超高速加工技术.ppt

1、超高速加工技术,1.超高速加工技术的内涵、范围 2.超高速加工技术的现状及发展趋势 3.超高速加工技术的优势 4.超高速切削的相关技术,一、超高速加工技术的内涵、机制和范围,内涵：采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术，其切削速度通常比常规高10倍左右。,德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)博士于1931年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。如图所示为“萨洛蒙曲线”。在常规切削速度范围内(图中A区)，切削温度随着切削速度的增大而提高。在切削速度达到临界切削速度后

2、，随着切削速度的增大切削温度反而下降。萨洛蒙的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”(图中B区)在超高速区内(图中C区)进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。,超高速加工的机制,四、超高速切削的相关技术,超高速切削的相关技术,不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围,二、超高速加工技术的现状及发展趋势,20世纪30年代：德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念 50年代：机理与可行性研究 70年代：工艺技术研究 80年代：全面系统的高速切削技术研究 90年代初：高速切削技术开始进入实用化 90年代后期：商品化高速切削机床

3、大量涌现 21世纪初：高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用，成为切削加工的主流技术。,工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。 国内在超高速磨削技术方面与国外差距巨大。,二、超高速加工技术的现状及发展趋势,超高速加工的前提和先决条件：超硬材料工具 超高速加工的工艺方法：超高速切削磨削技术 超高速加工的关键设备：高速数控机床和加工中心,二、超高速加工技术的现状及发展趋势,刀具材料：从碳素钢和合金工具钢，高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼 切削速度：随着刀具材料创新从12m

4、/min提高到1200m/min以上 亚音速、超声速加工,二、超高速加工技术的现状及发展趋势,三、超高速加工技术的优势,（一）超高速切削加工的优越性：,1、加工效率高 ：切削速度、进给速度比常规切削高510倍，加工时间通常可缩减到原来的13。 2、切削力小 ：加工切削力比常规降低30，单位功率材料切除率可提高 40以上，通常刀具寿命可提高约70。 3、热变形小：95以上的切削热来不及传给工件而被切屑迅速带走。 4、加工精度高 ：切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影响小，从而使工件表面的残余应力小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性、较好的表面质量。,（一）超高速切削加工的优越性：,5、

5、加工过程稳定：高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，已远远超出“机床一工件一刀具” 系统的固有频率范围，不会造成工艺系统振动。 6、良好的技术经济效益：缩短加工时间、加工能耗低、可加工刚性差的零件、零件加工精度高、提高了刀具耐用度和机床利用率、节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。,（二）超高速磨削加工的优越性,大幅度提高磨削效率 磨削力小，零件加工精度高 获得低粗糙度表面 大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化 改善加工表面完整性,四、超高速切削的相关技术,1、 超高速切削的刀具技术 超高速切削的刀具材料 （1）涂层刀具材料。在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良

6、的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在超高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。,(2) 金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiCNi或Mo)、高

7、韧性TiC基硬质合金(TiCTaCWC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCNNbC)等。金属陶瓷刀具可在300500 m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。(3) 陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氨化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在2001000 m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁等。,

8、加工合金钢40CrMnMo7时，最佳的刀具材料为表面处理过的金属陶瓷，而加工合金铸铁GG25CrMo时，立方氮化硼刀具的使用寿命为最长,(4)PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂将金刚石微粉聚合而成的多晶材料。虽然它的硬度低于单晶金刚石，但有较高的抗弯强度和韧性。PCD材料还具有高导热性和低摩擦系数。另外，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一，因此得以广泛应用。 PCD刀具主要用于加工耐磨有色金属和非金属，与硬质合金刀具相比能在切削过程中保持锋利刃口和切削效率，使用寿命一般高于硬质合金刀具10500倍。 (5)CBN刀具材料。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，它的突出优点

9、是热稳定性(140)好，化学惰性大，在12001300下也不发生化学反应。,不同CBN含量的刀片及用途,2、超高速切削机床,超高速切削的主轴系统 （1） 超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现高速加工最关键的技术之一。超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。高速主轴单元在结构上分为两类，即分离式高速主轴与内装式电主轴。分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、装配及调整，主轴单元冷却系统的设计及主轴单元的试制等。,（2）内装式电主轴采用电机直接驱动方式，主轴电机与机床主轴合二为一，将其空心转子直接套装在机

10、床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内。这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，因而把主传动链的长度缩短为零。我们称这种新型的驱动与传动方式为“零传动”。,超高速电主轴,超高速电主轴,（3）集成式电机主轴振动小，由于直接传动，因而减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮的传动误差。同时，集成式主轴也简化了机床设计中一些关键性的工作，如简化了机床外型设计，容易实现高速加工中快速换刀时的主轴定位等。这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在： (1)

11、 有很大的驱动功率和扭矩；(2) 有较宽的调速范围；(3) 有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性。 国外超高速主轴单元的发展较快，中等规格的加工中心的主轴转速已普遍达到10 000 r/min，甚至更高。,美国福特汽车公司推出的HVM800卧式加工中心主轴单元采用液体动静压，轴承最高转速为15 000 r/min。瑞士米克朗公司作为铣削行业的先锋企业，一直致力于超高速加工机床的研制开发，先后推出了主轴转速42 000 r/min和60 000 r/min的超高速铣削加工中心。我国北京第一机床厂的VRA400立式加工中心

12、，其主轴转速也达到了20 000 r/min，快速移动速度X、Y轴为48 m/min， Z轴为24 m/min。,超高速轴承技术,轴承是超高速主轴系统的核心零部件。超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承几种形式。 因滚动轴承有很多优点，故多数超高速铣床主轴上采用的是滚动轴承。为提高极限转速常采用：提高制造精度、合理选择材料和改进轴承结构。德国FAG轴承公司开发了HS70和HS719系列的新型高速主轴轴承，它将球直径缩小至70，增加了球数，从而提高了轴承结构的刚性。 日本东北大学庄司研究室开发的CNC超高速平面磨床使用陶瓷球轴承，主轴转速为30000 r/min。日本

13、东芝机械公司在ASV40加工中心上采用了改进的气浮轴承，在大功率下实现30 000 r/min主轴转速。德国Kapp公司采用的磁悬浮轴承砂轮主轴，转速达到60 000 r/min。德国GMN公司的磁悬浮轴承主轴单元的转速最高达100 000 r/min以上。此外，液体动静压混合轴承也已逐渐应用于高效磨床。 。,超高速切削机床的进给系统,超高速切削进给系统是评价超高速机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等。,（1）对高进给速度的要求 （2）对高加速度的要求 （3）对高刚度、快响应的要求,超高速加工的要求：,直接驱动即“零驱动”，直线电动机驱动的进给系统，它取消了电动机轴到工作台之间的一切中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。,直线电机直接驱动的优点是： (1)惯性小，加速度高，可达1g10g，速度高，可达60150m/min,易于高速、精定