先进制造技术-41高速加工.ppt

1、1,高速铣削(HSM / HSC)技术 High Speed Machine/Cutting,山东理工大学 精密模具实验室 袁光明,2,就是以更快的速度运行已有的程序？ 高速铣削是一种不同的、更好的加工复杂零件的方法！,什么是高速铣削（HSM）？,超高速加工是指被加工金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，使得切削力、温度、磨损明显优于传统切削速度。 铝合金1600m/min，钛合金150-1000m/min； 车削700-7000m/min，铣削300-600m/min,3,超高速切削技术,切削速度为常规高10倍左右 进给速度提高20倍,切削机理 发生了根本 的变化,单位功率的

2、金属切除率提高了30 40%， 切削力降低了30%， 刀具的切削寿命提高了70%， 留于工件的切削热大幅度降低（23%）， 切削振动几乎消失,4,问题的提出,从提高生产率的角度看，机床和生产过程自动化的实质，归根到底，是以加快空程动作的速度和提高零件生产过程的连续性，从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。 但是辅助动作速度的提高是有一定限度的。例如目前加工中心自动换刀时间已缩短到1S，快速空程速度已提高到 3050 m/min。再提高空程速度不但技术上有困难，经济上不合算，且对提高机床的生产率意义也不大，矛盾的主要方面已经转向切削工时。只有大幅度地降低切削工时（即提高切削速度和进给速度等），才

3、有可能在提高机床生产率方面出现又一次新的飞跃。这就是近20年来超高速切削技术得以迅速发展的历史背景。,5,图示为1960以年来铣削工时的变化情况。由图可见，19701980年，由于加工中心的大发展，零件加工的辅助工时迅速下降；80年代以来，由于高速切削技术的推广应用，零件加工中的切削工时开始呈现较大幅度的下降。在整个90年代，随着超高速切削技术的飞速进步，这个趋势将继续发展下去。,6,超高速切削概念的产生萨洛蒙曲线,超高速切削理论研究可追溯到1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙Carl Salomon发表的著名的超高速切削理论，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。,不同工件材料的萨洛蒙曲线,7,

4、超高速切削概念的产生可用下图示意,萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增大到某一数值vc以后，切削速度再增大，切削温度反而降低。并指出vc之值与工件材料的种类有关。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内（B区），由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范围在美国被称之为“死谷”（dead valley）。,8,实验研究,由于受当时实验条件的限制，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：如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C区)进行工作，则有可能用

5、现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验采用了将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件或将工件当作子弹射向固定的刀具。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，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，尔后急剧下降。这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，目前这项理论研究工作还在进一步深入。,9,超高速切削的应用研究,在证实和应用萨洛蒙理论方面，美国科技界

6、和工业界做了许多领先的工作。1977年在一台带有高频电主轴的加工中心上进行超高速切削试验。其主轴转速可在 180018 000 r/min范围内无级变速，工作台的最大进给速度为76 m/min。试验结果表明，与传统的铣削相比，其材料切除率增加了23倍，主切削力减小了70，而加工的表面质量明显提高。受萨洛蒙理论的启发，美国空军和Lockheed飞机公司首先研究了用于轻合金材料的超高速铣削。1979年美国防卫高技术研究总署（DARPA）发起了一项“先进加工研究计划”（Advanced Machining Research Program），研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料

7、提供科学依据。经过多年的努力，获得了丰硕的成果。,10,研究指出：随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高。刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，并确定铝合金的最佳切削速度范围是15604 500 m/min。 在德国，超高速切削得到了国家研究技术部的鼎力支持。1984年该部拨款 1160万马克，组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（PTW）为首的、有41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的工艺技术，分别对各种工件材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与

8、试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了良好的经济效益。,11,日本于60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现，在超高速切削时，切削热的绝大部分被切屑迅速带走，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。1990年以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁工等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者。,12,近年各国生产的高速加工中心和NC机床,DMG (DECHEL

9、 MAHO GILDMEISTER) MIKRON FIDIA INGERSOLL HASS 哈挺 威力明 Rders,13,超高速切削的相关技术,工件材料,超高速 切削技术,工件,刀具,机床,切削过程,工件夹持装置,高速切削机理,CAD/CAM,过程监控,刀具材料,刀具几何参数,安全装置,机床基础件,轻型溜板结构,刀具结构,CNC控制系统,进给驱动装置,排屑装置,冷却系统,刀具夹持装置,主轴部件,工件搬运,工件特性,14,超高速切削技术的综合性高技术体系,技术原理,原理与条件 切削力、温度 高速构件动特性 摩擦与磨损 切屑形成,基础技术,刀具材料 刀具几何与连接 电主轴电机轴承 高速传动与支

10、撑件 传感器及测控,单元技术,刀具制造与平衡 主轴单元与进给 高速CNC技术 监控检测安全 工艺DB与优化,工具系统 设备系统 控制系统 信息系统 切屑形成,总体技术,15,HSM高速铣削是各种先进技术发展的结果： 1、CNC加工中心 2、刀具/卡头/材料 3、网络技术 4、CAD/CAM提供的新的能力 高速铣削是指一个全新的制造环境，包括了上述的所有方面的支持。,16,在机床方面：床身结构进一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，采用这种工艺和材料的好处是不仅能提高机床的整体刚度和稳定性，而且还具有良好的吸振性；,铸铁龙门机床,17,电主轴技术及其产品的专业化

11、生产：高性能的电主轴是实现高速切削的基础，要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩，多数内装电机驱动。目前，瑞士Fisher公司和法国ForestLine公司生产的电主轴，其主轴转速最高达到180,000r/min，功率最大达70kw；,18,快速进给系统：其直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了传动环节带来的累积误差，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。数控系统己经实现五轴五联动上至六轴五联动，多个CPU，数据块的处理 时间不超过0.4 ms，并具有 NURBS曲 线插补功能；Mastercam的CNC能前 馈到10002000个程序块。,19,刀具的材料和技术：由于在高速切削时，切削力

12、很小无需大的切削扭矩，以及离心力不容忽视，通常选用德国产的HSK型的短圆柄。为适应高速切削，刀具材料通常选用热稳定性好的新型刀具，如陶瓷刀具、CBN刀具、PCD刀具、复合涂层刀具等。,20,高速切削技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日趋成熟，极大地推动了CADCAM软件的繁荣。目前，市场上出现了好多有关 CADCAM的软件，其中，最为流行的要数EDS公司推出的UG软件、Dassault Syatem公司的CATIA、PTC公司的 PRO/E以及DELCAM、Mastercam 等。,21,1、小切量（侧向步距/切削深度）大约为传统加工用量的1/3；,高速铣削的关键是 改变了原有的

13、加工策略,2、高速度（主轴转速/进给速度） 使用设备的最大允许参数,22,高速铣削的关键是 改变了原有的加工策略,采用HSM的效果不是看是否减少了铣削加工的时间，而是从整个生产过程来看，降低了多少生产时间。 由于采用小切削用量会导致铣削加工时间并未减少，但减少了整个生产时间。,下图显示：用HSM代替EDM降低了生产的时间。,23,高速铣削的加工特点 小切削用量获得优良的表面质量,在加工中，零件表面的光洁度取决于相临刀具轨迹的大小，采用小的侧向进给可以减小残留高度从而得到更加光滑的表面质量，减少抛光的需要！,在过去，如果采用小的切削用量会导致加工周期过长。但今天，由于各种条件已经允许很高的加工速

14、度，使得小的切削用量成为可能！,24,高速铣削的加工特点 小切削用量实现精细加工,高速铣削可以有效地使用精巧的小刀具进行加工，使得模具精细部位的加工成为可能，而可以避免使用大量的嵌件和电极（EDM）。,加工参数：主轴转速20,000 rpm, 刀具直径 4 mm，切削深度0.6 mm ； 加工效果：减少了240 个嵌入的钉杆。,25,高速铣削的加工特点 小切削用量加工高硬度材料（如50HRC）,减少或避免了电极的设计与制造：电极的设计与制造本身是一个费时费力的工艺过程，而且使用电极进行加工也是一个费时的加工过程！,材料硬度 : 54 to 56 Rc 槽宽: 0.047 inch 槽深 : 0

15、.315 inch 主轴转速: 33,000 rpm 进给速率 : 150 ipm 刀具直径: 0.047 inch 加工时间 : 35 minutes,26,高速铣削的加工特点,1、更快的电极制造：抛光时间缩短达50% 到 75% （使用0.001 inch 的步距）；,在进行精加工电极加工的同时，就可以进行模具的粗放电加工；,2、高质的电极制造：由于使用HSM加工使得抛光可以省去；,保证了用户可以得到几乎完全相同的电极形状，使得用户在制造多型腔模具时，可以得到形状相同的零件。,利用电极作为负极加工来提高放电加工的效率；,小切削用量使电极加工更高效,27,高速铣削的加工特点,小切削用量使电极

16、加工更高效,3、薄壁零件的加工成为可能。,简化了工艺过程，提高了生产效率，缩短了生产时间；,省掉了电极的设计与制造；,28,高速铣削的加工特点 高速度,1、减少了加工的刀具温度，刀具寿命得到极大的提高；,2、减少了对冷却的要求，如使用风冷即可以达到满意的冷却效果！,加工中的热量被刀屑迅速带走，从而,29,HSM需要CAD/CAM系统的支持,保持恒定的刀具载荷,把进给速率变化降到最低,使程序处理速度最大化,30,CAM先进的高速铣削能力（一） 保持刀具载荷的恒定,1、刀具载荷的分析与优化：,进给速率的自动调整（根据切削体积/根据切削角度）,采用自动分层加工的方法来实现加工的合理性与载荷的恒定,3

17、1,CAM先进的高速铣削能力（一） 保持刀具载荷的恒定,2、基于毛坯残留知识的加工,智能实现优秀合理的二次粗加工； WCUT/WITHSTOCK+MIN.STOCK,时时检测当前状态下的毛坯状况，从而避免空走刀； WithStock/Opt=Remove Air CUT,时时检测当前状态下的毛坯状况，刀柄的干涉检查； Opt=ToolHolder GaugeCheck,实现特定高度范围内的刀轨计算 Limit Zup/Zdown/Between,32,3、智能化的优秀斜率分析,CAM先进的高速铣削能力（一） 保持刀具载荷的恒定,等高粗加工（WCUT+BETWEEN LAYER）：平坦区域与陡峭

18、区域的自动识别，实现层间的自动再加工。获得接近零件形状的加工结果，使精加工的加工余量更均匀，加工的表面质量更好！,33,CAM先进的高速铣削能力（一） 保持刀具载荷的恒定,实现优秀的等高精加工(WCUT+HORIZ.)：平坦区域与陡峭区域的自动识别，实现灵活的垂直区域等高加工，平坦区域沿表面加工的加工策略！,3、智能化的优秀斜率分析,34,CAM先进的高速铣削能力（一） 保持刀具载荷的恒定,实现特定区域内平坦区域/陡峭区域的精细加工；,3、智能化的优秀斜率分析,35,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,1、灵活有效的进刀方式,（1）轮廓切向进刀/退刀,（2）曲面切向进刀/退

19、刀,36,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,2、刀路轨迹的拐角处理,拐角采用圆弧走刀（All Corner: Round）；,拐角采用圆环式走刀（All Corner: Loops）；,37,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,采用空间内向圆弧走刀；,采用“高尔夫”式走刀,3、光滑的移刀方法,（1）行切的侧向移刀,采用空间外向圆弧走刀；,38,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,（2）环切的侧向移刀,空间螺旋式侧向移刀；,39,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,（3）WCUT粗加工的Z向移刀,螺旋式进刀；,空间

20、圆弧式移刀；,40,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,（4）WCUT精加工的Z向移刀,采用螺旋式进刀位置,空间圆弧式移刀；,41,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,（5）精加工的Nurbs插补,42,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,4、先进的高速加工方式,（1）粗切加工的圆弧插补,在WCUT加工中，尽量采用圆弧插补来生成刀路轨迹；,在 POCKET 加工中，尽量采用圆弧插补来生成刀路轨迹；,43,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,3、先进的高速加工方式,（2）轮廓粗切的螺旋式加工,44,CAM先进的高速铣

21、削能力（二） 最大限度地减少速率损失,3、先进的高速加工方式,（3）摆线式加工 Profile=TORCHOID,45,CAM先进的高速铣削能力（二） 最大限度地减少速率损失,3、先进的高速加工方式,（4）直导式/钻入式粗加工/插铣式 ROUGH_DRILL,46,CAM先进的高速铣削能力（三） 高效的数控编程,智能化的自动编程利用Cimatron NC 模版,基于参数化的工艺设定，加快和方便了工艺的定义和修改,有效的安全干涉检查与优化，使生产更高效,基于知识的加工使NC结果更合理,47,高速切削刀具,48,数控机床切削刀具系统,为了适应数控机床自动化程度的提高，充分发挥其高速、高效的特点，数

22、控刀具的标准化程度日益提高，目前数控机床的刀具已经有数千个规格，并逐步形成了规格化的数控刀具系统。 机夹可转位刀具已经占整个数控刀具的3040。,49,数控机床对刀具的要求,具有良好的切削性能，适应高速切削的要求； 高可靠性； 较高的刀具耐用度； 高精度； 可靠的断屑和排屑措施； 精确而迅速的调整； 自动且快速的换刀； 刀具工作状态检测装置； 刀具标准化、模块化、通用化和复合化。,50,数控机床所用刀具材料的类型,1、刀具材料应具备的性能 较高的硬度和耐磨性 足够的强度和韧性 较高的耐热性 较好的导热性 良好的工艺性 较好的经济性,51,2、常用的材料 高速钢 硬质合金 YG加工铸铁和有色金属

23、 YT加工钢 YW皆可 涂层刀具 陶瓷刀具,数控机床所用刀具材料的类型,52,数控车床刀具（1）,在数控车床车削加工中广泛采用不重磨机夹可转位车刀。 特点： 刀片各刃可转位轮流使用，减少换刀的时间； 刀片不重磨，有利于采用涂层刀片； 断屑槽型压制而成，尺寸稳定，节省硬质合金； 刀杆、刀槽的制造精度高；,53,数控车床刀具（2）,刀头与刀体的连接,机夹可转位车刀由刀杆、不重磨刀片、刀垫和夹固元件组成。,54,数控车床刀具（3）,普通车削、切断与切槽、螺纹车削、钻削、镗削,55,常规转塔,56,普通钻削,57,高速切削刀具,58,台阶和倒角钻削,59,台阶与倒角钻,60,复合加工,61,中心喷液钻

24、,62,钻削工艺,63,切削参数,64,钻孔演示,65,加工实例 高硬度零件加工,66,加工实例 切槽,67,加工实例 钻孔,68,加工实例 台阶和倒角组合,69,加工样件实例,石墨电极 尺寸 : 300 mm x 170 mm x 100 mm 特别要求 :长刀清腔 加工时间 : 16 h,70,加工样件实例,塑料模具,尺寸 : 118 mm x 190 mm x 280mm 物料 : 54 HRC硬钢 5 面加工于 : RFM 1000S 最小 radius 1 mm 进給量 : 4,000 mm/min 转速 : 30,000 rpm 加工时间 : 10 小时,71,加工样件实例,超硬钢

25、镶模 物料 : 1.2767, Hardness 58 HRC, 尺寸 : 65 mm x 40 mm 中心 16 mm深,并需使用 1 mm直径 小刀进行清腔. 加工时间 : 粗加工 : 90分钟 半精加工 : 83分钟 精加工 : 237分钟,72,加工样件实例,气缸模具加工,物料 : 1.2343,硬度 35 - 38 HRC, 型腔部份 800 mm x 350 mm x 100 mm 普通铣床粗加工至使用12 mm波头刀. 精加工在RFM1000S进行,最細R2 mm 转速rpm30,000 ,进给量5,000 mm/min , 加工时间: 40小时 手工拋光减至原工时的 20% ,

26、省 80%加工时间。,73,加工样件实例,音箱石墨电极,尺寸 350 mm x 200 mm, 9600个蜂巢形孔洞 ,最细 R 0.2 表面粗加工 10 mm波头刀, 1,5 mm铣刀粗加工蜂巢形孔洞,精加工0.4 mm铣刀 转速 : 42 000 rpm , 加工时间 : 34小时，节省50%工时。,74,加工样件实例,加工实例 :反光灯模芯,尺寸 : 30mm x 30mm x 15mm 硬度 : HRC 54 加工难点 :最小圆弧半径 0.3mm 只能采用0.6mm的小铣刀 加工工序 :粗铣用 6mm 和 2.5mm球面 铣刀 ,精铣用 1mm 及 0.6mm铣刀 主軸转速 : 41,

27、000转/分 进给量 : 6,000mm/分 加工工时 : 3 小时 表面质量 :无需拋光 ,可直接用于注塑生产,75,加工样件实例,三维型腔 连杆锻模,尺寸 : 300 mm x 145 mm 硬度 : HRC51 加工要求 :高光洁度,加工后不需人手拋光直接用于锻造生 产 ,尽可能地缩短铣加工时间,提高产量 加工工艺：一次装夾 ,直接在硬钢料上铣削 铣刀 : 粗铣用10mm球面铣刀 半精铣用 : 6mm球面铣刀 精铣用 : 4mm球面铣刀 精铣肋条用 : 2mm球面铣刀 进给量 : 5,000mm /分 (最大) 主軸转速 : 35,000转 /分 (最大) 加工时间 : 按照客户要求改良铣削参數后 , 加