高速加工技术讲座-2VIP

工程技术讲座,高速加工技术HighSpeedMachiningTechnology,封面,1,哈尔滨工业大学(威海)贾宝贤,2.高速切削刀具？,2,高硬度，高强度，高耐磨性。高韧度，高抗冲击性。高热硬性，高化学稳定性。高抗热冲击性。,对高速切削刀具的要求：,3,高速切削常用刀具种类：,4,5,(1)高速加工刀具材料,6,刀具材料性能与用途对比,7,刀具材料的耐磨性与断裂韧性,陶瓷,立方氮化硼,金刚石,超硬材料,三种刀具,8,9,金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以10928键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。,原子结构,优点：刃锋利，能切下极薄切屑，冷硬现象少，摩擦系数低，无积屑瘤。,缺点：热稳定性差，强度低，脆性大，对振动敏感，只适用于微量切削。,1)金刚石刀具,10,天然金刚石价格昂贵，使用较少。人造金刚石是通过合金触媒作用，在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的金刚石。,天然单晶金刚石刀具,整体人造聚晶金刚石刀具,金刚石复合刀片,金刚石刀具有三种：,11,12,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，相对密度为3.48-3.56。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0.01m。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，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,天然金刚石,13,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000。聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,聚晶金刚石,14,聚晶金刚石应用实例,聚晶金刚石应用实例,金刚石与铁有极强的化学亲和力，故不适用于黑色金属加工。,金刚石刀具仅适用于微量切削条件。,金刚石热稳定性低，切削温度超过700至800摄氏度时，会完全失去其硬度。,使用金刚石刀具时应注意：,15,特点：热稳定性好，化学惰性大，摩擦系数低。,应用：淬硬钢、高温合金、冷硬铸铁。,成分：锡、铅、锑以及他们的氮化物。,2)氮化硼刀具(CBN),16,立方氮化硼复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层约0.5mm厚的立方氮化硼。,整体聚晶立方氮化硼刀具,立方氮化硼复合刀片,立方氮化硼刀具有两种：,17,18,聚晶立方氮化硼（PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride）,较高硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。,PCBN切削性能,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图13）,聚晶立方氮化硼,19,良好的化学稳定性：1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料良好的导热性：CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数：CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,PCBN切削性能,20,加工HRC45以上的硬质材料：如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。,PCBN刀具应用,金属软化效应切削淬硬钢，当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图15），金属软化，硬度下降，加工易于进行。,PCBN刀具应用,21,PCBN刀具应用实例,PCBN刀具应用实例,优点：化学性好，耐氧化，不易粘结，加工表面粗糙度小。,缺点：强度低、韧性差。,3)陶瓷刀具,22,前者最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧度差。80年代进入刀具市场的氮化硅陶瓷相比具有高的强度和韧性，在加工铸铁及镍基合金时取得良好效果，其代表牌号是Sialon。,AlO基陶瓷,氮化硅陶瓷,陶瓷刀具有两种：,23,涂层刀具,24,CVD指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。PVD指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。,化学气象沉积法（CVD）-硬质合金,物理气象沉积法（PVD）-高速钢,涂层刀具有两种：,25,TiC硬度高，抗磨损性好。,TiN与金属亲和力小，湿润性好。,AlO高温下热稳定性良好。,常用涂层材料：,26,各种刀具适应的工件材料,27,28,典型高速回转刀具可分为整体式和机夹式两类，小直径铣刀一般采用整体制造，大直径刀具常用机夹式。高转速的切削对刀具直径公差和刀具动平衡要求很高，整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时直接装夹即可；而机夹式更换刀片或者刀片换位后需要进行动平衡才能继续使用，所以高速切削更常用整体式刀具。高速回转刀具结构设计应力求简单，确保安全，刀齿尽量采用短切削刃、经过优化设计的几何角度，并有良好的断屑能力。,(2)高速回转刀具结构,29,整体式铣刀,机夹式铣刀,铣刀图片,30,(3)高速加工刀具刀柄,传统的锥形夹头具有灵活性好等优点，适用于不同的刀具直径。但它可传递的转矩有限，而且装夹精度很低。,31,传统镗铣加工通常使用7:24锥柄接口。这种接口主轴端面与刀具存在间隙，在主轴高速旋转和切削力的作用下，主轴的大端孔径膨胀，造成刀具定位精度和连接刚度下降。同时锥柄的轴向尺寸和重量都较大，不利于快速换刀和机床的小型化。目前高速加工多采用HSK（德国阿亨大学机床研究所开发）接口标准。HSK是专门为高转速机床开发的新型刀机接口，并形成了用于自动换刀和手动换刀、中心冷却和端面冷却、普通型和紧凑型等6种形式。HSK是一种小锥度（1:10）的空心短锥柄，使用时端面和锥面同时接触（过定位），从而形成高的接触刚性。,(3)高速加工刀具刀柄,32,刀柄结构图,33,几种常用HSK刀柄图,锥形夹头,收缩夹头,液压膨胀夹头,力膨胀夹头,刀具与刀柄的连接：,34,利用材料热膨胀收缩的原理，把刀具装入刀柄时先用辅助系统将刀柄孔加热膨胀，插入刀具后使之冷却。,优点：精度高、刚性大。缺点：操作不便，易引起刀柄热疲劳变形。,收缩夹头,35,使用流程,再加热,冷却固定,常温,加热,装卡,插入刀具,卡座的先端部分加热。,刀具柄比卡座内径大,因热膨胀系数不同，将刀具取出。,冷却，卡座的内径收缩。,适用于不同柄粗的立铣刀（332）规格化（BT、SK、HSK、UTS）,重型,细长型,收缩夹头,在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后用螺栓推动油腔顶部的的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。,优点：精度高，刚性大，操作方便。缺点：对刀具尺寸要求严，过松时可能达不到应有的夹持力。,液压膨胀夹头,38,力膨胀夹头，刀柄的孔呈三棱形，在装夹刀具时，先用辅助装置在三棱孔的三个顶点施加预先调整好的力，使刀柄孔变成圆，然后把刀具插入刀柄，再除去变形外力，刀柄孔弹性恢复，刀具就被加持在孔内。,优点：精度高，操作简单，结构紧凑，造价低。缺点：需要一个辅助的加力装置。,力膨胀夹头,39,HSK和BT刀柄的结构特点,41,图17HSK刀柄与BT刀柄加工效果的比较,加工效果的比较图,42,转角处理刀具轨迹间的圆滑连接顺直切削路径轨迹排布优化尖角处提前减速,平缓切入切出，路径间的平滑连接确保切削负载、金属去除率恒定，精加工余量均匀减少刀具换向、跳转安全性（无过载、无干涉）,三）高速加工路径规划,Z平面切削（等高线）,螺旋进给提高表面光洁度,螺旋进给加工孔,小直径铣刀螺旋进给加工槽,螺旋进给加工平面,内圆角均匀过渡,高速进给路径,43,44,转角处理,由于机床数控系统响应特性、机床硬件动态特性及传动系统间隙等诸多因素影响，刀具高速运动到转角处可能发生前冲和振颤，越过工件实际轮廓，导致轨迹畸变。,转角处理,45,对策：,工件外轮廓转角处刀具运动路径采用圆滑过渡（图23）,修改产品模型，直线转角轮廓改为圆角过渡采用小直径铣刀（图24）,对策：,46,图25轨迹顺直微调（赛车线加工）与回转（摆线）加工,轨迹顺直微调与回转加工（避免尖角处载荷突变）,轨迹顺直微调,47,刀具轨迹圆滑连接,直线移刀改为圆弧曲线移刀,采用回转环切路径,刀具轨迹圆滑连接,48,在不同的Z向高度上连接移刀,图28在不同的Z向高度上连接移刀,在不同的Z向高度上连接移刀,49,刀具轨迹合理排布,刀具轨迹合理排布,50,平行行切,Z向等高,组合优化,图30铝合金凸形旋钮路径规划,铝合金凸形旋钮路径,51,切入与切出,点钻式切入（类似于钻孔的固定循环）斜线及之字形切入水平轮廓切向切入切出曲面切向切入切出（图31）,图31曲面切向的切入与切出,图32刀具螺旋切入工件,螺旋式切入（图32）,切入与切出,52,转角处提前减速,图33CATIA加工转角减速参数设定界面,转角处提前减速,一、高速切削技术的概念与特征,二、高速切削技术的特点及应用,三、高速切削的关键技术,四、高速切削机理,五、高速切削技术的现状以及发展趋势,概要,概要目录,53,高速切削机理,高速切削机理,切削力；切削热。,54,1.切削力,在高速切削时随切削速度增加，切削温度升高，摩擦系数减小，剪切角增大，切削力反而降低；,高速切削力下降的解释：,1）剪切断裂：发生在加工过程中不稳定的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化。,延展材料随着塑性变形而发生应变硬化,55,不稳定性的解释,2）不稳定性的解释：当变形缓慢时，上述过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加。这是传统速度切削时切削力的情况。然而如果切削速度足够快，使应变来不及发生，变形就只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度的切削力。此即高速切削时切削力下降的原因。,56,突变滑移和绝热剪切,3）突变滑移和绝热剪切：在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散。这个不稳定过程导致突变条件产生，称为突变滑移。随着切削温度的提高，达到绝热条件后，使热能量限制在特定的滑移区。因为特定滑移区的软化，发生附加滑移，最终得到完全剪切。,57,高速切削力下降原因,4）高速切削力下降原因：,5）其他原因：,切削速度高，切屑流出的速度加快，改善了切屑与刀具前面之间的摩擦，切屑流出阻力减小，剪切区变形减小，从而使切削力减小。,高速切削比普通切削快得多，发生突变滑移和绝热剪切，使切削区的应变硬化来不及发生，因而高速切削力下降。,58,2.切削热,高速切削功的消耗：,1）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需能量2）剪切区的剪切变形功3）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功4）切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功,59,切屑成形模型,切削热的产生,切削角的变化和减少切削热,切削模型,60,产生的热：,形成新生表面消耗的功：成为工件和切屑所增加的内能剪切变形功和动量改变消耗的功：大部分变为基本变形区的热量，小部分形成新生表面的内能前后刀面的摩擦功产生的热：变为第二、三变形区的热量,1）高速切削时，切屑变形所消耗的能量绝大部分转变成热,切削热,2）基本剪切区的高温有助于加速塑性变形和切屑的形成。,有一种假设认为，基本剪切区的高温刀具前刀面和切屑接触面上产生一层极薄的液体加快了塑性流动的速度高速下切除材料所需的切削力反而小一些。,切削热分布估算,切削热耗散渠道,3）切削热分布和耗散渠道：,切削热,高速切削范围内尽可能提高切削速度是有利的。,已有研究表明，切削速度越高，被切屑带走的热量越多，传入刀具和工件的热量越少。,4）切削速度越高，传入刀具和工件的能量越少,这也正是为什么高速切削工件热变形小的原因。,高速切削的刀具刀具磨损,损坏形式：磨损和破损损坏原因：磨料磨损、粘结磨损、化学磨损（氧化、扩散和溶解等）、脆性破损和塑性变形等低切削速度：以磨料磨损为主，随切削速度提高，切削温度增加，粘结磨损和化学磨损越来越突出高切削速度：后刀面磨损、前刀面磨损、边界磨损和微崩刃等磨损形态以及崩刃、碎断和塑性变形等破损形态,一、高速切削技术的概念与特征,二、高速切削技术的特点及应用,三、高速切削的关键技术,四、高速切削机理,五、高速切削技术的现状以及发展趋势,概要,概要目录,65,20世纪90年代后，我国先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略、涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术等。,高速切削加工在国内的研究与应用,北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命与切削力沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金高速钻削和铣削数据库等。,广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统东北大学研究了高速磨削技术成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化等尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。,我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能力但金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、品种与国外差距很大。高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。,几乎所有国际知名的工具厂商都在国内设立了或独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)和涂层刀具以及刀柄系统80以上由它们提供。目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材料(包括涂层材料、涂层技术)、刀具制造工艺技术、刀具安全技术等还处于初步阶段，要努力建立我国自己的“高效率、高精度、高可靠性与专用化”刀具研究开发和产业体系。,我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期水平的一汽大众捷