先进制造技术 高速切削.ppt

1、先进制造技术第五章高速切削，1 .高速切削的概念和基本原理高速切削技术是以比一般切削速度快几倍的切削速度切削零件的先进制造技术。高速切削理论于1931年四月德国物理学家卡尔。J.Salomon牙齿提出的。1931年德国物理学家C. J. Salomom在高速切削原理一文中给出了著名的“Salomom曲线”牙齿特定工件材料的临界切削速度，牙齿点切削温度最高，超过牙齿阈值，切削速度增加，切削温度反而下降。1 .高速切削的概念和基本原理、先进制造技术、沙龙的理论和实验结果，引起了很多兴趣，从而产生了“高速切削(HSC)”的概念。他指出，在一般切削速度范围内，随着切削速度的增加，切削温度会提高，但切削

2、速度提高到一定值，切削温度不会升高，反而会降低，而且切削速度值与工件材料种类有关。每个工件材料的切削温度太高，具有刀具材料无法承受的速度范围。也就是说，不能执行切削，牙齿区域称为“死谷”。1 .高速切削的概念和基本原理，高级制造技术，1。高速切削的概念和基本原理，高级制造技术，1。高速加工定义还没有统一的定义。一般认为高速加工是使用超硬材料的刀具。显着提高切削速度和进给速度，提高材料去除率、加工精度和加工表面质量的现代加工，定义为切削速度和进给率：高速加工的切削速度和进给速度是普通切削的510倍。以主轴转速定义：高速加工的主轴转速10000 r/min，1。高速切削的概念和基本原理、高级制造技

3、术、高速切削是相对概念，是相对于普通切削的。快速切削包括快速软切削、快速硬切削、快速干切削和大型进给切削。超高速加工的切削速度范围取决于刀具材料、工件材料和切削方法，目前高速切削的高速范围国内外专家尚未达成共识。1 .由于高速切削的概念和基本原理、先进制造技术、实验条件的限制，当时无法付诸实践，但牙齿思想给了后人很重要的启示。也就是说，如果能越过牙齿“斜谷”，在高速区域工作，就可以用现有的刀具材料高速切削，切削温度几乎和一般切削一样，从而大大提高生产，1。高速切削的概念和基本原理、高级制造技术、高速加工多种材料的切削速度范围：钢和铸铁及合金500-1500m/min铸铁最大2000m/min钻

4、孔100200m/min，攻丝100m/min硬化钢(钛合金为150-1500m/min1.高速切削的概念和基本原理，高级制造技术，2。高速加工的切削速度范围高速加工切削速度范围取决于加工方法。车削：700-7000 m/min铣削：300-6000 m/min钻孔：200-1100 m/min研磨：50-300 m/s，1。高速切削的概念和基本原理加工成本可以减少到20-40。在高速切削加工范围内，随着切削速度的增加，切削力减少了30%以上，工件变形减少了。高速铣削是大型框架、刚性差的薄壁零件和薄壁槽零件高精度高效加工的最有效的加工方法。高速切削时，切削以极高的速度排出，切削热量大部分被碎屑

5、去除，切削速度快，拿走的热量越多，传送到工件的热量就越大，工件的整体温度降低，工件的热变形相对较小。因此，它减少了加工零件的内部应力和热变形，提高了加工精度，适用于对热敏感材料的加工。，1 .高速切削的概念和基本原理，先进的制造技术，提高旋转速度，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，加工过程中的鳞片、碎屑、碎屑、加工硬化、残余应力等也受到抑制。因此，高速切削加工可以大大减少加工表面粗糙度，加工表面质量可以提高12个等级。高速切削可以加工硬度为HRC4565的钢零件。例如，高速切削加工凝固的模具可以减少或取代放电加工和磨削加工，以满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。1

6、 .高速切削的概念和基本原理，高级制造技术，4。高速加工的应用航空宇宙：大量薄膜，有细筋的大型竞赛金整体零件加工，材料去除率达100-180cm3/min。镍合金，钛合金加工，切削速度200-1000 m/min汽车产业：使用高速数字控制机器和高速加工中心构建高速柔性生产线，实现多品种、中小型的高效生产。模具制造：用高速铣削代替传统火花整形，效率提高了3 5倍。仪表：精密光学零件加工。I .高速切削的概念和基本原理、先进制造技术、高速切削加工具有高生产率、降低切削力、提高加工精度和表面质量、降低生产成本、高硬材料加工等诸多优点，已在汽车和摩托车制造、模具、轴承、航空宇宙、机械、工程机械、石墨等

7、上述行业为了提高加工技术的水平，促进机械制造技术的发展也具有重要意义。1 .高速切削的概念和基本原理，先进制造技术，5。可高速切削工件材料的高速切削工件材料包括钢铸铁有色金属和合金、高温耐热合金、碳纤维增强塑料等合材加工，其中用铝合金和铸铁进行高速加工最普遍。几乎所有传统切削能加工的材料都可以高速切削，甚至传统切削难以加工的材料镍基合金、钛合金、纤维强化塑料等，在高速切削条件下也可以轻松切削。1 .高速切削的概念和基本原理，高级制造技术，6。高速切削的加工方法目前主要在车削和铣削中，随着各种高速切削机器的发展，高速切削工艺范围将进一步扩大，从粗加工到精加工，从车削、铣削到镗孔、钻、拉、铰、攻丝

8、，随着市场竞争的进一步加剧，世界各国制造业将更加积极地应用高速切削技术，完成高效准确的生产。1 .高速切削的概念和基本原理，高级制造技术，2。高速切削加工研究系统、高级制造技术、高速加工有很多优点，但由于技术复杂，对相关技术的要求很高，因此应用受到限制。与高速加工密切相关的技术是高速加工工具和抛光制造技术。高速主轴单元制造技术；高速输送装置制造技术；高速加工在线检测和控制技术；其他：高速加工毛坯制造技术、干切削技术、高速加工的刨花技术、安全保护技术等，高速切削和研磨机械的研究对高速切削的发展也具有重要意义。2 .高速切削加工研究系统，先进制造技术，3 .高速切削关键技术1。高速主轴系统高速主轴

9、系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前，主轴转速在15000-30000rpm的加工中心中越来越普遍，已经有转速为100000-150000rpm的加工中心。高速主轴转速很高，主轴部件在离心力作用下产生振动和变形。高速运转摩擦热和高功率内置马达产生的热可能导致热变形和高温，必须严格控制。为此，高速磁盘轴需要以下性能要求：(1)结构紧凑，重量轻，惯性小，防止振动噪音，停止性能好；(2)足够的刚度和旋转精度高；(3)良好的热稳定性；(4)高输出；(5)高级润滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监控系统。3 .高速切削加工的关键技术、先进制造技术、高速主轴为满足这些性能要求，在结构上几乎所有交流伺服

10、电动机直接驱动的“嵌入式电动机”集成结构中减少驱动部件，从而提高可靠性。高速主轴必须在很短的时间内达到上升速度。为此，将主轴电机和主轴组合成一个主轴，实现无中间链路的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。轴承是决定主轴寿命和负载能力的关键零件。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了高级主轴轴承、润滑和发热等新技术。目前，高速主轴主要使用陶瓷轴承、磁轴承、空气轴承和流体、静压轴承等。主轴轴承润滑对于提高主轴转速(通常使用油、空气润滑或喷雾润滑)具有重要作用。3 .高速切削加工的关键技术，先进制造技术，2 .高速进给系统高速切削时，进给率也必须随着主轴转速的提高而大幅提高，以便刀具的每齿

11、进给率基本不变。目前切削进给率一般为3060m/min，最大120m/min，为了实现和精确控制此高进给率，对机械导轨、滚珠螺钉、伺服系统、工作台结构等提出了新要求。高速加工机必须实现快速输送加速减速，才有意义。为了适应移交运动的高速化要求，主要采取了以下措施。(1)采用了新的直线滚动轨道，直线滚动轨道的滚珠轴承和钢轨道之间的接触面积很小，摩擦系数约为槽轨道的1/20。此外，使用直线滚动轨道可以大大减少“爬行”现象。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，(2)高速进给机构采用小螺距大质量滚珠丝杠或粗螺距多滚珠丝杠。其目的是在不降低精度的情况下获得更高的进给速度和进给加减速度。(3)高速输送伺服

12、系统已发展到数字化、智能化和软件化。高速切削机床采用所有数字交流伺服电动机和控制技术，保证了高速加工要求。高级制造技术，3 .高速切削加工的关键技术，(4)为了最小化工作台的重量，避免失去工作台的刚度，高速输送机构通常采用碳纤维增强复合材料。(5)为了提高输送速度，更先进、更快的直线电机已经发展。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题，减少了传动摩擦力，几乎没有逆隙。直线电动机具有很明显的优点，如高的加减法、减速特性、最大2g加速度、一般45倍进给速度、直线电动机驱动、单位面积推力增加、高速运动生成、无需维护机械结构等。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，现有机床采用旋转电机驱动球

13、杆的输送方案。由于受工作台惯性和螺母杆本身的结构限制，进给速度和加速度通常很小。当前高速进给速度难以超过60m/min，操作进给速度通常低于40m/min，最大加速度难以突破1g。要获得更高的进给加速度，必须仅使用直接由直线电动机驱动的形式。，高级制造技术，3 .高速切削关键技术、直线电机直接驱动的优点是控制特性、增益、拥塞少，在高速运动中保持高变位精度。高运动速度，直接驱动，因此最大进给速度最高100180m/min；到都可以。高加速度，结构简单，质量轻，所以最大加速度最大为210g无限运动长度。定位精度高，跟踪精度高，采用光栅尺作为定位元件，闭环反馈控制系统，工作台的定位精度最高为0 .

14、10 . 01m；是。启动推力(最大12，000n)；因为没有传动环，所以没有摩擦，没有往复的间隙，运动也很顺畅。具有较大的静态刚度和动态刚度。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，直线电机直接驱动的缺点是电磁铁热效应对机械结构有很大的热影响，需要附着冷却系统。由于存在电磁场干涉，因此必须设置筹码保护。有更大的功率损失。力转换连杆不足，必须增加工作台制动锁紧机构。自我吸引力作用使组装变得困难。系统价格比较高。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，3 .高速CNC控制系统高速加工中心要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能，以便在高速切削(尤其是45轴坐标联动加工复合曲面)中保持良好的加工

15、性能。高速数控数控数控系统的数据处理能力有两个茄子重要指标。一个是单段处理时间，为了适应高速，单段处理时间必须短。为此，需要使用32位CPU和64位CPU，并使用多处理器。第二，为了确保高速插值精度，必须具有字典供给和大型前导段处理功能，还可以使用NURBS(非线性B样条)插值、倒冲加速度、平滑插值、铃减速等轮廓控制技术。高速切削CNC系统的功能特征是：(1)加、减、字典插值。(2)前馈控制；(3)准确的矢量赔偿；(4)最佳转角减速。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，4 .高速切削加工的测试技术高速切削加工在密封的机器工作区进行，加工过程中难以操作员直接观察、操作和控制，因此机器本身必须监

16、视加工情况、刀具的磨损状态等，并实时在线监控加工过程。高速加工的测试技术包括检测技术、信号分析、处理等，近几年在线测试技术在高速机床中的应用越来越多。包括当前机床使用的主轴发热测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监控等。测量传感器包括热传感器、测试工具的音响发射传感器、工件加工视觉监视器等。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，5 .高速切削要求刀具材料的高可靠性。高速切削时速度和自动化程度高，刀具必须具有高可靠性。另外，刀具寿命高，质量好，切削刃重复精度高。刀具可靠性低会增加刀具更换时间，从而降低工作效率。工具的可靠性下降会导致废品、机器和设备损坏，甚至人员伤亡。解决刀具可

17、靠性问题已成为高速切削加工成功应用的关键技术之一。选择高速切削刀具时，不仅要考虑刀具材料的可靠性，还要考虑刀具的结构和夹具的可靠性。高级制造技术，3 .高速切削关键技术，刀具必须具有良好的耐热性、抗热冲击性和高温力学性能。切削速度增加通常会导致切削温度急剧升高。因此，刀具材料需要高的高温力学性能，如高温强度、高温硬度、高温韧性等。此外，刀具材料的熔点、氧化温度、耐热性和抗热冲击性必须很高。，高级制造技术，3 .高速切削关键技术，刀具必须具有良好的刨花、刨花和刨花性能。切削塑料材料时，碎屑的断裂和卷边往往是决定数控加工能否正常进行的重要因素。因此，刀具必须具有良好的筹码、轧辊和筹码去除性能。所需碎屑不能