先进制造技术-高速加工

高速切削技术1高速铣削(HSM/HSC)技术HighSpeedMachine/Cutting山东理工大学机械电子工程系袁光明高速切削技术21问题的提出2综合性高技术体系3发展的结果4加工策略与特点5CAM技术支持保持刀具载荷的恒定减少速率损失6加工实例主要内容：高速切削技术3就是以更快的速度运行已有的程序？高速铣削是一种不同的、更好的加工复杂零件的方法！什么是高速铣削（HSM）？超高速加工是指被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，使得切削力、温度、磨损明显优于传统切削速度。铝合金1600m/min，钛合金150-1000m/min车削700-7000m/min，铣削300-600m/min高速切削技术4超高速切削技术切削速度为常规高10倍左右进给速度提高20倍切削机理发生了根本的变化单位功率的金属切除率提高了30~40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低（2～3%），切削振动几乎消失高速切削技术5问题的提出•从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。•但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1S，快速空程速度已提高到30～50m/min。再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，且对提高机床的生产率意义也不大，矛盾的主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低切削工时（即提高切削速度和进给速度等），才有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近20年来超高速切削技术得以迅速发展的历史背景。高速切削技术6•图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，1970～1980年，由于加工中心的大发展，零件加工的辅助工时迅速下降；80年代以来，由于高速切削技术的推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。在整个90年代，随着超高速切削技术的飞速进步，这个趋势将继续发展下去。高速切削技术7超高速切削概念的产生－萨洛蒙曲线•超高速切削理论研究可追溯到1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙CarlSalomon发表的著名的超高速切削理论，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。不同工件材料的萨洛蒙曲线高速切削技术8超高速切削概念的产生可用下图示意萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值vc以后，切削速度再增大，切削温度反而降低。并指出vc之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内（B区），由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范围在美国被称之为“死谷”（deadvalley）。cvcvcvcvcv高速切削技术9实验研究•由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限。但是，他的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C区)进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。•美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验采用了将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变。单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降。高速切削技术10实验研究•这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，目前这项理论研究工作还在进一步深入。高速切削技术11超高速切削的应用研究•在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界和工业界做了许多领先的工作。1977年在一台带有高频电主轴的加工中心上进行超高速切削试验。其主轴转速可在1800～18000r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为76m/min。•试验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增加了2～3倍，主切削力减小了70％，而加工的表面质量明显提高。•美国高速切削技术12超高速切削的应用研究•受萨洛蒙理论的启发，美国空军和Lockheed飞机公司首先研究了用于轻合金材料的超高速铣削。1979年美国防卫高技术研究总署（DARPA）发起了一项“先进加工研究计划”（AdvancedMachiningResearchProgram），研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。•研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高。刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，并确定铝合金的最佳切削速度范围是1560～4500m/min。高速切削技术13•在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。1984年该部拨款1160万马克，组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）为首的、有41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的工艺技术，分别对各种工件材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了良好的经济效益。•德国高速切削技术14•日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现，在超高速切削时，切削热的绝大部分被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。•日本•1990年以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者。高速切削技术15近年各国生产的高速加工中心和NC机床DMG(DECHELMAHOGILDMEISTER)MIKRONFIDIAINGERSOLLHASS哈挺威力明Röders高速切削技术16超高速切削的相关技术工件材料超高速切削技术工件刀具机床切削过程工件夹持装置高速切削机理CAD/CAM过程监控刀具材料刀具几何参数安全装置机床基础件轻型溜板结构刀具结构CNC控制系统进给驱动装置排屑装置冷却系统刀具夹持装置主轴部件工件搬运工件特性高速切削技术17超高速切削技术的综合性高技术体系技术原理原理与条件切削力、温度高速构件动特性摩擦与磨损切屑形成基础技术刀具材料刀具几何与连接电主轴电机轴承高速传动与支撑件传感器及测控单元技术刀具制造与平衡主轴单元与进给高速CNC技术监控检测安全工艺DB与优化工具系统设备系统控制系统信息系统切屑形成总体技术高速切削技术18HSM高速铣削是各种先进技术发展的结果：1、CNC加工中心2、刀具/卡头/材料3、网络技术4、CAD/CAM提供的新的能力高速铣削是指一个全新的制造环境，包括了上述的所有方面的支持。高速切削技术19•在机床方面：床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，采用这种工艺和材料的好处是不仅能提高机床的整体刚度和稳定性，而且还具有良好的吸振性；铸铁龙门机床高速切削技术20•电主轴技术及其产品的专业化生产：高性能的电主轴是实现高速切削的基础，要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩，多数内装电机驱动。目前，瑞士Fisher公司和法国ForestLine公司生产的电主轴，其主轴转速最高达到180,000r/min，功率最大达70kw；高速切削技术21•快速进给系统：其直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了传动环节带来的累积误差，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。数控系统己经实现五轴五联动上至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理时间不超过0.4ms，并具有NURBS曲线插补功能。高速切削技术22•刀具技术：由于在高速切削时，切削力很小无需大的切削扭矩，以及离心力不容忽视，通常选用德国产的HSK型的短圆柄。•为适应高速切削，刀具材料通常选用热稳定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、CBN刀具、PCD刀具、复合涂层刀具等。高速切削技术23•高速切削技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日趋成熟，极大地推动了CAD／CAM软件的繁荣。目前，市场上出现了好多有关CAD／CAM的软件，其中，最为流行的要数EDS公司推出的UG软件、DassaultSyatem公司的CATIA、PTC公司的PRO/E以及DELCAM、Mastercam等。高速切削技术241、小切量（侧向步距/切削深度）大约为传统加工用量的1/3；RPM-Upto120,000rev.permin.FEED-upto~80meterpermin.高速铣削的关键是改变了原有的加工策略2、高速度（主轴转速/进给速度）使用设备的最大允许参数高速切削技术25高速铣削的关键是改变了原有的加工策略•采用HSM的效果不是看是否减少了铣削加工的时间，而是从整个生产过程来看，降低了多少生产时间。下图显示：用HSM代替EDM降低了生产的时间。•由于采用小切削用量会导致铣削加工时间并未减少，但减少了整个生产时间。高速切削技术26高速铣削的加工特点小切削用量—获得优良的表面质量在加工中，零件表面的粗糙度取决于相临刀具轨迹的大小，采用小的侧向进给可以减小残留高度从而得到更加光滑的表面质量，减少抛光的需要！在过去，如果采用小的切削用量会导致加工周期过长。但今天，由于各种条件已经允许很高的加工速度，使得小的切削用量成为可能！高速切削技术27高速铣削的加工特点小切削用量—实现精细加工高速铣削可以有效地使用精巧的小刀具进行加工，使得模具精细部位的加工成为可能，而可以避免使用大量的嵌件和电极（EDM）。加工参数：主轴转速20,000rpm,刀具直径4mm，切削深度0.6mm；加工效果：减少了240个嵌入的钉杆。高速切削技术28高速铣削的加工特点小切削用量—加工高硬度材料（如50HRC）减少或避免了电极的设计与制造：电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程，而且使用电极进行加工也是一个费时的加工过程！材料硬度:54to56Rc槽宽:1mm槽深:8mm主轴转速:33,000rpm进给速率:3800mm/min刀具直径:1mm(v=100m/min)加工时间:35minutes高速切削技术29高速铣削的加工特点1、更快的电极制造：抛光时间缩短达50%到75%（使用0.001inch的步距）；•在进行精加工电极加工的同时，就可以进行模具的粗放电加工；2、高质的电极制造：由于使用HSM加工使得抛光可以省去；•保证了用户可以得到几乎完全相同的电极形状，使得用户在制造多型腔模具时，可以得到形状相同的零件。•利用电极作为负极加工来提高放电加工的效率；小切削用量—使电极加工更高效高速切削技术30高速铣削的加工特点小切削用量—使电极加工更高效3、薄壁零件的加工成为可能。•简化了工艺过程，提高了生产效率，缩短了生产时间；•省掉了电极的设计与制造；高速切削技术31高速铣削的加工特点高速度1、减少了加工的刀具温度，刀具寿命得到极大的提高；2、减少了对冷却的要求，如使用风冷即可达到满意的冷却效果！加工中的热量被刀屑迅速带走，从而高速切削技术32HSM需要CAD/CAM系统的支持•保持恒定的刀具载荷•把进给速率变化降到最低•使程序处理速度最大化高速切削技术33CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定1、刀具载荷的分析与优化：•进给速率的自动调整（根据切削体积/根据切削角度）•采用自动分层加工的方法来实现加工的合理性与载荷的恒定高速切削技术34CAM先进的高速铣削能力（一）保持刀具载荷的恒定2、基于毛坯残留知识的加工•智能实现优秀合理的二次粗加工；WCUT/WITHSTOCK+MIN.STOCK•时时检测当前状态下的毛坯状况，从而避免空走刀；WithS