先进制造技术_第七次教案

教教 案案 授课时间月 日 至 月 日课时数 授课方式理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课 其他 授课单元第三章 先进制造工艺技术 第三节 高速加工技术 目的 与 要求 1 掌握高速加工技术的概念 切削理论 2 掌握高速切削加工的优点和应用领域 3 了解高速切削加工所涉及的关键技术 重点 与 难点 重点 1 高速加工技术的概念 高速加工的切削理论 2 高速切削加工的优点和应用领域 难点 高速切削加工所涉及的关键技术 主 要 内 容 第三节 高速加工技术 高速加工技术的概念 高速加工的切削速度范围 高速加工的切削理论 高速切削加工的优点和应用领域 高速切削加工所涉及的关键技术 教学方法 手段 教 具 讲授 多媒体和板书相结合 运用启发式 讲解式 讨论式 提问式教 学方法 参考资料 1 盛晓敏著 先进制造技术 北京 机械工业出版社 2000 2 孙大涌著 先进制造技术 北京 机械工业出版社 1999 3 张根保著 先进制造技术 重庆 重庆大学出版社 1996 4 中国机械工程 机械工程学报 制造技术与机床 等科技核心期刊 思考题 作业 第三节第三节第三节 高速加工技术高速加工技术高速加工技术 一 高速加工的概念与特征一 高速加工的概念与特征 普通加工超过 70 是辅助时间 零件的上下料 测量 换刀和调整机床 几十年 主要是减少加工 过程的辅助时间 20 世纪 50 年代美国麻省理工学院发明了数控技术 实现了多品种 小批量生产的柔性自动化 成 功解决了形状复杂 重复加工精度高的零件的加工 节省了辅助工时 提高了生产效率 机床空行程动作 自动换刀 上下料 大大加快 辅助工时也大为缩短 自动换刀时间缩短小于 1s 空行程速度提高到 30 60m min 但再减少辅助工时 技术上有难度 经济上不合算 可以减少切 削的工时 提高切削速度和进给速度 高速加工可以成倍提高机床的生产效率 还可以改善加工质量和精度 高速加工技术 是指采用超硬材料的刀具和磨具 能可靠地实现高速运动的自动化制造设备 极大 地提高材料的切除率 并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术 以切削速度和进给速度界定 高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的 5 10 倍 以主轴转速界定 高速加工的主轴转速 10000 r min 刀具 PCD CBN 超细晶粒硬质合金 Si3N4 陶瓷 TiN 基硬质合金 涂层刀具 高速切削和普通切削的比较高速切削和普通切削的比较 比较因素比较因素普通切削普通切削高速切削高速切削 转速 r min 小于 1000010000 切削力大小 运动传递方式传动链电主轴 刀具材料普通超硬 加工表面质量一般好 机床配置普通机床 国产 高速机床 进口 机床价格低高 环境状况噪声 油污 烟尘清洁生产 1 高速加工切削速度的范围高速加工切削速度的范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 铝合金 1000 7000 m min 铜 900 5000 m min 钢 500 2000 m min 灰铸铁 800 3000 m min 钛 100 1000m min 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 车削 700 7000 m min 铣削 300 6000 m min 钻削 200 1100 m min 磨削 50 300 m s 2 切削理论的提出切削理论的提出 泰勒 Frederick W Taylor 是最早研究金属切削机理的学者之一 提出了传统的切削速度和刀具寿 命的关系为线性 即刀具的速度越高 刀具的磨损越快 但在实际生产中出现了违反这一规律的现象 由德国 Carl Salmon 博士 在 1931 年 4 月 根据实验曲线 提出著名的 萨洛蒙曲线 和高速切削理 论 Carl Salmon 萨洛蒙对铝和铸铜等有色金属进行了高速实验 所得结果图中的实线所示 虚线是推算 出来的 并没有经过实验验证 讲讲 稿稿 萨洛蒙指出 A 区 常规切削区 切削速度 t 随切削温度 v 的提高而升高 但是在 B 区 不可 用切削区 当速度 v 增大到某一数值 v0 后 v 0 的大小同工件材料的种类有关 v 再增大 t 反而下降了 由于在这个区域 t 太高 任何刀具材料都无法接受 切削加工不可能进行 因此 这个区域被称 之为 死谷 C 区 高速切削区 1952 年美国 R L Vaughn 教授首次主持了高速加工试验 将刀具装 在炮里从滑台射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具 结果是随着切削速度的提高 塑性材料的切削形态将从带 状 片状向碎屑不断演变 单位切削力初期呈上升趋势 尔后急剧 下降 刀具磨损减少了 95 切除率可提高 50 1000 倍 1970 年美国空军和海军先后也进行了一系列的高速铣削试验 指出 可以大大缩短零件的加工过程 提高生产率 铣削力减少了 70 可以实现厚度为 0 33mm 薄筒 件的铣削 3 高速加工的特点高速加工的特点 加工效率高 加工效率高 进给率较常规切削提高 5 10 倍 材料去除率可提高 3 6 倍 切削力小 切削力小 较常规切削至少降低 30 径向力降低更明显 有利于减小工件受力变形 适于加 工薄壁件和细长件 切削热小 切削热小 加工过程迅速 95 以上切削热被切屑带走 工件积聚热量极少 温升低 适合于 加工熔点低 易氧化和易于产生热变形的零件 加工精度高 加工精度高 刀具激振频率远离工艺系统固有频率 不易产生振动 又切削力小 热变形小 残余应力小 易于保证加工精度和表面质量 减少工序 减少工序 可获得高的加工精度和低的表面粗糙度 并在一定条件下 可对硬表面进行加工 从而可使工序集中在一道工序中完成 这对于模具加工具有特别意义 二 高速加工技术的发展与应用二 高速加工技术的发展与应用 1976 年 美国的 Vought 公司的高速铣床 采用了内装式电机主轴 转速达 20000r min 功率 15KW 1983 年德国 Guerhing Automation 公司格林自动化公司 高速磨床 转速 10000r min 功率 60KW 高速电主轴组件 多线滚珠丝杠或直线电动机 高压冷却系统 安全保障系统 美国 Ingersoll 公司是高速机床应用直线电动机的先锋 该机床用于加工汽车模具的高速龙门铣床 三个坐标都采用直线电动机驱动 主轴最高转速 20000r min 快速移动 40m min 加工模具时 与传统 工艺比较 加工时间从 350h 缩短到 40h 已用在日本丰田公司模具加工 五轴加工中心的工作台和铣头可以多轴联动实现连续回转进给 进行曲面加工 复杂形腔曲面的模 具类零件 一般有两种典型结构 一种是两个旋转轴安装在工作台上 由工作台带动工件回转进给 完成多轴或多面加工 另一种是两个旋转轴的转动进给都由主轴系统实现 即主轴具有 B 轴和 A 轴的回转摆动 实现旋 转切削进给 工作台和工件固定不动 1 航空航天领域 航空航天领域 大型整体结构件 薄壁类零件和叶轮零件等 飞机大梁 肋板 雷达组件 钛和钛合金零件 铝或镁合金压铸件 材料去除率达 100 180cm3 min 现代飞机构件都采用整体加工技术 高速切削 加工出高精度的铝合金的构件 不用铆接的工艺 如波音公司的 F15 战斗机的起动减速板 由 500 个零件装配而成 约为 3 个月 高速加工 整体 铣削 仅需几天 高速切削可加工薄壁件达 0 04mm 孔直径 0 08mm 高速五轴加工叶轮 提高效率 以直径 120mm 铝叶轮 用普通加工需 35 分钟 高速加工只需 10 分钟 2 汽车工业领域 汽车工业领域 大批生产领域中铸铁和刚的高速切削 采用高速数控机床和高速加工中心组成高 速柔性生产线 实现多品种 中小批量的高效生产 3 模具工具工业领域 模具工具工业领域 简化加工手段 缩短加工周期 提高加工效率 降低成本 可以直接在淬 硬材料加工 可以达到高表面质量 省去了电加工 研磨和抛光的工序 锻模和铸模经高速切削即可 高速铣削代替传统的电火花成形加工 效率提高 3 5 倍 对于复杂型面模具 模具精加工费用往往占到模具总费用的 50 以上 采用高速加工可使模具精加工费 用大大减少 从而可降低模具生产成本 高速切削加工电火花加工用工具电极 比普通加工快 12 倍 而且不需要手工修整 如图中的铜电极 粗铣 主轴转速 35000r min 进给速度 6m min 精铣 40000m min 进给速度 8m min 整体加工时间为 29min 提高了工具电极的加工速度 4 难加工材料领域 难加工材料领域 硬金属材料 HRC55 62 可代替磨削 精度可达 IT5 IT6 级 粗糙度可达 0 2 1 微米 5 超精密微细切削加工领域 超精密微细切削加工领域 电路板上有许多 0 5mm 左右的小孔 用高速加工 三 高速切削加工的关键技术三 高速切削加工的关键技术 高速主轴 快速进给系统 高性能 CNC 控制系统 先进的机床结构 高速加工刀具等 1 高速主轴 最关键部件 高速化指标 dm n 值 至少达到 1 106 目前 转速范围为 10000 25000r min 进 给速度达到 10m min 以上 电主轴 交流伺服电动机内置式集成化结构 转子套装在机床的主轴上 定子安装在主轴单元的壳 体中 采用水冷或油冷 精度高 振动小 噪声低 结构紧凑的特点 2009 3 9129 b b 高高速速模模具具加加工工的的过过程程 高高速速模模具具加加工工的的过过程程 图图图图 两两种种模模具具加加工工过过程程比比较较两两种种模模具具加加工工过过程程比比较较 1 1硬硬化化毛毛坯坯硬硬化化毛毛坯坯 2 2粗粗铣铣粗粗铣铣 3 3半半精精铣铣半半精精铣铣 4 4精精铣铣精精铣铣 5 5手手工工磨磨修修手手工工磨磨修修 a a 传传统统模模具具加加工工的的过过程程传传统统模模具具加加工工的的过过程程 1 1毛毛坯坯毛毛坯坯 2 2粗粗铣铣粗粗铣铣 3 3半半精精铣铣半半精精铣铣 4 4热热处处理理热热处处理理 5 5电电火火花花加加工工电电火火花花加加工工 6 6精精铣铣精精铣铣 7 7手手工工磨磨修修手手工工磨磨修修 电电极极制制造造电电极极制制造造 对对于于复复杂杂型型面面对对于于复复杂杂型型面面模模具具 模模具具模模具具 模模具具精精加加工工费费用用精精加加工工费费用用往往往往占占到到模模具具总总费费用用往往往往占占到到模模具具总总费费用用 的的的的50 50 以以上上 采采用用高高速速加加工工可可使使模模具具精精加加工工费费用用大大大大减减少少 从从以以上上 采采用用高高速速加加工工可可使使模模具具精精加加工工费费用用大大大大减减少少 从从 而而可可降降低低模模具具生生产产成成本本 而而可可降降低低模模具具生生产产成成本本 2009 3 9135 陶陶瓷瓷轴轴承承超超高高速速主主轴轴 陶陶瓷瓷球球轴轴 承承 密密封封 圈圈 旋旋转转变变压压 器器 电电主主轴轴 陶陶瓷瓷球球轴轴 承承 冷冷却却水水出出 口口 冷冷却却水水入入 口口 陶陶瓷瓷轴轴承承高高速速主主轴轴结结构构 2009 3 9138 前前辅辅助助轴轴承承 电电主主轴轴 双双面面轴轴向向 推推力力轴轴承承 前前径径向向轴轴承承后后径径向向轴轴承承 后后辅辅助助轴轴承承 前前径径向向传传感感器器后后径径向向传传感感器器轴轴向向传传感感器器 磁磁浮浮轴轴承承超超高高速速主主轴轴 磁磁浮浮轴轴承承主主轴轴结结构构 采用的轴承有 滚动轴承 气体静压轴承 液体静压轴承 磁浮轴承 陶瓷轴承高速主轴结构特征 采用电动主轴 电机与主轴作成一体 采用 C 或 B 级精度角接触球轴承 轴承布置与传统磨床主轴结构相类似 采用 小珠密球 结构 滚珠材料 Si3N4 与钢球相比 陶瓷轴承的优点是 陶瓷球密度减小 60 从而可大大降低离心力 陶瓷弹性模量比钢高 50 使轴承具有更高刚度 陶瓷摩擦系数低 可减小轴承发热 磨损和功率损失 陶瓷耐磨性好 轴承寿命长 轴承转速特征值 轴径 mm 转速 r min 较普通钢轴承提高 1 2 2 倍 可达 0 5 1 106 液体静压轴承转速特征值可达 1 106 空气静压轴承转速特征值可达 3 106 磁浮轴承高速主轴 主轴由两个径向磁浮轴承支承 磁浮轴承定子与转子间空隙约 0 1mm 刚度高 约为滚珠轴承主轴刚度 10 倍 转速特征值可达 4 106 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度 以及控制电路性能 目前可达 0 2 m 机械结构及电路系统均较复杂 又由于发热多 对冷却系统性能要求较高 2 快速进给系统快速进给系统 机床工作台要有很高进给速度为 60m min 以上 特殊情况可达 120m min 甚至更高 高加速度 一般要求 1 2g 特殊可达到 2 10g 高精度 高可靠性和高安全性 合理的成本 伺副电动机 大导程高速精密滚珠丝杠副 用于中小载荷 中小速度 10 40m min 和和中小加速度 0 5 1 0g 的场合 直流直线电机 交流永磁同步直线电动机 交流感应异步直线电动机的进给系统 直线电机 进给 速度可达 160m min 加速度可达 2 5 10g 消除了机械传动间隙和弹性变形 几乎没有反向间隙 是未 来机床进给传动的基本形式 用于高档高速加工中心 可以消除机械传动系统的间隙和弹性变形 3 高性能的高性能的 CNC 控制系统控制系统 要有很高的运算速度和精度 以及快速响应的伺服控制 32 位或 64 位 CPU 计算机处理软件 几 何补偿软件 4 先进的机床机构先进的机床机构 床身和工作台的要求 高的动 静刚度和抗振性 好的精度保持性 更好的抗热变形能力 采取的措施 床身 立柱 横梁 工作台等基础件一般采用整体铸造 多应用高强度铸铁 聚合物 混凝土 大理石等材料 安全保障系统 在线监控系统 来监测刀具的破损 用足够厚钢板做安全罩 用防弹玻璃做观察窗 5 高速加工刀具高速加工刀具 对刀具系统要求 切削热更多流向刀具 要求抗磨损 必须良好的平衡 可靠定位 刀具材料 硬质合金涂层刀具 陶瓷刀具 聚晶金刚石刀具 立方氮花硼刀具 天然金刚石 天然金刚石是目前已知的最硬物质 根据其质量不同 硬度范围为 HV8000 12000 天然金刚石是一种各向异性的单晶体 在晶体上取向不同 硬度及耐磨性也不相同 天然金刚石耐磨性极好 刀具寿命可长达数百小时 刃口锋利 切削刃钝圆半径可达 0 01 m 天然金刚石耐热性为 700 800 高于此温度 碳原子转化为石墨结构 硬度丧失 天然金刚石价格昂贵 刃磨困难 主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件 如激光反