超高速加工技术

Page12020年3月18日先进制造工艺技术超高速加工技术邢台职业技术学院机电系Page22020年3月18日•概述•超高速加工技术的机理及特征•超高速加工技术的应用•超高速加工技术的相关技术超高速加工技术Page32020年3月18日•超高速加工技术的历史背景20世纪50年代，美国麻省理工学院发明的数控技术被称为现代制造技术的开端80年代，工业发达国家数控化率已高达70－80％。随着数控机床、加工中心和柔性制造系统的应用，使机械加工的辅助工时大大缩短。在这种情况下，辅助工时在生产过程中占的比重已经较小，所以不能通过一味的减小辅助工时来提高生产率。而切削工时占了总工时的主要部分，成为主要矛盾，只有大幅减少切削工时，提高切削速度和进给速度等，才能大幅提高生产率。概述Page42020年3月18日•超高速加工技术的历史背景图不同年代切削加工的制造时间及费用的变化图概述Page52020年3月18日•超高速加工技术的历史背景1995年，米兰国际机床博览会以来，高速化是每次国际性机床博览会一个突出的主题。超高速加工已经成为20世纪末国际机械制造业最热门的话题。数控技术是现代制造技术的第一个里程碑，那么超高速加工技术就是第二个高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自动化加工成了当今四大先进加工技术概述Page62020年3月18日•超高速加工技术的内涵和范围超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。概述Page72020年3月18日内涵高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的5～10倍。高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。HSC＝High-Speed-CuttingHSM＝High-Speed-Machining概述Page82020年3月18日范围铝合金纤维增强塑料青铜，黄铜铸铁钢钛合金镍基合金10100m/min100001000工件材料切削速度vc（铣削）普通切削过渡区高速切削高速范围与加工材料密切相关来源：PTW概述Page92020年3月18日范围高速范围与加工方法密切相关车削：700～7000m/min；铣削：300～6000m/min；钻削：200～1100m/min；磨削：150m/s以上。例如：在切削灰铸铁时，1000m/min以上才是高速车削，而400m/min就定义为高速钻削。概述Page102020年3月18日•目前定位的超高速切削的指标：保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90％，同时将加工费用减少50％概述Page112020年3月18日•超高速加工技术的发展现状－切削1976年美国首次推出有级超高速铣床，最高转速达20000r/min，功率15kw。此后，法国、德国也开始了超高速加工技术的研究。20世纪80年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现。目前，日本在超高速机床的研究和开发领域已跃居世界领先地位，法国、瑞士、英国、意大利、澳大利亚等国也做了大量的工作。超高速加工技术的发展现状和趋势Page122020年3月18日•超高速加工技术的发展现状－切削我国在超高速加工的关键领域也做了一定的研究，但与国外相比，有较大的差距。主轴转速在20000r以下，快速进给速度在30m以下；而国外，采用滚珠丝杠的进给系统，快速进给速度达到40－60m，采用直线电机的进给系统中，快速进给可达160m。超高速加工技术的发展现状和趋势Page132020年3月18日•超高速加工技术的发展现状－磨削超高速磨削的研究开始是在50、60年代，在80年代兴起。在超高速磨削技术方面，德国领先，日本后来巨上，美国则在奋起直追。目前发达国家，工业上应用磨削速度已达到150－250m/s,实验室中达到400/s。我国在这一领域与国外差距巨大，工业上应用的磨削速度还未达到100m/s，实验室中才为250m/s。超高速加工技术的发展现状和趋势Page142020年3月18日•超高速加工技术的发展趋势超高速加工技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技术的发展方向，即高效高速化、实用廉价化、多功能复合化，最主要的是高效高速化方向。超高速加工技术的发展现状和趋势Page152020年3月18日•概述•超高速加工技术的机理及特征•超高速加工技术的应用•超高速加工技术的相关技术3.2超高速加工技术Page162020年3月18日超高速切削示意图切削速度切削温度TcrTav1vcrv220世纪30年代德国物理学家Carl.J.Salomon提出高速加工的理论在切削速度达到一个临界值时,切削温度达到最大值,在这个临界值之后的一个范围内,切削速度增加,则切削温度下降。超高速加工技术的机理Page172020年3月18日新型刀具材料1875190010080604020m/min80060040020010820001925195019752000切削速度vc年工具钢铸造硬质合金涂层硬质合金立方聚晶氮化錋CBN聚晶金刚石PCDSiN34金属陶瓷硬质合金氧化陶瓷高速钢20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。超高速加工技术的机理Page182020年3月18日超高速加工技术的特征高单位时间切除率，降低加工成本高加工表面质量，提高加工精度低切削力，降低加工系统力变形高激励频率，避免自激振荡切削热由切屑带走，减少工件热变形减少后续工序，降低加工成本优点Page192020年3月18日超高速加工技术的特征高单位时间切除率，降低加工成本进给速度随切削速度的提高也可相应的提高5－10倍，这样，单位时间材料的去除率可提高3－6倍，因而加工时间可缩减到1/3.Page202020年3月18日高速切削的特征提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间（常规铣削）（高速铣削）后续工作精加工半精加工粗加工加工准备设计来源：BMW超高速加工技术的特征Page212020年3月18日超高速加工技术的机理高加工表面质量，提高加工精度切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性。Page222020年3月18日高速切削的特征提高加工表面质量行距行距实际轮廓要求轮廓加工余量行距来源：PTW超高速加工技术的特征Page232020年3月18日超高速加工技术的特征低切削力，降低加工系统力变形高速切削切削力可降低30％Page242020年3月18日超高速加工技术的机理切削热由切屑带走，减少工件热变形加工过程极为迅速，95％以上的切削热来不及传给工件，而被切削迅速带走，零件不会因为温升导致弯翘和膨胀变形Page252020年3月18日高速切削的特征减少传递给工件的热量切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力剪切角增大切削热大部分由切屑快速带走避免积屑瘤的产生工件后刀面刀具前刀面接触区高速切削的剪切角常规切削的剪切角超高速加工技术的特征Page262020年3月18日超高速加工技术的特征高激励频率，避免自激振荡减少后续工序，降低加工成本因为超高速加工的表面质量几乎可以和磨削相比，可以直接作为最后一道精加工工序Page272020年3月18日切削速度单位时间切除量表面质量切削力刀具寿命超高速加工技术的特征Page282020年3月18日•概述•超高速加工技术的机理及特征•超高速加工技术的应用•超高速加工技术的相关技术3.2超高速加工技术Page292020年3月18日高速切削的应用领域航空航天工业轻合金的加工：模具制造业：汽车工业：难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金）纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工超高速加工技术的应用Page302020年3月18日•航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。超高速加工技术的应用高速切削的应用领域Page312020年3月18日•美国波音公司的F15战斗机两个方向舵之间的气动减速板以前需要500多个零件装配而成，制造一个需要交货期为3个月；而现在应用高速切削技术直接在实体铝合金毛坯上铣削加工出来交货期只需要几天时间。超高速加工技术的应用Page322020年3月18日高速切削的应用领域模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。以前为电加工后再进行抛光加工。图超高速加工技术的应用Page332020年3月18日高速切削的应用领域汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机加工，柔性差）其加工的典型零件：伺服阀、各种泵、电机的壳体、电机转子、气缸体等超高速加工技术的应用Page342020年3月18日高速切削的应用领域难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金）纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工超高速加工技术的应用Page352020年3月18日•概述•超高速加工技术的机理及特征•超高速加工技术的应用•超高速加工技术的相关技术3.2超高速加工技术Page362020年3月18日高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。超高速加工技术的相关技术1.高速切削机床结构Page372020年3月18日•根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展：一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。超高速加工技术的相关技术Page382020年3月18日面向高速切削的切削机床设计特征高速电机主轴直线电机（Z轴）混凝土聚合物床身框架焊接结构横梁焊接结构XY工作台直线电机驱动超高速加工技术的相关技术Page392020年3月18日⑴主轴系统传统的齿轮变速和皮带传送方式已不能适应超高速运转的条件代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，定子则安装在主轴单元的壳体内，形成“电主轴”。实现变频电机和机床主轴的一体化。超高速加工技术的相关技术Page402020年3月18日图超高速主轴的结构超高速加工技术的相关技术Page412020年3月18日⑵进给驱动系统高速化高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在1997年进给速度已达120m/min超高速加工技术的相关技术Page422020年3月18日直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图所示图直线电动机进给驱动系统1－导轨系统2－笼型绕组3－三相绕组4－直线行程测量系统超高速加工技术的相关技术Page432020年3月18日把电机的转子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动超高速加工技术的相关技术Page442020年3月18日(3)运动部件轻量化和伺服进给控制精密化右图是一台高速切割的加工中心，其X、Y、Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直线电机驱动。图高速切削的加工中心结构示意超高速加工技术的相关技术Page452020年3月18日右图是美国Ingersoll公司为英国BritishAerospace公司提供的大型高速型面铣床。床身底面积为33m×15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。图7-14大型高速型面铣床1－基座2、6－可移动铣头及滑台3