浅谈高速加工主轴单元制造技术

制造工艺及刀具,高速高效加工,1,一、高速加工的概念与特征二、高速切削技术的特点及应用三、高速切削的关键技术高速主轴单元制造技术高速进给单元制造技术高速加工刀具技术,2,内容提要,一、高速加工的概念与特征,高速加工技术：高速加工包括高速切削和高速磨削。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，极大地提高材料的去除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。高速切削（High-speedCutting）：采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。,3,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510倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速800010000r/min。高速加工切削速度范围随加工方法不同有所不同车削(Turing)：700-7000m/min铣削(Milling)：300-6000m/min钻削(Drilling)：200-1100m/min磨削(Grinding)：50-300m/s镗削（Boring）：35-75m/min,4,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异铝合金(AluminumAlloy)：1000-7000m/min铜(Cu)：900-5000m/min钢(Steel)：500-2000m/min灰铸铁(Graycastiron)：800-3000m/min钛(Ti)：100-1000m/min,5,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异（图）,6,高速加工的产生和发展,20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（HighSpeedMachining）概念并获得专利，简称HSM。,7,1931年C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”,8,结论：被加工材料都有一个临界切削速度，在临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5-6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损亦减小。,9,Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念1960年前后美国空军和Lockheed飞机公司研究了用于轻合金材料的超高速铣削（切削速度达15004500m/min）德国，全面而系统研究超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关工艺技术，并广泛应用，获得好的经济效益日本在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已成为世界上超高速机床的主要提供者,10,HSM意义：,HSM不是简单意义上的高切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。,11,二、高速切削技术的特点及应用,（1）高速加工特点加工效率高：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：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。工件受力变形小，适于加工薄壁件和细长件；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，可提高加工精度；动力学特性好：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动，可获得好的表面粗糙度；可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬钢铁件，在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工；环保：可实现“干切”和“准干切”，避免冷却液污染。,12,效率高！以瑞士MIKRON公司生产HSM-700高速铣床为例，其最高转速可达42000r/min，是普通铣削转速的几十倍，加工效率自然远远高于普通铣削加工。,13,精度高！对于同样的切削层参数，由于高速带来突变滑移减少硬化阻力，使得高速切削的单位切削力明显减小。这对减小振动和偏差非常重要，也使工件在切削过程的受力变形显著减小。特别有利于提高薄壁细筋件等刚性差零件的高速精密加工。,14,质量高！一方面，高速切削的力值及其变化幅度小，与主轴转速有关的激振频率远远高于切削工艺系统的高阶固有频率。另一方面，由于传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小。加工表面质量显著提高。,15,低消耗！高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。由于采用较小的背吃刀量，刀具每刃的切削量很小，因而机床的主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时高速加工机床振动小、噪声低、少用或不用切削液，也符合环保要求。刀具寿命也延长了。,16,（2）高速切削的应用？,17,不同材料的高速加工铝、铜合金的高速切削加工铝、铜合金的强度和硬度相对较低，导热性好，适于进行高速切削加工，不仅可以获得高的生产率，还可以获得好的加工表面质量。铸铁与钢高速切削加工不仅可以获得高的加工效率和好的表面质量，还可以对淬硬钢和冷硬铸铁进行切削加工，实现以切代磨。难加工材料的高速切削加工钛合金、镍合金、硬质合金和高温合金等，采用合适的PCD或PCBN刀具进行高速切削可以获得较好的效果软材料的高速切削加工如橡胶、塑料、木头等，高速切削加工表面极为光洁，这对于普通切削加工是很难做到的。,18,高速加工应用领域大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件适于采用高速加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金、钛合金高速加工，切削速度达200-1000m/min对一些“整体制造法”零件，高速切削大大提高生产效率和产品质量，降低制造成本例如：波音公司在生产波音F-15战斗机时，采用“整体制造法”，飞机零件数量减少了42%，用高速铣削代替组装方法得到大型薄壁构件，减少了装配等工艺过程。,19,高速铣削客机机舱地板桁条,20,航空航天,增压器叶轮实物,高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）（米克朗公司）,21,汽车制造业高速加工中心组成柔性生产线(FTL)例如：国内如一汽大众捷达轿车自动生产线，由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成，年产轿车能力15万辆，制造节拍1150辆/min；汽车发动机及其配件的高速切削加工汽车覆盖件及零件模具的高速切削加工,22,汽车车门外覆盖件模具的高速加工,模具尺寸：1400 x1200 x600mm模具重量：2500kg毛坯材料：GGG30(相当于HT300)材料硬度：HB240,高速加工与传统数控加工的时间比较：传统加工：50H.，钳工修复：90H.，总计；140H.HSM：16H.5M.，手工修复：15H.，总计：37.5H.,23,模具加工业淬硬模具型腔的直接高速加工，提高模具加工质量和效率，可取代电火花加工应用于精密模具的加工，可实现淬火钢模具加工“一次过”，直接达到级精度及接近镜面的表面质量。快速样件制造，比快速原型制造技术效率高、质量好EDM电极加工，提高电火花加工质量和效率，减少后续加工工序,24,采用高速铣削代替传统电火花成形加工，效率提高3-5倍,1毛坯2粗铣3半精铣4热处理5电火花加工6精铣7手工磨修,电极制造,传统模具加工的过程,两种模具加工过程比较,25,照相机,按纽,勺子,反射镜,高速加工塑料模具,26,连杆,钳子,高速加工锻造模具,27,加工场景,模具材料从铸铁到铸钢、铸铝和合金铸钢，塑料的轮胎型芯,用传统方法(手工)需十几道工序,时间20d以上采用超高速铣削,转速18000rpm,ap=2mm,vf=10m/min,时间24h,高速加工橡胶轮胎模,28,压铸模,吸塑模,高速加工其他模具,29,高速加工与电火花加工的比较,高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有企业都能承受高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工艺，特别是对模具工业而言,大规模设备更新的时代即将到来,30,三、高速切削的关键技术,（1）高速主轴单元制造技术（2）高速进给单元制造技术（3）高速加工刀具技术（4）高速加工的机理研究（5）高速加工在线检测与控制技术（6）高速加工的加工工艺（7）其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等,31,（1）高速切削加工系统,32,33,高速主轴单元的要求回转精度高，刚性好动平衡性很高能传递足够的力矩和功率能承受高的离心力有良好的热稳定性，带有准确的测温装置和高效的冷却装置通常采用主轴电机一体化的电主轴部件，实现无中间环节的直接传动,34,电主轴概述,电主轴省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的“零传动”，提高了传动效率电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C轴控制），调速范围宽电主轴的基本参数：套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等,35,世界上著名的电主轴生产厂家：瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司德国：GMN公司，FAG公司美国：Precise公司意大利：Gamfior公司，Foemat公司日本：NSK公司，Koyo公司瑞典：SKF公司洛阳轴研科技股份有限公司在“九五”期间，以国家重点科技攻关项目为依托，先后开发了装备国产电机的、最高转速为15,000r/min、12,000r/min、10,000r/min8,000r/min的内装式电主轴，其最大扭矩为129Nm。,36,适合小孔钻削,电主轴单元,37,电主轴的高速轴承技术,陶瓷轴承,磁悬浮轴承,38,陶瓷球轴承具有耐温高、转速高、寿命长、绝缘的特点,且其本身具有自润滑性，常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（440、440C）及不锈钢。,39,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力弹性模量比钢高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,40,磁悬浮轴承（MagneticBearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空。机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染。,41,电磁铁绕组通过电流，对转子产生吸力，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图19）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，并将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功率放大器变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。,磁浮轴承高速主轴,位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。,42,磁浮轴承主轴结构,43,瑞士IBGA公司的水介质静压电主轴,高速电主轴静压轴系,44,空气静压轴承高速主轴,比较精密高速电主轴的特点,45,高速电主轴的发展趋势,1.向高速大功率和低速大转矩方向发展2.向高精度、高刚度方向发展3.向精确定向（准停）方向发展4.向快速起、停方向发展5.向超高速方向发展6.向标准化方向发展,46,（2）高速进给单元制造技术,对高速机床进给驱动系统的要求要求不仅仅能够达到高速运动，而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等等,47,滚珠丝杠滚珠丝杠是将旋转运动转换成执行件的直线运动的运动转换机构，由螺母、丝杠、滚珠、回珠器、密封环等组成。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高，长采用角接触球轴承或双向推力圆柱滚子轴承与滚针轴承的组合轴承方式。,48,传统滚珠丝杠副缺点传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛，但其在高速场合下具有下列缺点：系统刚度低，动态特性差。高速下热变形严重。噪声大，寿命低，不易检验维修。（优化措施见备注）滚珠丝杠副传动仍然存在问题：高速滚珠丝杠螺母副制造困难，成本较高。速度和加速度的提高有较大限制。进给行程有限（42m）。全闭环时系统稳定性较差。,49,直线伺服电动机直线伺服电动机是一种能直接将电能转化为直线运动机械能的电力驱动装置，是适应超高速加工技术发展的需要而出现的一种新型电动机。它代替了传统的由回转型伺服电动机加滚珠丝杠的伺服进给系统其最大的特点是从电动机到工作台之间的一切中间传动都没有了，可直接驱动工作台进行直线运动，使工作台的加/减速提高到传统机床的1020倍，速度提高34倍。,50,直线伺服电动机也分为同步式与感应式两种。感应式与同步式最大的区别是在定件上用不同点的绕组取代同步式的永磁铁，且每个绕组中的每一匝都是短路的。通电后在定件和动件之间的间隙中产生一个大的行波磁场，依靠磁力推动工作台做直线运动。,51,位置测量系统,机床滑台,初级线圈,次级线圈,导轨,感应式伺服电机,直线电机优点：加速度大其加速度可高达（210）g，滚珠丝杠工作台从静止到25m/min，需时0.5s，而直线电动机驱动工作台从静止到75m/min，只需0.05s。速度高直线电机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动，其最大进给速度以达到150m180m/min。定位精度高直线电机进给系统常用光栅尺作为工作台的位置测量元件，并且采用闭环控制，通过反馈，对工作台的位移精度进行精确的控制，因而刚度高，定位精度高达0.10.01微米。行程不受限制直线电机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级（工作台）就可运动到哪里，对整个系统的刚度不会有任何影响。,52,直线电机缺点：控制系统相对复杂。在直接驱动下，所有干扰（如外界载荷的变化、摩擦力等）不经任何缓冲就直接反作用到于控制器，给控制系统的稳定性带来影响，增加了控制难度。永磁直线电机的动子和定子存在很强的磁吸引力，装配难度大。端部效应（Endeffect）是直线电机特有的现象，主要由电枢的有限长度引起；它不像旋转电机那样形成环形闭合结构，直线电机的两个端部是“断开的”，导致端部磁路发生衰减和畸变，引起推力波动。由于直线电机结构的特殊性，要有隔磁、防水、防尘、缓冲防撞等保护措施。作为垂直驱动轴使用时，在突然断电或出现故障的情况下，要有紧急刹车措施，防止动子掉下发生事故，比如采用导轨锁紧装置，反向电流加载保护等措施。,53,直线电机驱动与滚珠丝杆间接驱动,54,直线驱动与伺服电机驱动比较,55,高速加工刀具技术,对高速切削刀具的要求：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。,56,高速加工刀具材料,57,普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比,58,58,天然金刚石刀具天然金刚石是目前已知的最硬物质，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。是各向异性的单晶体，晶体取向不同，硬度及耐磨性也不相同。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。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。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。,59,聚晶金刚石刀具不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000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CVD(化学气相沉积)可将聚晶金刚石作成涂层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,60,聚晶立方氮化硼刀具较高的硬度和耐磨性：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倍高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具,61,62,PCBN刀具应用实例,聚晶立方氮化硼刀具良好的化学稳定性: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: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。刀尖处温度低，刀具磨损少，加工精度高较低的摩擦系数: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。切削变形和切削力小，加工表面质量高,63,高速回转刀具结构刀柄结构传递机床精度和切削力,是高速切削时的关键部件,须满足下列要求：1、很高的几何精度和装夹重复精度2、很高的装夹刚度3、高速运转时安全可靠,64,65,整体式铣刀,机夹式铣刀,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。,66,HSK刀柄与传统刀柄结构,67,标准刀柄在高速运转下的不足,高速主轴的前端由于离心力的作用会使主轴膨胀,为保证高速下仍有可靠的接触定位，需很大的过盈量来抵消主轴轴端的膨胀，这需拉杆产生很大的预紧拉力，也不利于换刀，还会使主轴膨胀，影响主轴前轴承,HSK刀柄,德国阿亨大学机床研究室专为高速机床主轴开发的一种刀轴联结结构，已被DIN标准化HSK短锥刀柄锥度110，比标准的7/24锥短锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈