现代加工技术.ppt

1、机械设计制造及其自动化 142271336 黄冬平,高速切削加工技术(HSM),现代加工技术,高速切削加工技术是指采用超硬材料的 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。,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10000r/min,高速切削加工,高速切削速度范围,高速切削速度范围材料 铝合金 1600m/min 铸铁 1500m/min 超耐热镍合金 300m/min 钛合金 1501000m/min 纤维增强塑料 20009000m/min,高速切削速度范围工艺 车削

2、 7007000m/min 铣削 3006000m/min 钻削 2001100m/min 磨削 250m/s,高速切削基础理论,切削速度对切削力的影响,Fs=SsAc/sin Fm=Acv2cos0/cos(-0) Fs剪切力 Fm切屑惯性力 Ss材料动态剪切强度 Ac切屑横截面积 0 刀具前角,切削力,剪切角随切削速度变化, =/4-/2+ 0 /2 剪切角 摩擦角,高速切削基础理论,切削速度对切削热的影响,Q=Q1+Q2+Q3=q1A1+q2A2+q3A3 A1,A2,A3剪切面，前刀面，后刀面 Q切屑=R1q1acawcsc R1热传入切屑的比例 ac 切削厚度 a1材料导热系数 aw

3、 切削宽度 剪应变,国外学者认为： 机床主轴转速 800012 000 r/min为准高速切削 15 00050 000 r/min为高速切削 大于50 000 r/min为超高速切削。,国内学者认为： 超高速切削加工是一种比常规切削速度高得多(10倍左右)的速度对零件进行加工的先进技术。,超高速加工,超高速加工的研究，起源于上世纪30年代，当时德国 的切削物理学家卡尔.萨洛蒙博士进行了一项研究。他用大 直径的圆锯片对铝、铜等非金属材料进行了高速切削实 验，提出了著名的萨洛蒙曲线。,萨洛蒙超高速切削模拟实验,不同材料，随切削速度的提高，切削温度的变化 不同。 在常规切削速度范围内，切削温度随着

4、切削速度增加而升高，但当切削速度达到某个峰值时，切削速度再提高，切削温度反而下降。,萨洛蒙曲线,超高速加工技术的发展,1931年，德国物理学家Carl. Salomon利用已加装锯齿的大直径旋转飞轮在一定范围内模拟高速切削实验。,1977年，美国第一次在数控铣床上实现了超高速切削。当时进行了主轴转速为18 000r/min、30000r/min、100 000r/min的三种高速切削试验。,自八十年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。,目前，超高速加工在不断提速的同时，正和数控领域结合。我国目前研制的超高

5、速加工机床主轴最高转速仍处于10000r/min，与国外先进水平存在较大差距。, 加工效率高; 切削力小，刀具耐用度提高; 热变形小; 加工精度高，表面质量好; 减少后续加工工序。,超高速加工技术特点,超高速加工应用,航天航空,航空航天工业中许多带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件及许多镍合金、钛合金零件等。,航天航空,铝合金整体零件： 整体零件“掏空”，切除量大 零件有薄壁，要求小切削力 小直径刀具 较长的刀具悬伸,汽车工业,由高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，可以实现多品种、中小批量的高效生产。,汽车工业,经过分析提出,如能采用高速加工,将单轴加工中心的生产率提高5倍,则虽然

6、是顺序加工,生产率仍可以达到5根主轴 同时加工的组合机床。,模具制造,手机模具,手机按键模具,用高速铣削代替传统的电火花成形加工，可使模且制造效率提高35倍，大大缩短模具制造周期和制造费用。,模具制造,对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。,超高速加工关键技术,主轴单元, 滚珠轴承高速主轴,主轴单元, 滚珠轴承高速主轴,高速主轴轴承的最新发展是使用陶瓷混合球轴承。 即轴承内外圈是轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷（ Si3N4 ）制成。 陶瓷滚珠密度比钢珠低大约60%，所以可大幅度降低离心力,陶瓷的弹性模量E比

7、钢高50%，所以滚珠尺寸相同的陶瓷轴承具有更高的刚度。 氮化硅摩擦系数低，耐磨性好。因此可减少摩擦发热，减少磨损，提高使用轴承寿命。,主轴单元, 磁浮轴承高速主轴,主轴单元, 磁浮轴承高速主轴,电磁铁绕组通入电流，对转子产生吸引力，使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的位移信号送至控制器，控制器将位移信号转换成控制信号，再经功率放大器变换成控制电流，通过改变控制电流，改变吸引力大小和方向，使转子重新回到平衡位置。,进给单元,超高速机床进给速度为60m/min 以上，特殊情况可达120m/min，是普通机床进给速度的510倍，且能瞬时达到高速，瞬时准确停止。

8、系统具有很好的加速和减速特性。,实现上述进给单元的高性能，需要采用直线电机驱动。,进给单元,直线电机与传统旋转电机加丝杠结构的比较,刀具材料,目前，用于高速切削的刀具材料主要是金刚石和立方氮化硼，其它还有硬质合金、陶瓷等。,高速加工中，切削热更多流向刀具，要求抗磨损；刀具系统必须有良好的动平衡，可靠定位。,刀具材料,金刚石,天然金刚石 天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵,加工、焊接都非常困难,除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工),很少作为切削工具应用在工业中。,化学气象沉积CVD金刚石 CVD金刚石制成两种形式:一种是在基体上沉积厚度小于30m

9、的薄层膜(CVD薄膜);另一种是沉积厚度达1mm的无衬底的金刚石厚层膜 (CVD厚膜)。,聚晶金刚石 聚晶金刚石是人造金刚石的一种，硬度仅次于天然金刚石。其价格只有天然金刚石的几十分之一，具有高导热性和低摩擦系数，主要用于加工有色金属等软金属。 与硬质合金相比，使用寿命可高出10500倍。目前，已在大部分场合代替天然金刚石。,刀具材料,立方氮化硼,1）较高的硬度和耐磨性。 CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此具有仅次于金刚石的高硬度和耐磨性。,2）高的热稳定性。 明显优于金刚石刀具。 3）良好的化学稳定性。 CBN在12000C13000C时不会与铁系材料发生化学反应。在20000C时才与碳反应，这比金刚石材料好得多，特别适合加工钢铁材料。 4）良好的导热性。 导热性仅次于金刚石。 5）较低的摩擦系数。 使得切削力和切削变形减小，提高了表面加工质量。,刀具材料,金属陶瓷,陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性 其硬