的伺服和控制系統(tǒng)以及適合于高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)床主體結(jié)構(gòu)

36、等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),3.高速加工中心類(lèi)型 (1)立式高速加工中心 它的特點(diǎn)是刀具主軸垂直設(shè)置，其傳統(tǒng)的布局方式是工作臺(tái)作水平X,Y方向運(yùn)動(dòng)，主軸箱在立柱上作豎直Z方向運(yùn)動(dòng)，刀庫(kù)可以裝置在立柱的一側(cè)。立式加工中心高速化后，一方面由電主軸代替原來(lái)的主軸系統(tǒng)，另一方面改變了機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分配方案，由工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)變成刀具主軸(立柱)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)固定不動(dòng)，如圖5-16所示主要原因是:一方面工作臺(tái)本身質(zhì)量比較大，不易實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng);另一方面工作臺(tái)上的被加工工件的質(zhì)量是一個(gè)不確定值，不易控制。在這種情況下，為了減輕運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，刀庫(kù)和換刀裝置(ATC)不宜再裝在立柱的側(cè)

37、面，而應(yīng)固定安裝在工作臺(tái)的一側(cè)，由立柱快速移動(dòng)至換刀位置進(jìn)行換刀。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),(2)臥式高速加工中心 臥式高速加工中心指主軸軸線水平設(shè)置的加工中心。它與立式加工中心相比，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、質(zhì)量大、價(jià)格較高的特點(diǎn)。臥式高速加工中心在滿足高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，機(jī)床還要采用高剛度和高抗振動(dòng)的床身結(jié)構(gòu)，如圖5-17所示。 (3)龍門(mén)式高速加工中心 龍門(mén)式高速加工中心通常用來(lái)加工尺寸比較大的工件，如圖5-18所示。為了實(shí)現(xiàn)龍門(mén)式加工中心的高速和高加速運(yùn)動(dòng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分配也要進(jìn)行一些改變，如改工作臺(tái)進(jìn)給為橫梁運(yùn)動(dòng)。由于龍門(mén)式結(jié)構(gòu)比立柱式結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)且結(jié)

38、構(gòu)簡(jiǎn)單，因而一些小型加工中心也做成龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),(4) 5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心 多軸加工機(jī)床是指除X, Y,Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)外，還具有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心(圖5-19)的工作臺(tái)和銑頭可用多軸聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)高速進(jìn)給，進(jìn)行曲面加工，特別適合于加工具有復(fù)雜型腔曲面的模具類(lèi)零件，在模具制造、航空、航天、汽車(chē)和造船等生產(chǎn)領(lǐng)域具有非常重要的用途。5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心一般有兩種典型的結(jié)構(gòu):一種是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸安裝在加工中心工作臺(tái)上，由工作臺(tái)帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)進(jìn)給，完成多軸或多面加工。另一種是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給都由主軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即主軸頭具有B軸

39、和A軸(或C軸)的回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的切削進(jìn)給，工作臺(tái)和工件則固定不動(dòng)。從實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)和高加減速的控制方面考慮，顯然這種結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢(shì)，但其開(kāi)發(fā)難度也就更大。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),4.高速加工中心對(duì)床身和工作臺(tái)的要求 由于高速切削，因而產(chǎn)生振動(dòng)的可能性增加，這對(duì)加工中心床身和工作臺(tái)提出了更高的要求。為了適應(yīng)高速切削加工的要求，床身和工作臺(tái)必須具備: 高的動(dòng)、靜剛度和抗振性; 好的精度保持性; 更好的抗熱變形能力。 同時(shí)為了達(dá)到以上要求，可以通過(guò)改進(jìn)基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)、改進(jìn)材料，采用有限元方法分析機(jī)床的剛性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等來(lái)改進(jìn)床身和工作臺(tái)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5

40、.1 高速切削加工技術(shù),5.自動(dòng)換刀裝置 自動(dòng)換刀裝置(ATC)作為高速加工中心的重要部件，從一個(gè)側(cè)面決定了機(jī)床的效率為了縮短換刀時(shí)間，國(guó)內(nèi)外都在研究快速自動(dòng)換刀技術(shù)。快速自動(dòng)換刀技術(shù)是以減少輔助加工時(shí)間為主要目的，綜合考慮機(jī)床各方面因素，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成刀具交換的裝置和技術(shù)方法?？焖僮詣?dòng)換刀技術(shù)包括刀庫(kù)的設(shè)置、換刀方式、換刀執(zhí)行機(jī)構(gòu)和適應(yīng)高速機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多方面的問(wèn)題。應(yīng)用中通常采用雙主軸換刀、多主軸換刀、刀庫(kù)布置在主軸周?chē)霓D(zhuǎn)塔方式和多機(jī)械手方式等方法來(lái)提高換刀速度。 目前，衡量換刀速度的方法主要有三種:,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),刀對(duì)刀換刀時(shí)間(tool-to

41、-tool)。是指換刀裝置把更換的刀具從主軸開(kāi)始拔下到將下一工步需要的刀具完全插入主軸所需的時(shí)間。 切削對(duì)切削換刀時(shí)間(cut-to-cut)。是指刀具主軸從參考位置移向換刀位置，換完刀后再回到參考位置所需的時(shí)間。 切屑對(duì)切屑換刀時(shí)間(chip-to-chip)。是指刀具主軸從參考位置移向換刀位置，換完刀后再回到參考位置的過(guò)程中主軸啟動(dòng)并達(dá)到最高轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間。 其中，切屑對(duì)切屑換刀時(shí)間是衡量加工中心效率高低的最直接指標(biāo);而刀對(duì)刀換刀時(shí)間則是主要反映自動(dòng)換刀裝置本身性能的好壞，更適合作為機(jī)床的性能指標(biāo)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.10 高速磨削 高速切削技術(shù)中的另

42、一個(gè)重要分支是高速磨削技術(shù)和高速磨床(圖5-20)，高速磨削和高速切削的機(jī)理有不同之處，高速磨床和其他金屬切削機(jī)床在結(jié)構(gòu)上也有很大不同。我國(guó)高速磨削起步較晚，1974年第一汽車(chē)廠、第一砂輪廠、瓦房店軸承廠、華中工學(xué)院、鄭州三磨所等先后進(jìn)行了5060 m/s的磨削試驗(yàn);湖南大學(xué)進(jìn)行了6080 m/s的高速磨削試驗(yàn)。1975年10月，南陽(yáng)機(jī)床廠試制成功了MS132型80 m/s高速外圓磨床。1976年，上海機(jī)床廠、上海砂輪廠、鄭州三磨所、華中工學(xué)院、上海交通大學(xué)、廣州機(jī)床研究所、武漢材料保護(hù)研究所等組成高速磨削試驗(yàn)小組，對(duì)80 m/s和100 m/s高速磨削工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。,下一頁(yè),返回,上一

43、頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),與此同時(shí)，上海機(jī)床廠設(shè)計(jì)制造了MBSA1332型80 m/s半自動(dòng)高速外圓磨床，磨削效率達(dá)到了車(chē)削和銑削的生產(chǎn)率。1977年，湖南大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室成功地進(jìn)行了100 m/s和120 m/s高速磨削試驗(yàn)。在2000年中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)(CCMT 2000)上，湖南大學(xué)推出了最高線速度達(dá)120 m/s的數(shù)控凸輪軸磨床。1976年，東北大學(xué)與阜新第一機(jī)床廠合作，研制成功F1101型60 m/s高速半自動(dòng)活塞專(zhuān)用外圓磨床。到20世紀(jì)80年代初，東北大學(xué)進(jìn)行了大量的高速磨削試驗(yàn)研究。以東北大學(xué)為主開(kāi)發(fā)的YLM-1型雙面立式半自動(dòng)修磨生產(chǎn)線，磨削速度達(dá)到了80 m/s,磨削壓力在

44、2 5005 000 N以上。90年代，東北大學(xué)開(kāi)始了超高速磨削技術(shù)的研究，并首先研制成功了我國(guó)第一臺(tái)圓周速度為200 m/ s ,額定功率為55 kW的超高速試驗(yàn)?zāi)ゴ?，最高速度達(dá)250 m/s 。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速磨削通常指砂輪速度大于100 m/s的磨削。高速磨削可以對(duì)硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域磨削加工，對(duì)高塑性等難磨材料也有良好的磨削表現(xiàn)。與普通磨削相比，高速磨削顯示出極大的優(yōu)越性: 大幅度提高磨削效率，減少設(shè)備使用臺(tái)數(shù); 磨削力小，零件加工精度高; 降低加工工件表面粗糙度; 砂輪壽命延長(zhǎng) 高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及以下幾個(gè)方面。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1

45、 高速切削加工技術(shù),1.高速主軸系統(tǒng) 提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，因而，為實(shí)現(xiàn)高速切削，砂輪驅(qū)動(dòng)和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高。主軸的高速化要求足夠的剛度、回轉(zhuǎn)精度高、熱穩(wěn)定性好、可靠、功耗低、壽命長(zhǎng)等。為減少由于切削速度的提高而增加的動(dòng)態(tài)力，要求砂輪主軸及主軸電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行極其精確，且振動(dòng)極小。目前，國(guó)外生產(chǎn)的超高速機(jī)床，大量地采用了電主軸 主軸軸承可采用陶瓷滾動(dòng)軸承、磁浮軸承、空氣靜壓軸承或液體動(dòng)靜壓軸承等。陶瓷滾動(dòng)軸承具有質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐高溫、高溫時(shí)尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕、壽命高、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是制造難度大，成本高，對(duì)拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力較敏感。,下一頁(yè),返回,上一

46、頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),磁浮軸承的最高表面速度可達(dá)200 m/s，可能成為未來(lái)超高速主軸軸承的一種選擇。目前磁浮軸承存在的主要問(wèn)題是剛度與負(fù)荷容量低，所用磁鐵與回轉(zhuǎn)體的尺寸相比過(guò)大，價(jià)格昂貴?？諝忪o壓軸承具有回轉(zhuǎn)度高，沒(méi)有振動(dòng)，摩擦阻力小，經(jīng)久耐用，可以高速回轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。用于高速、輕載和超精密的場(chǎng)合。液體動(dòng)靜壓軸承，無(wú)負(fù)載時(shí)動(dòng)力損失太大，主要用于低速重載主軸。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),2.高速進(jìn)給系統(tǒng) 高速切削加工不但要求機(jī)床有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率，而且同時(shí)要求機(jī)床工作臺(tái)有很高的進(jìn)給速度和運(yùn)動(dòng)加速度。 直線電動(dòng)機(jī)取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”。進(jìn)給速度可

47、達(dá)60 200 m/min,加速度可達(dá)10100 m/s2，定位精度高達(dá)0. 50. 05um，甚至更高，且推力大，剛度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，行程長(zhǎng)度不受限制。主要問(wèn)題是發(fā)熱較嚴(yán)重，對(duì)其磁場(chǎng)周?chē)幕覊m和切屑有吸附作用，價(jià)格較高。德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的直線電動(dòng)機(jī)，最大進(jìn)給速度可達(dá)200 m/min。日本研制的高效平面磨床，工作臺(tái)進(jìn)給采用直線電動(dòng)機(jī)，最高速度為60 m/min,最大加速度為10 m/s2。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),3.高速磨削砂輪 高速磨削砂輪必須具備以下基本要求: 高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性，高的動(dòng)平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的剛度和良好的導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，

48、通常由高機(jī)械性能的基體和薄層的磨粒組成; 砂輪基體的機(jī)械強(qiáng)度必須能承受高速磨削時(shí)的磨削力; 磨粒突出高度要大，以便能容納大量的長(zhǎng)切屑; 結(jié)合劑具有很高的耐磨性，以減少砂輪的磨損; 高速磨削時(shí)要安全可靠。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),高速磨削砂輪的基體設(shè)計(jì)必須考慮高轉(zhuǎn)速時(shí)離心力的作用，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行優(yōu)化。砂輪基體應(yīng)避免殘余應(yīng)力，在運(yùn)行過(guò)程中的伸長(zhǎng)應(yīng)最小。通過(guò)計(jì)算砂輪的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力，可發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在砂輪基體內(nèi)徑的切線方向，這個(gè)應(yīng)力不應(yīng)超出砂輪基體材料的強(qiáng)度極限。大部分實(shí)用超硬磨料砂輪基體為鋁或鋼。 此外，還要充分考慮砂輪與主軸連接的可靠性。主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心

49、力的作用，砂輪與主軸的錐連接處產(chǎn)生不均勻的膨脹，連接剛度下降。 4.高速磨床結(jié)構(gòu) 高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，還須具有高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)特征。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.磨削液及注入系統(tǒng) 磨削表面質(zhì)量、工件精度和砂輪的磨損在很大程度上受磨削熱的影響，而磨削液起到了不可取代的作用。磨削液分為兩大類(lèi):油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液)。油基磨削液的潤(rùn)滑性優(yōu)于水基磨削液，但水基磨削液冷卻效果好。 油基磨削液良好的潤(rùn)滑作用，可以有效地減小切屑、工件、磨粒切削刃和砂輪結(jié)合劑之間的摩擦，從而減少磨削熱的產(chǎn)生和砂輪的磨損，提高工件表面的完整性。但

50、油基磨削液在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生油霧，嚴(yán)重污染環(huán)境，易引起冒煙和起火，因此不安全，且能源浪費(fèi)嚴(yán)重。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),由于水基磨削液冷卻效果好，防火性好，對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題易于解決等，因此含有各種表面活性劑、油性劑、極壓添加劑、緩蝕劑和防腐殺菌劑等性能優(yōu)越的水基磨削液，是近年來(lái)重要的發(fā)展方向。除了通常的磨削液外，也可輔以氣態(tài)或固態(tài)磨削劑。 高速磨削時(shí)，氣流屏障阻礙磨削液有效地進(jìn)入磨削區(qū)，還可能存在薄膜沸騰的影響。因此，采用恰當(dāng)?shù)淖⑷敕椒ǎ黾幽ハ饕哼M(jìn)入磨削區(qū)的有效部分，提高冷卻和潤(rùn)滑效果，對(duì)于改善工件質(zhì)量，減少砂輪磨損，極其重要。常用的磨削液注入方法有:手工供液法和澆注法;

51、高壓噴射法;空氣擋板輔助截?cái)鄽饬鞣?砂輪內(nèi)冷卻法;利用開(kāi)槽砂輪法等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.11 選擇高速切削機(jī)床的注意事項(xiàng) 由于一些用戶信息不靈、理論滯后、決策不科學(xué)，導(dǎo)致在選擇高速機(jī)床的過(guò)程中存在一些盲目性，使設(shè)備因使用不當(dāng)而出現(xiàn)不能充分發(fā)揮高速機(jī)床作用的情況相當(dāng)嚴(yán)重和普遍。為了科學(xué)選擇，提高設(shè)備利用率，特提出以下注意事項(xiàng)。 1.機(jī)床性能的選擇 高速加工中心、高速銑床可分為HSM型和HVM型，其價(jià)格相差很大，前者低，后者高。一般模具、飛機(jī)零件的加工，可采用HSM型，不必對(duì)進(jìn)給速度、加速度要求過(guò)高，以便降低投資成本。對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的選擇，最好要供貨商提供幾種切削

52、用量、效率及刀具選擇方案，再做性價(jià)比分析，然后再進(jìn)行決策。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),此外，對(duì)高速機(jī)床還應(yīng)特別注意其安全防護(hù)裝置。 2.電主軸的選擇 電主軸主要從性能、精度、壽命三點(diǎn)進(jìn)行考慮。 性能。選用電主軸最重要是選定其最高轉(zhuǎn)速、額定功率、轉(zhuǎn)矩及其與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。根據(jù)切削規(guī)范計(jì)算所需的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率 精度。要求主軸回轉(zhuǎn)精度不低于主軸軸承精度。 壽命。要求電主軸的壽命不低于5 00010 000 h。 3.精度儲(chǔ)備 不能完全以實(shí)測(cè)精度為準(zhǔn)，通常需要有約50%的精度儲(chǔ)備。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),4.價(jià)格考慮 隨著數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)，以及世界范圍

53、數(shù)控設(shè)備的逐步降價(jià)，機(jī)床價(jià)格已越來(lái)越低，但機(jī)床并不是越便宜越好，還要注意性價(jià)比，防止“低價(jià)陷阱”。 5.選擇廠商及品牌 要選擇三家以上廠商，即“貨比三家”，對(duì)產(chǎn)品性能、特點(diǎn)、精度、主要規(guī)格和價(jià)格進(jìn)行全面調(diào)研和分析比較。同時(shí)可以發(fā)揮中介組織的作用，利用互聯(lián)網(wǎng)公開(kāi)招標(biāo)。 6.選擇定位精度標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)際上流行四種定位精度標(biāo)準(zhǔn):ISO國(guó)際)、JIS(日本)、ASME(美國(guó)), VDI(德國(guó))。此外，還有GB(中國(guó))、BS(英國(guó))標(biāo)準(zhǔn)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.12 高速切削刀具與刀柄 高速切削刀具技術(shù)是高速切削的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它包括高速切削刀具材料、刀柄系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)動(dòng)平衡

54、技術(shù)、刀具監(jiān)測(cè)技術(shù)等。由于高速切削的高轉(zhuǎn)速和快進(jìn)給等特點(diǎn)，除了良好的耐磨性，高強(qiáng)度和韌性的先進(jìn)刀具材料，優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)，合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和高同心度的切削刀精度質(zhì)量等要求外，還需特別注意其他因素對(duì)刀具壽命的影響。同時(shí)，正確選用與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸相配合的刀柄也是關(guān)鍵因素之一。如果機(jī)床主軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有合適的刀具、刀柄相配合，則會(huì)損壞機(jī)床主軸的精密軸承，降低機(jī)床壽命。因此，學(xué)習(xí)和掌握高速切削刀具與刀柄知識(shí)也是非常重要的。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),所謂刀具系統(tǒng)是指由刀柄、夾頭和切削刀具所組成的完整的刀具體系，刀柄與機(jī)床主軸相連，切削刀具通過(guò)夾頭裝入刀柄之中。要使刀具系統(tǒng)能在

55、高速下進(jìn)行切削加工，它就必須要具有較高的系統(tǒng)精度，包括系統(tǒng)定位夾持精度和刀具重復(fù)定位精度。前者指刀具與刀柄、刀柄與機(jī)床主軸的連接精度，后者指每次換刀后刀具系統(tǒng)精度的一致性。刀具系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)精度，才能保證高速加工條件下刀具系統(tǒng)應(yīng)有的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。系統(tǒng)剛度，刀具系統(tǒng)的靜、動(dòng)剛度是影響加工精度及切削性能的重要因素。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1. 13 高速切削對(duì)刀具的要求 高速切削機(jī)床、高速刀具系統(tǒng)和高速切削工藝是高速切削的三項(xiàng)主要技術(shù)，特別是隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)了刀具技術(shù)的發(fā)展，這又有力地促進(jìn)了高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 1.高速切削對(duì)刀具材料

56、的要求 高速切削對(duì)刀具材料較普通切削有更高的要求，主要是: 高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性; 具有優(yōu)良力學(xué)性能，韌度高、抗沖擊能力強(qiáng); 高的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性; 刀具材料與被加工材料的化學(xué)親和力要小; 抗熱沖擊能力強(qiáng)等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),2.高速切削對(duì)刀體的要求 對(duì)于高速切削使用的刀柄和刀具夾頭的要求是: 夾緊精度高; 傳遞轉(zhuǎn)矩大; 結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性好，有利于刀具的動(dòng)平衡; 外形尺寸小，但應(yīng)適當(dāng)加大刀具的懸伸量，以擴(kuò)大加工范圍。 3.高速切削對(duì)刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的要求 正確選擇刀具結(jié)構(gòu)、切削刃的幾何參數(shù)以及刀具的斷屑方式等對(duì)高速切削的效率、表面質(zhì)量、刀具壽命以及切削熱量的產(chǎn)生

57、等都有很大影響，因此要選擇合適的刀具幾何角度。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),合適的刀具后角和合理的進(jìn)給速度，能產(chǎn)生足夠大的切屑厚度，以便帶走熱量，避免切削硬化。 切削刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數(shù)，應(yīng)合理選擇 切削載荷與刀具每切刃的進(jìn)給量有關(guān)。對(duì)于多片鑲嵌刀具，切削載荷作用在每一個(gè)刀片上;對(duì)于實(shí)體刀具，切削載荷作用在每個(gè)齒上。因此，進(jìn)給量應(yīng)該在一個(gè)合理的數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行選擇 4.高速切削對(duì)刀具系統(tǒng)的其他要求 在高速切削刀具的實(shí)際應(yīng)用中，除了正確選擇刀具材料和切削參數(shù)外，還要考慮和刀具有關(guān)的其他問(wèn)題，主要有: 提高切削剛度; 考慮刀具承受的離心力;,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5

58、.1 高速切削加工技術(shù),刀具系統(tǒng)與機(jī)床有牢靠的連接和可靠的預(yù)警功能; 需要增加特殊的安全設(shè)施。 5.高速切削刀具選擇的基本原則 為了充分發(fā)揮高速切削加工的特點(diǎn)，刀具選擇是極為重要的。一般高速切削刀具選擇的原則為: 選用專(zhuān)用的適合高速加工的鑲嵌式刀具，無(wú)論在粗加工、半精加工和精加工中均應(yīng)如此; 選擇結(jié)實(shí)、剛性好的刀具結(jié)構(gòu)，例如硬質(zhì)合金刀具; 選擇大一點(diǎn)的刀柄和錐柄，特別是小直徑刀具更應(yīng)如此; 盡可能選擇短粗的刀具，避免過(guò)長(zhǎng)懸伸;,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),采用平衡刀具和刀柄，至少應(yīng)該給出刀具的平衡量參數(shù); 刀體應(yīng)該設(shè)計(jì)得有盡可能大的容屑量; 刀具中心最好制成帶孔結(jié)構(gòu)，以便于

59、吹氣和冷卻; 必須要有高精度刀片座和可靠的固定; 鑲嵌刀片的基片應(yīng)該有最大的剛性和良好的耐磨損性能; 強(qiáng)化切削刃連接，以保證安全; 盡可能選擇短切削刃，以減少振動(dòng); 選用耐用隔熱鍍層，以提高耐磨性; 不要超過(guò)允許的最大切削速度; 采用實(shí)體穩(wěn)定的刀具主軸連接界面，避免發(fā)生振動(dòng)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),5.1 高速切削加工技術(shù),5.1.14 高速切削刀具 刀具是高速切削加工中最活躍最重要的因素之一，直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速切削加工過(guò)程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)等載荷，因此其硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐磨性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等基本性能是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的關(guān)鍵因素。高速切削加工時(shí)，對(duì)不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的