超高速超精密加工技術(shù)

超高速超精密加工技術(shù)第一頁，共37頁。工程訓(xùn)練中心

姓名：黨長春學(xué)號(hào)：2162224026

第二頁，共37頁。高速加工的概念與特征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)用高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)第三頁，共37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(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)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(jìn)行加工的一種高效新工藝方法。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四頁，共37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(shí)驗(yàn)曲線，提出著名的“薩洛蒙曲線”和高速切削理論。第五頁，共37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；

高速加工的特點(diǎn)材料切除率高

單位時(shí)間內(nèi)切除率可提高3-5倍；圖3加工零件第六頁，共37頁。高精度

切削激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床系統(tǒng)固有頻率，加工平穩(wěn)、振動(dòng)??；減少工序

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(shí)的熱傳導(dǎo)過程

B為傳統(tǒng)加工的熱傳導(dǎo)過程

圖4熱傳導(dǎo)對(duì)比圖熱變形小

溫升不超過3oC，90%切削熱被切屑帶走；第七頁，共37頁。高速切削加工應(yīng)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。

波音公司的F15戰(zhàn)斗機(jī)的起動(dòng)減速板第八頁，共37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

高速銑削典型工件第九頁，共37頁。（2）汽車制造。專用機(jī)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(tái)1軸1工序（3萬件/月）柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型可變）汽車輪轂螺栓孔高速加工實(shí)例（日產(chǎn)公司）第十頁，共37頁。（3）模具制造。

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(shí)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十一頁，共37頁。b）高速模具加工的過程

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

電極制造第十二頁，共37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(dá)IT5~IT6級(jí)，粗糙度可達(dá)0.2～1um。

（5）超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域。粗銑整體鋁板；精銑去口；鉆680個(gè)直徑為3mm的小孔。時(shí)間為32min。

高速切削加工醫(yī)用藥盒第十三頁，共37頁。高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)1.高速主軸

電主軸：交流伺服電動(dòng)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(dòng)小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊。

轉(zhuǎn)速：CAK6136V/750主軸最高轉(zhuǎn)速：3000m/min.

VMC650立式加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速：8000r/min.

VCN510C-數(shù)控立式加工中心轉(zhuǎn)速：15000r/min.第十四頁，共37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)第十五頁，共37頁。

2.快速進(jìn)給系統(tǒng)

具有大的加減速度以及高的定位精度。普遍采用交流伺服電機(jī)代替直流伺服電機(jī)?？焖龠M(jìn)給速度：VCN510C-加工中心進(jìn)給速度：36m/min.

VMC650立式加工中心進(jìn)給速度：10m/min.

CAK6136V/750快速進(jìn)給速度：7.6m/min工作進(jìn)給速度：高規(guī)格的加工中心快速進(jìn)給速度可達(dá)到60m/min.

工作進(jìn)給速度低于40m/min.第十六頁，共37頁。

3.超高速加工用刀具、磨具

超高速加工用刀具、磨具主要指超高速銑削用刀具和超高速磨削用砂輪。

技術(shù)要求：較強(qiáng)的硬度和耐磨性、較高的強(qiáng)度和韌性、高的耐熱性和抗沖擊性。

刀具切削刃主要材料：聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、氧化硅陶瓷材料。第十七頁，共37頁。金剛石刀具第十八頁，共37頁。1957年美國通用電器(GE)公司采用與金剛石制造方法相似的方法，合成于第二種超硬材料——立方氮化棚(CBN)。CBN有單晶體和多晶體之分，即CBN單晶和聚晶立方氮化棚(簡稱PCBN)。CBN與金剛石的硬度相近，又具有高于金剛石的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族元素的高化學(xué)穩(wěn)定性。各種焊接的PCBN刀具立方氮化硼刀具第十九頁，共37頁。

精密與超精密加工的定義精密與超精密加工的地位金剛石刀具鏡面切削精密與超精密磨削精密與超精密加工技術(shù)第二十頁，共37頁。

精密加工與超精密加工的發(fā)展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機(jī)離子束加工分子對(duì)位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動(dòng)測微儀光學(xué)比較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機(jī)激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份精密與超精密加工定義第二十一頁，共37頁。

精密與超精密加工技術(shù)是一個(gè)國家制造業(yè)水平重要標(biāo)志例：美國哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度0.01μm；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1μm，日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達(dá)2nm

精密加工與超精密加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵例：美國陀螺儀球圓度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，導(dǎo)彈命中精度控制在50m范圍內(nèi)；英國飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60μm降至12μm，發(fā)電機(jī)壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4μm減小1μm，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍

精密與超精密加工的地位第二十二頁，共37頁。

切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行切削力＞原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá)13000N/mm2）刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會(huì)波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量

金剛石刀具鏡面切削

應(yīng)用光學(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機(jī)塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等

機(jī)理、特點(diǎn)

刀具刃口半徑可達(dá)到納米級(jí)水平，可實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米級(jí)的連續(xù)切削第二十三頁，共37頁。金剛石車床加工4.5mm陶瓷球

金剛石車床及其加工照片第二十四頁，共37頁。精密與超精密磨削

磨削是保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量的最后一道工序。

超精密磨削和磨料加工是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉對(duì)硬脆材料進(jìn)行加工的方法。

第二十五頁，共37頁。進(jìn)給＋－圖2-8ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結(jié)合劑）冷卻液冷卻液電刷1、ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）

使用ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。通電后，砂輪結(jié)合劑發(fā)生氧化，氧化層阻止電解進(jìn)一步進(jìn)行。在切削力作用下，氧化層脫落，露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進(jìn)行，砂輪在整個(gè)磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。第二十六頁，共37頁?！?/p>

砂輪材料：金剛石，立方氮化硼（CBN）

可加工各種高硬度、高脆性金屬及非金屬材料（鐵金屬用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力強(qiáng)，磨削效率高磨削力小，磨削溫度低，加工表面好◆

特點(diǎn)：

分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進(jìn)行常用方法:①用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀；

②電解修銳（適用于金屬結(jié)合劑砂輪），效果好，并可在線修整◆

砂輪修整：2、超精密砂輪磨削技術(shù)第二十七頁，共37頁。砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削或拋光。有開式和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等（圖2-11）。接觸輪硬磁盤—裝在主軸真空吸盤上圖2-9砂帶磨削示意圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進(jìn)給f-徑向振動(dòng)3、精密與超精密砂帶磨削第二十八頁，共37頁。

幾種常見砂帶磨削方式a）砂帶無心外圓磨削（導(dǎo)輪式）工件導(dǎo)輪接觸輪主動(dòng)輪砂帶工件接觸輪主動(dòng)輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）c）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）工件接觸輪主動(dòng)輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削（回轉(zhuǎn)式）工件支承板主動(dòng)輪砂帶工作臺(tái)e）砂帶平面磨削（支承板式）f）砂帶平面磨削（支承輪式）支承輪工件砂帶接觸輪第二十九頁，共37頁。

砂帶磨削特點(diǎn)1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（Ra

值可達(dá)0.02μm）。3）強(qiáng)力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。4）制作簡單，價(jià)格低廉，使用方便。5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶

靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（圖2-12），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。第三十頁，共37頁。

4.超精密研磨與拋光研磨和拋光都是利用研磨劑使工件與研具之間通過相對(duì)復(fù)雜的軌跡而獲得高質(zhì)量、高精度的加工方法。

1、研磨加工的機(jī)制和特點(diǎn)研磨加工，通常是使用在1μm到十幾μm大小的氧化鋁和碳化硅等磨粒和鑄鐵等硬質(zhì)材料的研具之間并借助機(jī)床提供的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件表面加工軌跡高度不重合。研磨時(shí)磨粒的工作狀態(tài)有以下三種：

1）磨粒在工件與研具之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）由研具支承磨粒研磨加工面。

3）由工件支承磨粒研磨加工面。第三十一頁，共37頁。

2、拋光加工的機(jī)制和特點(diǎn)拋光也和研磨一樣，是將研磨劑擦抹在拋光器上對(duì)工件進(jìn)行拋光加工。但是，拋光使用是磨粒是1μm以下的微細(xì)磨粒，而拋光器則需使用瀝青、石蠟、合成樹脂、人造革、等軟質(zhì)材料制成，即使拋光硬脆材料也能加工出一點(diǎn)裂紋也沒有的鏡面。

第三十二頁，共37頁。3、超精密研磨和拋光的主要新技術(shù)（1）超精密研磨研磨普通的硬脆材料時(shí)，由于有微細(xì)的破碎，生成的切屑參于研磨。但是，如果研磨金屬材料時(shí)，則沒有破碎，而由磨粒取代進(jìn)行研磨