高速加工工艺技术应用

高速加工工艺技术应用主讲：钟志胜2016年8月10日高速加工工艺技术应用摘要：目前，高速加工除了在航空航天、船舶、模具、汽车等领域得到广泛应用之外，在3C行业也得到了空前应用。这类零件大多是结构复杂、薄壁刚性差，在通常加工过程中极易产生变形，较难满足加工表面质量与加工尺寸精度要求。为此，高速加工为产品零件的加工提供了效率、表面质量和尺寸精度保障。本文以典型的3C铝合金薄壁件(手机机壳、数控系统操作面板)高速加工为研究对象，运用华中8型智能数控系统对铝合金的高速加工工艺技术进行探讨，以提高或展示产品加工的实际效能。高速加工工艺技术应用关键词：高速加工形变控制智能工艺与编程技术刀具选择切削参数检测与智能修正高速加工工艺技术应用1.高速加工背景与现状1.1背景源于：•市场日益激烈的时间、效率、成本的竞争：a)快的设计开发速度b)极少的工序步骤及周转c)产品价值优势/规模化生产加工•新材料及复杂的三维曲面形状加工要求：a)打破传统/创新驱动b)薄壁复杂零件/大切除量C)3C铝合金、不锈钢材料加工•高硬材料及超高的表面加工质量要求:a)以车或铣代磨b）减少电加工工序和钳工工序高速加工工艺技术应用1.2现状高速加工是一项集设备、控制系统、刀量具、加工工艺技术与编程、监测与检测、工具系统、CAD/CAM等为一体的加工技术方法，其采用全新的加工工艺，在刀具、切削用量、走刀路径及程序编制等方面，都不同于传统的数控加工。当前现状：1)企业高速加工设备少，大都是主轴转速15000rpm以下的设备，难以实现高速加工要求；2)新工艺、新方法创新驱动不够，传统加工模式与方法根深蒂固，导致有高速设备的企业长期工作在8000rpm以下，未能发挥高速加工功能；3)企业配备的刀具、工具系统难以实现高速加工要求，现有的工艺也难以适应高速加工要求。高速加工工艺技术应用1.2现状当前现状与先进制造的高速加工存在以下主要差距：1)高速加工零件毛坯制造技术的差距；2)高速加工设备制造技术的差距；3)高速加工刀具制造技术的差距；4)高速加工工艺智能技术的差距；5)高速加工检测(机器人)与监测反馈修正技术的差距；6)上、下料应用机器人或机器手的差距。高速加工工艺技术应用2.高速加工的必备条件2.1机床高速加工机床是实现高速加工的前提和基本条件，其种类涵盖了数控机床和精密机床，其结构特点应具有足够的承载能力、高刚性、热稳定性、耐冲击性和抗震性，确保设备具有优良的静、动态特性。主轴单元能够平稳提供高转速功率、扭矩响应，进给单元能平稳提供快速进给功率、扭矩及快速工进响应，主轴单元和进给单元能精准提供加或减速度与修正。高速加工工艺技术应用2.高速加工的必备条件2.2工具系统2.2.1高速刀柄(≥20000rpm)主要指具有动平衡的高精度刀柄。1)7/24锥度的常规ISO、BT、SK高速动平衡刀柄；2)DIN69893-1的HSK系列高速动平衡刀柄；3)高速刀柄配套件，如拉钉、卡芯等。实例2.2.2刀具高速加工切削是指刀具切削刃相对于零件表面的切削运动(或移动)速度超过普通切削速度的5～10倍，主要体现在刀具的快进、工进、快退三个环节上，要适应现代生产快速反应的应用特点。实例高速加工工艺技术应用2.2.2刀具刀具合理选择主要是材料、涂层、几何形状与尺寸。高速加工通常以高转速、小切削量、高工进进给加工，其切屑去除率比普通数控加工要高，表现为：加工效率高、切削变形小、设备冲击小、表面质量高。刀具类别及形式(实例)1)粉末冶金高钴高速钢涂层刀具(高速加工用磨制)对有色金属大切削深度的高速工进有上佳表现。2)超细晶体微粒(0.1μm)硬质合金涂层刀具大切削深度加工不锈钢、钛合金、高温合金有上佳表现高速加工工艺技术应用3)超细晶体微粒(0.1μm)硬质合金涂层PCD刀具大切削深度、高速工进加工复合材料有上佳表现4)金属陶瓷刀具(TiC(N)基硬质合金)高速车削低碳钢有上佳表现5)陶瓷刀具高速加工有色金属有上佳表现6)CBN刀具(立方氮化硼)高速加工钛合金、高温合金、复合材料及高硬度钢有上佳表现7)PCD刀具(金刚石)高速加工有色金属、高硬材料、复合材料有上佳表现高速加工工艺技术应用2.2.3工装夹具根据产品零件特定设计、制造适合高速加工的装夹、定位的工装夹具。1)通用简易工装(通豁性)2)专用特制工装(针对产品)3)高精度组合工装(瑞士EROWA夹具)4)快速气动或液压工装(真空吸盘或液压锁紧)2.3高速加工的在线检测与监测修正在线检测主要直接检测零件加工的几何形变或尺寸精度(英国RENISHAW)；监测修正主要对刀具磨损进行间接测量，从而对刀具磨损进行补偿，以达到修正加工尺寸精度。智能化工艺性修正，以实时修正、完善程序。高速加工工艺技术应用2.4设备环境1)机床地面平整坚固；2)轻质机床地脚必须防震、抗震，重质机床需做防震层或做防震沟；3)做必要的零地；4)配制必要的抗干扰电源；5)配用清洁的气、液源；6)配用高速加工切削液。高速加工工艺技术应用3.高速加工工艺与编程3.1高速加工的特点1)主轴高转速国内20000rpm～50000rpm,进口24000rpm～100000rpm核心部件轴承，目前高速主轴主要采用3种非凡轴承：陶瓷轴承、磁力轴承、空气轴承。2)工进高进给、进退高位移、加减速高响应直线电机具有高加、减速特性，加速度可达1g～2g，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。3)CNC控制系统运行高可靠响应传输速度快、抗干扰能力强，CPU运算速度快，预读单元及NURBS功能等要高相应匹配CNC控制器，才能发挥高速切削加工的效能。高速加工工艺技术应用3.1高速加工的特点4)产品批量化、定制化5)工序高集中、切屑高切除率6)工艺高智能(方案、刀轨、干涉、工进、形变)、编程高优化(CAD/CAM、仿真优化软件、电参数监测)7)相对加工成本高机床价值高、设备折旧成本大，对环境要求高(抗震、抗干扰)，刀柄、刀具费用高，冷却、润滑要求高。为此，针对高速加工其特点，制定相应的加工工艺方案与编程。高速加工工艺技术应用3.2高速加工工艺方案3.2.1高速加工工艺流程产品图纸→工艺设计→工装准备→设备选定→刀具精选→确定检测↓明确产品材料状态→材料应力变形控制↓→材料状态处理方式明确尺寸链及公差等级→精度控制→切削形变及热变形控制↓明确形位公差及表观质量→定位变形及刚性控制、切削状态控制↓制定工艺工序步骤CAD/CAM编程←↓→VERICUT模拟仿真软件进行干涉演示检查确定刀具进退路径→调整刀具切削进退方式→优化刀具轨迹产品检测←↓→刀具轨迹微调优化→切削参数调整优化试加工产品在线检测←↓→工艺智能优化反馈批生产高速加工工艺技术应用3.2.2高速加工变形控制1.零件材料应力变形控制→切削前2.零件切削变形控制→切削中1)切削应力变形→切削力导致变形2)切削热变形→温度导致变形3)几何变形→几何结构相互作用→内力导致变形4)装夹变形→外力导致变形3.零件存储变形控制→切削后1)环境温度控制2)环境振动源控制3)放置稳定性控制高速加工工艺技术应用3.2.3高速加工刀具系统1.刀柄及其附件1)刀柄的标准GB/JIS/ISO/DIN2)刀柄本体材料→稳定性→抗腐蚀→抗磨精度→动平衡→高速3)拉钉→稳定性→抗腐蚀→抗磨→高精度2.刀具及其选用1)刀具母材(前面已讨论了7种母材种类形式)2)刀具几何角度(针对产品加工用途讨论)3)刀具涂层高速加工工艺技术应用3.2.3高速加工工具系统3)刀具涂层刀具涂层化学涂层(CVD)物理涂层(PVD)涂层成分涂层结构软涂层硬涂层单一涂层复合涂层梯度涂层多层涂层纳米多层涂层纳米复合结构涂层高速加工工艺技术应用3.2.3高速加工工具系统3)刀具涂层PVD的硬涂层以TiN、TiCN、TiAlN为代表；软涂层目前不多，主要改善切屑时的润滑，耐磨性差。PVD的单一涂层很好理解，复合涂层主要是硬涂层+软涂层较普遍；梯度涂层主要是涂层成分沿薄膜纵向生长方向逐步发生变化、导致涂层化学元素比例发生变化，改善涂层组织结构；多层涂层最有代表性的AlN+TiN、TiAlN+TiN；纳米多层涂层最有代表性的AlN+TiN、AlN+TiN+CrN,结构膜硬度达40GPa在高温下能保证高硬度；纳米复合结构涂层的结构膜硬度达50GPa，在切屑温度900℃～1100℃高温下能保证高硬度，特别适合高温合金材料加工选择。高速加工工艺技术应用3.2.4高速加工工艺装夹1.工装1)通用工装注重通豁性和“万能工装”2)专用工装针对特定产品设计生产的定位装夹工装3)高精度快速组换工装“积木式”组合定位工装(瑞士EROWA夹具)4)快速气压、液压工装在使用以上定位装夹工装时，控制装夹变形是重点高速加工工艺技术应用3.3高速加工编程数控加工编程可借助CAM软件进行编程，然而高速加工编程与一般的普通数控加工编程是有些区别的：1.刀具轨迹与路径；2.刀具的进退方式，入刀点、出刀点与其入刀、出刀方式；3.对加工的边界定义及加工岛屿的定义；4.通过程序编程改变加工中应力变化、切削热变化、几何形体变化、切屑的排畅尤为重要；5.编程的模拟化、智能化演示与反馈修善；6.高速加工程序与切削参数的匹配7.高速加工程序与实体特征化的实现。高速加工工艺技术应用4.高速加工实例4.1铝合金高速加工(铝合金加工的专用刀具)1.手机中间框高速加工工艺技术应用2.手机边框高速加工工艺技术应用4.2不锈钢高速加工1Cr18Ni9Ti舱体现场操作演示：不锈钢加工的专用刀具刀具特点：1)刀具母材金相颗粒0.2μm～0.1μm；2)刀具导程较大且螺旋槽光洁，主要是便于排屑，避免粘刀；3)刀具涂层耐高温;4)刀具很高的耐磨性；5)刀具锋利。高速加工工艺技术应用4.3钛合金高速加工钛合金加工的专用刀具高速加工工艺技术应用4.4高温合金高速加工高温合金加工的专用刀具机匣高速加工工艺技术应用4.5非金属复合材料高速加工非金属复合材料加工的专用刀具交流高速加工工艺技术应用4.6通用合金钢高速加工通用合金钢高速加工刀具交流高速加工工艺技术应用4.7高硬度(≥HRC55°)合金钢高速加工高硬度合金钢高速加工专用刀具交流高速加工工艺技术应用5结论•效率、表面质量、精度(尺寸公差与形位公差)•人→机→料→法→环→效