机械制造基础论文.doc

重 庆 大 学 超高速切削及其关键技术 年 级 2011 级 学 号 20112365 姓 名 鞠梦超 专 业 机自 二零一三年十一月 大学本科毕业设计 论文 I I 摘摘 要要 介绍高速切削加工的定义 高速切削加工中机床的选择 高速切削加 工刀具材料的介绍及高速切削 加工工艺的有关知识 关键词 高速切削加工 刀具材料 加工工艺 关键技术 大学本科毕业设计 论文 II AbstractAbstract It introduces the definition of the high speed cutting high speed cutting machine tool selection the relevant knowledge of high speed cutting tool materials and high speed cutting process Keywords high speed cutting cutting tool processing technology the key tenology 大学本科毕业设计 论文 III 目 录 摘 要 ABSTRACT 第 1 章 概 述 1 1 1 超高速加工技术内涵 范围及技术地位 1 1 2 超高速加工技术产生发展及现状趋势 1 1 3 超高速加工技术的优越性 2 第 2 章 超高速切削相关技术 3 2 1 超高速切削 磨削机理 3 2 2 超高速切削关键技术 5 2 2 1 高速切削的主轴系统 4 2 2 2 高速切削的进给系统 5 2 2 3 高速切削的刀具夹持系统 5 2 3 超高速加工用刀具 6 参考文献 7 机自 2 班 20112365 鞠梦超 机械制造技术基础 1 第 1 章 概 述 1 1 超高速加工技术内涵 范围及技术地位 提高切削 磨削加工效率一直是切削 磨削领域所十分关注并为之不懈奋斗的重要目标 超高速切削和磨削加工就是近年来发展的一种集高效 优质和低耗于一身的先进制造工艺技术 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具 利用能可靠的实现高速运动的高精度 高 自动化和高柔性的制造设备 以提高切削速度来达到提高材料切削率 加工精度和加工质量的 先进加工技术 其显著标志是被加工塑型金属材料在切除过程之中的剪切滑移速度到达或者超 过某一阀值 开始趋向最佳切削条件 是的切除被加工材料所消耗能量 切削力 工件表面温 度 刀具和磨具磨损 加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标 而加工效率远远超过 传统切削下的效率 目前各国尚未统一对超高速切削速度范 围的认识 但通常把切削速度比常规速度高 出 5 10 倍以上的切削加工称为超高速切削 德国 darmstadt 工业大学的研究给出了七种材 料的超高速加工的速度范围 铝合金 2000 7500m min 铜合金 900 5000m min 铸铁 800 3000m min 钢 600 3000m min 超耐热镍基合金 80 500m min 钛合金 150 1000m min 纤维增强塑料 2000 9000m min 此外也可按工艺方法划分 分别是车削 700 7000m min 铣削 3000 6000m min 钻削 200 1100m min 磨削 150m min 以上 超高速加工目前已可覆盖大多数工程材料 可加工各种表面形状材料 可由毛坯一次加工 成成品 并实现精密甚至超精密加工 超高速磨削可实现小的磨粒切深 使陶瓷等硬脆材料不 再以脆性断裂形式产生切屑 使磨削表面质量提高 对镍基合金 钛合金等难加工材料也会在 高应变率的作用下而改善切削加工性能 从而得到高的加工质量 国外有权威杂志宣称 如果 把数控技术堪称现代加工技术第一个里程碑 那么超高速加工技术就是现代制造技术第二个里 程碑 超高速加工技术与精密超精密加工 高能束加工和自动化加工共同构成了当代四大先进 加工技术 机自 2 班 20112365 鞠梦超 机械制造技术基础 2 1 2 超高速加工技术产生发展及现状趋势 在国外 20 世纪 30 年代德国 Salomon 博士提出高速切削理念以来 经半个世纪的探索和研 究 随数控机床和刀具技术的进步 80 年代末和 90 年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航 空航天 汽车 模具制造业加工铝 镁合金 钢 铸铁及其合金 超级合金及碳纤维增强塑料 等复合材料 其中加工铸铁和铝合金最为普遍 高速切削技术在国内起步较晚 20 世纪 80 年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在 生产中应用 其后引起对高速切削加工的普遍关注 目前主要还是以高速钢 硬质合金刀具为 主 硬质合金刀具切削速度 100 200m min 高 速 钢 刀 具 在 40m min 以内 但在汽车 模 具 航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心 国内也生产了一批数控机床 随着高速切削的深入研究 这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术 并取得很好的经济效 益 超高速切削目前主要用于如下几个领域 1 大批生产领域如汽车工业 如美国福特 Ford 汽车公司与 Ingersoll 公司研制的 HVM800 卧式加工中心及镗气缸用的单轴镗缸机床以实际用于生产线 2 工件本身刚度不足的加工领域 如航空航天工业产品或其他某些产品 如 Ingersoll 公 司采用的超高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚仅为 1mm 3 加工复杂曲面系统 如模具制造 4 难加工材料领域 如 Ingersoll 公司的 高速模块 所用的切削速度为 加工航空航天 铝合金 2438m min 汽车铝合金 1829m min 铸铁 1219r min 这均比常规速度高出 几倍甚至几十倍 5 超精密微细切削加工领域 如日本的 FANUC 公司和电气通信大学合作研究了一种超 精密铣床 其主轴转速达 55000rpm 可用切削方法实现自由曲面的微细加工 据称 其生产率和相对精度均为目前光刻技术领域中的微细加工所不及 超高速切削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及高效高速化 实 用廉价化 多功能 复合化 最主要是高速高效化方向 机自 2 班 20112365 鞠梦超 机械制造技术基础 3 1 3 超高速加工技术的优越性 与常规切削加工相比 超高速切削加工在提高生产率 降低生产成本 减少热变形和切削 力以及实现高精度 高质量加工等方面具有明显优势 其优越性主要表现在下面几个方面 1 随着切削速度的大幅提高 进给速度也相应提高 5 10 倍 这样 单位时间材料切除率可 提高 3 6 倍 因为加工时间通常可缩减到原来的 1 3 同时非切削的空行程时间也大幅减少 从而 提高了加工效率和设备使用率 缩短了生产周期 2 在超高速切削速度范围内 随着切削速度的提高 切削力平均可降低 30 以上 这对于 加工刚性较差的零件来说 可减少加工变形 提高零件加工精度 同时有利于延长刀具寿命 3 由于切屑可以很高的速度被排除 带走了大量的热量 可达 90 因此传给工件热量大 幅减少 有利于工件的热变形和内应力 有利于加工精度 4 高速切削不仅可以极大的减小切削力 削减激震源 而且由于高转速时的切削系统的工作 频率远远偏离了机床的低阶固有频率 使得加工过程平稳 有利于提升加工表面质量 5 高速切削可加工硬度高达 HRC45 HRC65 的淬硬钢铁件 因此对淬硬后的模具等复杂零 件 可直接铣成 省区后续的传统加工 这就是所谓的 一次过 技术 第 2 章 超高速切削相关技术 2 1 超高速切削 磨削机理 超高速切削和磨削机理研究主要指对超高速加工条件下切削磨削过程以及产生的各种切削 磨削现象的理论研究 其实超高速加工技术中的最基本的技术支持 其设计的关键技术有 超 高速切削磨削的加工过程研究 超高速切削加工现象及切削工艺参数优化的研究 各种材料的 超高速切削机理的研究 超高速磨削技术中各种磨削现象及各种材料磨削的机理研究 超高速 切削磨削的虚拟实际的磨削技术的开发研究 以及超高速磨削加工智能数据库的开发等 超高速加工技术的理论研究可追溯到 20 世纪 30 年代 即 1931 年 4 月德国切削物理学家萨 洛蒙发表的著名超高速切削理论 即 萨洛蒙曲线 超高速切削概念可用下图示意 萨洛蒙指 出 在常规的切削速度范围内 A 区 切削温度随切削速度增大而提高 但是当切削速度增大 到某一数值时 v 之后 切削速度增加 切削速度反而降低 v 之值与工件材料种类有关 对 每种工件材料 存在一个速度范围 在这个速度范围以内 B 区 由于切削温度太高 任何刀 具无法承受 切削加工不可能进行 这个范围被称之为 死谷 由于受当时实验条件限制 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 如果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 有刀具进行超高速切削 从而大幅度减少切 削工时 成功提升机床生产率 然而后继很多研究者对死谷产生了怀疑 现在大多数学者认为 在该苏切削铸铁 钢 以及难加工材料时 即使在很高的切削速度 范围内也不存在死谷 刀具耐用值总是随切 削速度增加而降低的 而在硬质合金刀具高 机自 2 班 20112365 鞠梦超 机械制造技术基础 4 速铣削时 尽管切削速度 v 的提高 切削温度随之升高 刀具磨损逐渐加剧 刀具耐用度 T 继 续下降 且 T v 规律仍遵循 Taylor 方程 但在较高切削速度段 Taylor 方程中 m 值大于较低速 度段的 m 值 这意味着较高速度段的刀具耐用度 T 随 v 提高而下降的速率减缓 这一结论对超 高速切削技术的实际运用十分有意义 超高速切削切屑的形成实验研究表明 依照被加工材料的类型和工艺条件 对切削力和切 屑变形的影响是不同的 存在着连续切屑和断续切屑两种类型 在超高速切削高导热性 低硬 度合金金属时易形成连续切屑 而在超高速切削低导热性 密排六方多晶体结构 高硬度材料 时易产生断续切屑 美国于 20 世纪 70 年代前后用爆炸射击法实现的 1200m s 的超高音速切削 实验表明 在超高速切削条件下的切屑形成过程和普通的切削不同 随着 v 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 而后急剧下降塑性 变形区变浅 残余应力及硬度变化减小 一系列实验表明 在通过切削素的来降低机加工时间同时还具有一系列优点如 单位时间 材料切除率大大提高 切削力可降低 30 左右 基于此可利用超高速切削加工薄壁零件 超高速 切削加工特别适合那些对于温度特别敏感的零件加工 由于机床架构改善和超高速切削激振频 率提高 刀具耐用度提高 70 左右 加工成本降低 但是超高速切削加工加工一些难加工材料 切削速度提高会受到刀具极具磨损的限制 2 2 超高速切削关键技术 随着这几年超高速加工技术的迅速发展 各项关键技术包括高速主轴系统技术 快速进给 系统技术 高性能 CNC 控制系统技术 先进机床结构技术 高速刀具技术等也不断跃上新台阶 2 2 1 高速切削的主轴系统 在超高速的运转条件下 传统的齿轮变速和皮带轮传送已经不能适应要求 代之以宽调速 交流变频电机来实现数控机床的变速 从而使机床主传动的机械结构大为简化形成一种新型的 功能 部件 主轴单元 在超高速数控机床当中 几乎无一例外的采用这种结构形式 机采用无 壳电机 将其空心转子直接套装在机床主轴上 带有冷却套的定子装在主轴单元壳体内 形成 内装式电机主轴 简称电主轴 如图所示微点主轴的典型结构 这样 电机的转子就是机床的 主轴 机床主轴单元的壳体就是电机壳 从而实现了变频电机和主轴的一体化 由于取消了从 电机到机床主轴之间的一切传动环节 把主动链的长度缩为零 我们也可称这种传动方式为 零传动 机自 2 班 20112365 鞠梦超 机械制造技术基础 5 主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件 高速主轴的单元设计 是实现超高速切削 的最关键技术之一 从目前的现状来看 现代的电主轴是一种智能型的功能部件 可以进行系 列化 专业化生产 主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便的配置到多种加工设备上 而且越来越多的采用了电主轴结构 大功率的超高速主轴单元的基本方案是采用集成内装电主 轴 电主轴考虑功能和经济的要求 采用陶瓷混合球轴承或静压轴承是较好的方案 超高速悬 浮轴承已得到个制造商和研究机构的重视 正在开展研究 小功率的超高速点主轴单元可以采 用高精度的滚动轴承 液体动静压轴承或者气体静压轴承 2 2 2 超高速切削机床的进给系统 超高速切削进给系统是超高速加工机床的重要组成部分 是评价超高速机床性能的重要指 标之一 不仅对提高生产率有重要意义 而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件 超高速切削在提高主轴速度的同时也必须提高进给速度 并且要求进给运动能够达到瞬时达到 高速和停止 否则 不但无法发挥超高速切削的优势 还会使刀具处在恶劣工作条件下 影响 加工工件误差 在复杂曲面的超高速切削之中 当进给速度增加一倍时 加速度需要增加四倍 才能保证轮廓的加工精度要求 这就要求超高速加工机床不能能达到很高的进给速度 还需要 进给系统有极大的加速度还有精度 传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杆的进给方案 由于工作台的惯性以及受螺母丝杆本身 限制 进给速度和加速度比较小 目前 快速进给速度很难超过 60m min 工作进给速度通常 小于 40m min 加速度很难突破 1g 直线电机驱动系统如图所示 目前 国内外机床专家和许多机床厂普遍认为直线电机直接 驱动是新一代机床基本传动形式 直线电机直接驱动的优点是 控制特性好 增益大 滞动小 在高速运动中保持较高位移精度 高运动精度 因为是直接驱动 最大进给速度可以达到 100 180m min 高价速度 由于结构简单 质量轻 可实现最大加速度 2g 10g 定位精度 和跟踪精度高 工作台定位精度可以达到 0 1 0 01 m 启动推力大 12000N 无传动环 节 无往返空隙 运动平稳 有较大静动刚度 缺点是 电磁铁热效应对机床结构有较大热 影响 需要冷去系统 存在电磁场干扰 有较大功率损失 缺少力转换环节 由于磁 力作用 专配困难 系统价格高 机自 2 班 20112365 鞠梦超 机械制造技术基础 6 2 2 3 超高速加工机床的刀具夹持系统 目前普遍应用的是 7 25 锥度的刀柄系统 ISO DIN BT 刀柄系统均属此类 随着超高速 切削的发展 此类刀柄暴露出不足 刚性不足 刀柄法兰面与主轴端面之间存在间隙 自 动换刀的重复精度不确定 每次自动换刀后刀具的轴向尺寸都可能发生变化 当主轴高速转 动时 主轴前端孔径在离心力作用下会增大 易导致主轴和刀柄锥面脱离 使刀具轴向尺寸发 生变化 刀具径向跳动急剧增大 刀柄的锥部较长 不利于快速换刀及机床小型化 为解决上述问题 一些机构和刀具企业开发了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定 位的新型连接方式 两面定位刀柄系统 其中最具代表性的是日本 BIG PLUS 刀柄系统和德国的 HSK 刀柄系统 此外 美国 MK 系列刀柄 瑞典也有类似的产品 目前 两面定位刀柄系统安 装是重复定位精度高 轴向重复定位精度可达 1 m 在高速转动产生的离心力作用下 刀柄会 牢固锁紧 其径向跳动不超过 5 m 在较大转速范围内可保持高的静态和动态刚度 2 3 超高速加工用刀具 超高速加工用刀具主要指超高速铣削用刀具 超高速加工用刀具单元技术所涉及的关键技术有 超高速加工用刀具材料及制备技术 超 高速加工用刀具结构及刀具结构及刀具几何参数的研究 众所周知 在影响金属切削的众多因素中 刀具材料以及刀具制造技术起着决定性作用 并推动超高速加工实用化 超硬刀具是超高速加工技术最主要的刀具材料 主要有聚晶金刚石 和聚晶立方氮化硼 目前 超高速加工用刀具切削刃一般选用 超细晶粒硬质合金 聚晶金刚 石 立方氮化硼 氮化硅陶瓷材料 混合陶瓷和碳化钛基硬质合金以及采用气相沉淀法的超硬 材料涂层刀具 硬度 GPa 抗弯强度 MPa 抗弯强度 MPa 弹性 模量 GPa 导热系数