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高速切削加工与机床研讨主题高速切削的基础理论研究高速切削的优势高速切削的应用领域高速切削加工系统高速切削加工的关键技术我室在高速切削加工方面开展的工作结束语1、超高速切削加工理论1.1萨洛蒙高速切削假设和实验高速切削（HighSpeedmachining,HSM),源于德国的CarlSalomon博士1924－1931年间开展一系列高速切削实验，并提出的假设：对应一定的工件材料有一个临界切削速度，其切削温度最高。在常规切削范围内（图A区），切削温度随着切削速度的增大而提高；当切削速度达到临界切削速度后，切削速度再增大时，切削温度反而降低见图示。1.2从假设到现实－－高速切削理论的早期研究1960年美国洛克希德飞机公司（lockheedaircraft)的工程师沃汉（RobertL.Vaughan）用“弹道切削”实验（即用枪或炮打出一个工件，以4500－11000m/min的速度通过一个单刃刀具，微型摄像机拍下弹道切削过程）主要结论：1）高速切削方面在超高速条件下，高强度材料可以切削，切削速度可高达1220m/s；高速钢刀具可在这一速度下切削高强度材料；加工合金材料的脆性失效现象在高速下并没有发生；高速下的实验结果和通常的加工曲线计算的结果不一样；超高速切削可提高工件的表面质量；高速切削的金属加工切除率可高达普通切削的240倍。2）在刀具磨损方面在切削速度达到610m/s，切削经过热处理的材料时，刀具的磨损率最小；切削速度变化对退火钢的加工影响不大；在切削速度从150m/s增加到760m/s时，每切除单位金属的刀具磨损率下降75％到95％；切削铝合金的速度达到760m/s时，没有测量到刀具磨损。3）在切削力方面水平力和垂直力虽然比理论值大，但是仍在可控制的范围内；大多数情况下，垂直力比水平力大，这和理论分析的结果相反；峰值切削力只增加了33％－70％，而不是预计的500％，而且使用的平均力还会减小；在高速切削下，剪切角增大而导致剪切力减小。超高速切削加工与传统的切削加工相比发生了质变1.3高速切削逐渐成熟在20世纪70年代中期，美国科学家罗伯特·金（RobertI.king）和麦克唐纳（Mcdonaid.J)着手验证和发展沃汉（Vaughan）的研究结论。提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理；从理论上证实了高速切削的可行性与高速切削的优越性。特别值得一提的是：他们的研究不用枪和大炮，而是使用了真正的机床。美国BryantGrinder公司为他们提供了高速五轴铣床，机床的主轴转速为20000r/min，功率15kW。图2高速铣削材料加工范围2、超高速切削加工优势极大地提高了机床的生产率随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5－10倍。这样，单位时间内的材料切除率可大大增加，可达到常规切削的3－6倍，甚至更高；同时机床快速空程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。降低切削力在切削速度达到一定值后，切削力可降低30％以上，尤其是径向切削力的大幅度减小，特别有利于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加工。切削温度降低在高速切削时，95％－98％以上的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件。工作平稳振动小高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床－刀具－工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳、振动小。因而能加工出非常精密、非常光洁的零件，零件经高速车、铣加工的表面质量常可达到磨削的水平，残留在工件表面上的应力也很小，故常可省去铣削后的精加工工序。以铣代磨可以加工各种难加工材料例如，航空和动力部门大量采用的镍基合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。在普通加工中一般采用很低的切削速度,如采用高速切削，则其切削速度可提高到100－1000m/min，为常规切削的10倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减小刀具磨损，提高零件加工的表面质量。降低加工成本零件的单件加工时间缩短；在同一台机床上，一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和精加工，此即高速加工用于模具制造的“一次过”技术。虽然高速机床的价格高于普通机床，但综合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。高速切削加工的自身局限性如切削加工大部分铝合金时，切削速度的提高不受刀具耐用度的限制；但是在切削一些难加工材料时（如超耐热不锈钢、钛合金、高强韧高硬度合金钢等），切削速度的提高仍会受到刀具急剧磨损的制约。3、超高速切削加工的应用汽车与摩托车航空航天模具制造轻工与电子工业光学与精密机械高速加工中心分类1）高转速加工中心（高速铣）－HSM型特征：主轴转速多为20000－40000r/min,快速移动速度、加速度要求不很高，一般不低于30m/min、0.3g即可。用途：模具工业及飞机工业（用于复杂空间曲面加工，切削时间占整个加工时间的大部分，飞机加工中甚至高达90％）。2）高移速加工中心－HVM型特征：主轴转速多为8000－15000r/min,快速移动速度多约60m/min以上，甚至80－120m/min，加速度要求高，0.6－1.0g,甚至1.5g。用途：汽车零部件（辅助时间占整个加工时间的大部分，高达70％）。3.1汽车与摩托车以高速加工为基础的敏捷柔性汽车生产线满足汽车产品更新速度很快的市场需求，柔性的高速加工生产线能够取得更大的效益。高速加工在我国汽车生产线上应用20世纪80年代以来，我国引进了多条较先进的轿车数控高速加工生产自动线。较典型的是来自于德国的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，技术上处于国际20世纪90年代中期水平。3.2航空航天提高切削效率－飞机机械零件采用薄壁、细肋结构，刚性差。整体高速加工代替组件－整体制造法难加工材料的高速切削－镍基合金和钛合金波音公司生产15ft长结构件，通常500个零部件组装，很多地方厚度只有1mm。3.3高速切削模具机械制造四大发展方向高速加工技术精密和超精密加工技术高能束加工技术制造自动化技术4、高速切削加工系统高速切削技术切削机理加工工艺切削刀具高速机床加工工件监控与测试表面完整性加工寿命切削热切削力切屑机理CAD/CAMNC编程加工参数工艺优化数据库刀具材料刀体结构刀刃形状刀柄结构动平衡温控系统换刀装置基本结构冷却系统CNC控制高速主轴装卸稳定性进给机构安全防护工件材料加工特征定位加紧5、高速机床的关键技术高速主轴部件（电主轴）高速进给驱动和传动系统能够提供高速进给控制的机床数控系统包括安装、夹紧、快速交换以及实现动平衡的高速刀具系统适用于高速切削的工件装夹装置高效冷却和排屑装置可靠的安全防护和监测装置动、静、热特性好的床身、立柱和工作台等支承部件。5.1高速切削机床重点介绍：高速主轴系统和电主轴高速机床的进给系统静、动、热特性优良的支承部分NC系统技术5.1.1高速主轴系统和电主轴传统高速主轴系统的局限性传统的带和齿轮传动主轴部件虽然具有大功率、大切削转矩特点，但不能满足主轴高速旋转的要求。最高转速只能达到10000r/min左右，最多不超过12000－15000r/min。1)电主轴的结构和系统组成“高频电机主轴单元”简称“电主轴”又称“内装式电机主轴单元”“内装式电机主轴”主要特点是将主轴电机内置于机床主轴单元内部直接驱动主轴，实现主轴、电机一体化的功能。2)电主轴的优点结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点；采用交流变频，额定转速范围内实现无级变速；利用内装电机的闭环矢量控制、伺服控制技术，不仅满足低速重切削时大扭矩、高速精加工大功率要求，还可以实现停机角向准确定位（即准停）及C轴传动的功能；易于高速化，动态精度与稳定性更好；运行平稳，精度寿命长；系列化、规模化和专业化。3)电主轴的核心技术轴承技术滚动轴承：钢制轴承、陶瓷球混合轴承，润滑方式有油脂润滑、油雾润滑和油气润滑。动、静压液（气）浮轴承：近年来，IBAG公司推出水静压电主轴。磁悬浮轴承电动机及其驱动模块交流异步感应电动机：普通变频器驱动与控制、矢量控制驱动器的驱动与控制。直流永磁同步电动机电主轴转子－轴承动力学分析与设计软件滚动轴承主轴转子动力学4)国外电主轴技术的发展趋势继续向高速化、高刚度方向发展磨削用电主轴：瑞士IBAG的HF42140000r/min,日本SEIKOSEIKI260000r/min；加工中心用电主轴：瑞士的FISCHER42000r/min，意大利CAMFIOR75000r/min向低速大转矩、高速大功率方向发展在低速大扭矩方面：意大利CAMFIOR、瑞士Step-Tec、德国的GMN电主轴低速扭矩200Nm，德国CYTEC生产数控铣床和车床电主轴630Nm；在高速大功率方面：一般10－50kW；瑞士Step-Tec公司用与航空和模具领域电主轴达65kW；更有80kW。进一步向高精度、高可靠性和长寿命方向发展电主轴内装电机性能和形式多样化向快速启、停方向发展轴承及其预紧载荷施加方式、润滑方式多样化刀具接口逐步趋于HSK刀柄技术向多功能、智能化方向发展多功能:如轴向定位精度补偿、低速扭矩放大和换刀自动动平衡技术等等。智能化：各种安全保护和故障监测诊断措施。5)我国电主轴技术的现状及与国外差距国家“九五”“十五”科技攻关计划指标转速20000rpm功率2.5－29kW转矩4－86Nm低速大扭矩方面：国外300Nm，甚至600Nm；国内在100Nm以内；高速方面：加工中心国外50000r/min，国内20000r/min；其它用途260000r/min，国内150000r/min;润滑方面：国外油气润滑；国内油脂润滑和油雾润滑；功能和性能方面：国外多功能、高性能；国内常规产品；支承技术方面：动、静压液（气）浮轴承、磁悬浮轴承已成熟商品，我国仍处于实验室阶段。相关配套技术、产品品种、数量及制造规模方面。现状与差距国内主要研究现状磁悬浮轴承电主轴动、静压液（气）轴承电主轴滚动轴承（氮化硅陶瓷轴承）电主轴5.1.2高速机床进给系统高速机床对进给系统的要求高速度：60m/min以上,特殊情况可达120m/min。高加速度：一般要求1g-2g，某些要求2g-10g。高精度高可靠性和高安全性合理的成本1）高速滚珠丝杠副传动系统1958年美国K&T公司生产世界第一台加工中心以来，“旋转电动机＋滚珠丝杠”至今仍是“一统天下”。传统的进给系统存在的许多问题。存在的问题1）刚度低、惯量大，难以获得高进给速度和高加速度（速度很难超过60m/min、加速度很难超过1.5g）。2）非线性严重，不易实现闭环控制。3）传动误差较大，影响机械加工精度。4）机械传动链结构复杂，特别是在重型机和多坐标机床中这个问题尤为突出。5）机械噪声大。6）传动效率低，一般0.6。滚珠丝杠的新发展针对上述问题国际上采用新设计、新工艺、新材料等手段，构成新一代“旋转伺服电动机＋滚珠丝杠”的高速进给系统。1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威国际机床博览会展出了世界上第一台带有直线电动机驱动工作台的HSC-240型高速加工中心。工作台最大进给速度60m/min。2）直线电动机进给驱动系统（1）高速直线电动机进给单元结构（2）直线电动机进给驱动主要优点速度高：最大80－180m/min；加速度大：2－10g；定位精度高：光栅尺作为工作台的位置测量元件，采用闭环控制，因而刚度高，定位精度高达0.1－0.01µm；行程不受限制。例如：美国Cincinnati公司为航空工业生产一台HyperMach大型高速加工中心，其性能指标为：主轴转速60000r/min，主电动机功率80kW;采用直线电机，X轴行程长达46m，工作台最高进给速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g。（3）直线电动机的种类直流永磁同步直线电动