第三章 先进制造工艺技术(超高速加工)幻灯片.ppt

1、超高速加工技术,本章内容,一、超高速加工的定义及产生背景 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨 具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、 高柔性的制造设备以极大地提高切削速度来达到 提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制 造技术。,二、超高速加工理论及其发展,20世纪30年代德国物理学家dr.carl salomon以大直径圆锯片对不同的工件进行了高速切削实验。 50年代末期，得到科学家和工程师的重视展开了一系列模拟实验。 1977年美国第一次在真正的机床上实现了超高速切削。 80年代中期德国darsmtadt大学和40多家制造企业在政府的资助下，对高速机床、刀具、控制系统和安全防护

2、等进行全面研究。其研究成果反映在H.Schulz教授的专著金属和非金属的高速铣削中。 90年代日本后来居上。,二、超高速加工理论及其发展,国外一些高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最高转速：最高4000060000r/min 坐标轴加工最高速：3060m/min，快速移动：7080m/min； 换刀时间：1.53.5 s ，0.80.9 s ；托板交换：68s,三、高速切削、磨削的优点,小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量极小，因而机床主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长， 同时刀具寿命也延长了。 虽然切削深度和厚度小，但主轴转速高，进给速度快，单位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工

3、效率也提高了。 将粗加工、半精加工、精加工合为一体，在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。 可加工高硬度、难加工材料(62HRC左右)，可以钻1mm以下的小孔。 加工时间短，经济性能好。,四、高速切削、磨削的应用,有色金属，特别是铝薄壁加工，如厚度0.1mm、高几十mm的成形曲面。 石墨加工，模具型腔制造中，采用电火花腐蚀加工，石墨电极被广泛使用。石墨很脆，必须用高速切削才能较好地进行成形加工。 模具，特别是淬硬模具。可以直接切出模具，省去机加工电加工的几道工序，节约工时；还可达到很高的表面质量(Ra0.4um)，省去了电加工后面的磨削和抛光的工序；切削中形成的已加

4、工表面的压应力状态，提高模具工件表面的耐磨程度。 硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。,五、超高速加工技术发展趋势,超高速切削的发展趋势： 高效高速化； 实用廉价化； 复合化等 超高速磨削技术的发展趋势： 高柔性自动化系统+超硬磨料磨具+各种高速高效磨削技术。,超高速加工技术关键技术,关键技术： 超高速切削、磨削机理； 超高速主轴单元制造技术； 超高速加工进给单元制造技术； 超高速加工用刀具、磨具； 超高速加工机床支承及辅助单元制造技术； 超高速加工测试技术。,1、超高速切削、磨削机理,随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当切削线速度达到超过某临界值时，切削温度及切削力会减小，然后

5、又随着切削速度的增加而急剧增加,2、 超高速主轴单元制造技术,主轴的驱动方式 电动机通过带传动：变频电机，电机经精密动平衡，置于单独地基，柔软丝质传动带。（优点：可隔离电机振动；缺点：布置不方便） 电动机通过柔性联轴器驱动：电机、主轴在同一轴线上，变频电机，电机经精密动平衡，柔性联轴器联结。（优点：结构紧凑，回转精度高；缺点：轴向尺寸增加，机床尺寸增加） 内装式同轴电动机驱动：电机轴即机床主轴，无刷式直流电动机。,内装式同轴电动机驱动优点,主轴是电机的转子，定子装入主轴套筒内，取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的结构，减少了振动，增加了可靠性， 可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达到04

6、2000r/min，甚至更高。 结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 回转精度高，摩擦振动小， 主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件，,内装式同轴电动机示例,内装式同轴电动机主轴支撑形式,陶瓷轴承、 静压轴承、 动压轴承、 空气轴承以及气油润滑、喷射润滑等技术,内装式同轴电动机主轴温升,热升温引起主轴热变形的解决办法：采用电子传感器控制温度，使用水冷或油冷循环系统，使主轴在高速下成为“恒温”；而用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。 举例：STEPTEC的电主轴采用了矢量式闭环控制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴

7、承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主轴在全部工作时间内温度衡定。,液体静压主轴,液体静压主轴 空气静压轴承主轴,液体静压主轴,静压轴系：轴承间隙内介质压强由外部供给，忽略主轴旋转时的动压效应，承载能力不受主轴转速的影响，此外，主轴浮起后是纯液体或气体摩擦，主轴旋转后轴线偏移量比轴颈轴套的加工误差小得多。适合于调速范围和载荷变化大得精密设备原理 优点： 回转精度高、 刚性大、 转动稳、无振动， 保护金属,液体静压主轴(续),缺点： 油温易升高， 不同转速温升不同，控制困难； 易将空气带入油源，使油中产生悬浮微小气泡，降低刚性和动态特性。 解决途径：提高压力油油压，减小油中气泡的影响；设置恒温

8、油箱控制静压轴承用油；轴承用恒温水冷却,空气静压轴承主轴,优点： 回转精度更高、温升很小； 可用于高速； 气体无需回收、密封以及不污染环境。 缺点： 承载能力和刚性比液体静压轴承低； 气体支撑容易引起气锤现象而导致失稳； 制造精度要求极高； 不能保护金属，带水分气体会腐蚀金属。,空气静压轴承主轴(续),典型结构： 圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承； 双半球空气轴承主轴； 前部球形后部圆柱径向空气轴承的主轴； 立式空气轴承；,超精密机床主轴和轴承的材料,要求： 不易磨损； 不易腐蚀生锈； 热膨胀系数小； 稳定性好。 制造空气主轴和轴套的材料： 38CrMoAl氮化钢、不锈钢、多孔石墨和轴承钢

9、发展中的材料：铟钢、花岗石、微晶玻璃、陶瓷,3、超高速加工用刀具、磨具,对刀具的要求：具有足够的耐热性、耐磨性和耐破损性的刀具材料 常用材料：涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼(CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金刚石(PCD)等。 各种常用材料的高速切削速度：铝合金10007000m/min；铜合金9005000m/min；钢5002000m/min;灰铸件8003000m/min。其进给速度范围一般为225m/min。,3、 超高速加工用刀具、磨具,刀具材料根据工件材料和加工性质的选择：陶瓷(AlO，SiN)、金属陶瓷及PCBN刀具等适用于钢、铁

10、等黑色金属；PCD 和CVD等刀具则适用于对铝、镁、铜等有色金属。 刀具材料及制备技术 聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN） 刀具结构及刀具几何参数 高速磨削砂轮和超硬磨料、结合剂、基体的开发应用 高速磨削用超硬磨具的制备及应用,刀具材料发展与车削高速化的关系,4、超高速加工机床支承及辅助单元制造技术,数控系统 床身结构 导轨 驱动电机：直线电机 刀具的材料和技术 采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。 其他 支撑环境,数控系统,可同时控制8根以上轴，实现五轴联动。多个CPU，数据块处理时间不超过0.4ms；配置功能强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行

11、中的“前视”功能，随时干预，随时修改。外接插口，数据传输速度快，甚至可与以太网直联；加上全闭环的测量系统，配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现12g的加速和减速运动。 矢量式闭环控制：借助数/模转换，将交流异步电动机的电量值变换为直流电模型，具有无电刷的交流电机的优点，即在低转速时，保持全额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和制动。,床身结构,落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动。 由于刀具重量变化极小，在工件乃至工作台不进行快速线性移动的情况下， 机床快速线性移动的部件的重量近乎常量，更容易实现快速加速和减速情况下的运动惯

12、量及实现动态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定，保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。,导轨,线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改变。 导轨的基本要求：导向精度高、刚度大、耐磨、运动灵活和平稳 导轨的基本类型：燕尾形、平面、V-平面 导轨偶合面的结构形式：导轨表面耐磨塑料层；导轨接触面强迫润滑；滚动导轨；液体静压导轨；气浮导轨；空气静压导轨等。,导轨类型,V-平导轨：磨损后可自动补偿，保持间隙和润滑；但V导轨和平导轨磨损不一致，工作台下降不均匀；载荷中心偏向平导轨时，导向精度下降； 双V形导轨：提高了机床的抗扭能力，同时起导向和支撑作

13、用，导向精度高；磨损均匀；载荷偏离中央仍有良好导向性；但属于过定位，加工精度要求很高，加工工艺性差；当床身与工作台热变形量不同时，很难保证良好接触； 压力油润滑导轨：非液体或气体静压导轨时，用压力油润滑提高导轨的直线运动精度、减小摩擦。,驱动电机：直线电机,优点： 快速、精密、高精度和耐用。 显著地减少诸如摩擦力、间隙和磨损等机械传动特性的影响 获得一致的高精度的位移运动、动态位移和精确的定位 快速行程可达到60m/min。,刀具的材料和技术,高速切削时，不需大的切削扭矩，刀柄不再是传统的锥柄，而是短圆柄，即HSK型柄，刀柄的定位方式为靠110的锥部与主轴内锥面定心，同时刀柄凸缘端面与主轴前端

14、面紧贴，从而获得高转速的联接刚性。（克服传统加工中心使用的724实心锥柄刀杆在高转速时的弱点），不需拉钉，主轴锁紧装置要充分考虑离心力的影响。重要的是需要动平衡， 即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进行平衡。刀具本身采用通体硬质合金刀，或在硬质合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即PCD等，使刀具可以承受高达300500m/min的切削线速度。,其它,采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。 新型换刀机构和伺服驱动的托板交换装置，提高了换刀速度和托板交换速度。,支撑环境,空气环境：洁净度、气流速度、压力和有害气体等 热环境：包括温度、湿度对加工精度的影响 振动环境的干

15、扰：影响加工精度和表面质量（积极预防、实现隔振、消振） 光环境：一般照明；局部照明；混合照明 静电环境 洁净室：将室内空气中尘埃微粒、温度、湿度、压力流速和气流分布形式及形状等控制在一定范围内的房间。,2.7.7 超高速加工测试技术,极高精度测量方法和测量技术的发展 双频激光测量系统、X射线干涉仪、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、精密测角度仪等 在线自动测量技术的发展 配精密数控的三坐标测量仪 测量数据的自动采集处理技术的发展 硬件：微电子技术、计算机处理能力 软件,主轴高速转动示例,主轴高速转动加工示例,坐标轴快速移动示例,坐标轴高速加工示例,高速深孔加工,高速深孔加工,高速加工实例,汽车车门外覆盖