先進(jìn)制造技術(shù)第七次

1、教案授課時間月 日 至 月 日課時數(shù)授課方式理論課 討論課 習(xí)題課 實驗課 上機(jī)課 技能課 其他授課單元第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù)（第三節(jié) 高速加工技術(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(diǎn)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(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：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(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域 難點(diǎn)：高速切削加工所涉及的關(guān)鍵技術(shù) 主要內(nèi)容第三節(jié) 高速加工技術(shù)高速加工技術(shù)的概念；高速加工的切削速度范圍；高速加工的切削理論；高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)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；

2、運(yùn)用啟發(fā)式、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(jī)械工業(yè)出版社，2000。2.孫大涌著先進(jìn)制造技術(shù)北京：機(jī)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(jī)械工程、機(jī)械工程學(xué)報、制造技術(shù)與機(jī)床等科技核心期刊。思考題、作業(yè)講稿第三節(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(jī)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，提高

3、了生產(chǎn)效率。 機(jī)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(jì)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(jī)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(yùn)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、CBN

4、、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(yùn)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(jī)床配置普通機(jī)床（國產(chǎn)）高速機(jī)床（進(jìn)口）機(jī)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/min高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同車削：700-

5、7000 m/min銑削：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 W.Taylor）是最早研究金屬切削機(jī)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v0 后（ v 0的大小同工件材料的種類有關(guān)） ， v 再增大， t 反而下降了。 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”。 C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

7、也進(jìn)行了一系列的高速銑削試驗。指出：可以大大縮短零件的加工過程，提高生產(chǎn)率。銑削力減少了70%，可以實現(xiàn)厚度為0.33mm薄筒件的銑削。 3.高速加工的特點(diǎn)Ø 加工效率高：進(jìn)給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 Ø 切削力?。狠^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Ø 切削熱?。杭庸み^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(diǎn)低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件Ø 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，

8、易于保證加工精度和表面質(zhì)量Ø 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，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公司的高速銑床，采用了內(nèi)裝式電機(jī)主軸，轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/min，功率15KW。 1983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(jī)，高壓冷卻系統(tǒng)，安全保障系統(tǒng)。美國Ingersoll公司是高速機(jī)床應(yīng)用直線電動機(jī)的先鋒。該機(jī)床用于加工汽車模具的高

9、速龍門銑床。三個坐標(biāo)都采用直線電動機(jī)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銑頭可以多軸聯(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(jī)大梁、肋板、雷達(dá)組件、

10、鈦和鈦合金零件、鋁或鎂合金壓鑄件。材料去除率達(dá)100-180cm3/min。 現(xiàn)代飛機(jī)構(gòu)件都采用整體加工技術(shù)，高速切削，加工出高精度的鋁合金的構(gòu)件，不用鉚接的工藝。 如波音公司的F15戰(zhàn)斗機(jī)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 銑削，僅需幾天。 高速切削可加工薄壁件達(dá)0.04mm，孔直徑0.08mm。 高速五軸加工葉輪，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(jī)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

11、，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??？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。高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍。 對于復(fù)雜型面模具，模具精加工費(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)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，粗銑：主軸轉(zhuǎn)速35000r/min，進(jìn)給速度6m/min;精銑：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。 （4）難加工材料領(lǐng)域。

12、硬金屬材料（HRC5562），可代替磨削，精度可達(dá)IT5IT6級，粗糙度可達(dá)0.21微米。（5）超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域。電路板上有許多0.5mm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(jī)床結(jié)構(gòu)、高速加工刀具等。1. 高速主軸最關(guān)鍵部件。高速化指標(biāo)：dm n值，至少達(dá)到1×106。目前，轉(zhuǎn)速范圍為1000025000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到10m/min以上。電主軸：交流伺服電動機(jī)內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝在機(jī)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(diǎn)。采用的軸承有：滾動

13、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Ø 采用電動主軸（電機(jī)與主軸作成一體）；Ø 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； Ø 采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4；Ø 與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點(diǎn)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。Ø 軸承轉(zhuǎn)速特征值（= 軸徑（mm）×轉(zhuǎn)速（r/min）較普通鋼軸承提高1.2 2倍，可達(dá)0.51×

14、106。Ø 液體靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)1×106，空氣靜壓軸承轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)3×106 。磁浮軸承高速主軸Ø 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0.1mm。Ø 剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。Ø 轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4×106。Ø 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)0.2m。Ø 機(jī)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(jī)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

15、，一般要求12g，特殊可達(dá)到210g；高精度；高可靠性和高安全性；合理的成本。伺副電動機(jī)+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（0.51.0g）的場合。直流直線電機(jī)、交流永磁同步直線電動機(jī)、交流感應(yīng)異步直線電動機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)。直線電機(jī)：進(jìn)給速度可達(dá)160m/min，加速度可達(dá)2.5-10g。消除了機(jī)械傳動間隙和彈性變形，幾乎沒有反向間隙，是未來機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)處理軟件。幾何補(bǔ)償軟

16、件。4. 先進(jìn)的機(jī)床機(jī)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(qiáng)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Ø 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。Ø 天然金剛石是

17、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。Ø 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，切削刃鈍圓半徑可達(dá)0.01m。Ø 天然金剛石耐熱性為700-800，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，硬度喪失。Ø 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。Ø 聚晶金剛石Ø 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。Ø 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)）。Ø 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 。Ø 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。Ø 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(qiáng)的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴(kuò)散，使金剛石刀具很快磨損。聚晶立方氮化硼（PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride） 1970年問世Ø 較高的硬度和耐磨性： Ø 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50倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。高