第5章 高新加工技术.ppt

1、第5章 高新加工技术,5.1 高速切削加工技术 5.2 超精密加工技术 5.3 微细加工技术 5.4 快速成形制造技术(RPM) 5.5 敏捷制造 5.6 虚拟制造,5.1 高速切削加工技术,本章要点 高速切削加工的概念、特点、关键技术、机床类型及高速切削刀具； 超精密加工的概念及相关知识; 微细加工的概念、特征及工艺方法; 快速成形制造技术的相关知识; 敏捷制造的概念与特点; 虚拟制造、虚拟公司和虚拟产品的概念。,下一页,返回,5.1 高速切削加工技术,高速切削加工是提高生产率的途径之一。为了提高数控加工的效率，许多航空零部件已采用高速切削加工来制造，如薄层腹板件、模具、钛合金零件等。目前，

2、采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势，在国外一些模具生产厂家，高速机床已大面积取代电火花机床，大大提高了模具生产的效率和质量。 5.1.1 高速切削概述 高速切削(High Speed Crutting)和高速加工(High Speed Machining)分别简称HSC和HSM。1931年4月德国物理学家Carl. J. Salomon提出了高速切削理论:在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反而会降低，且该切削速度值与工件材料有关，如图5-1所示。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速切削技术是在高性能C

3、NC系统、机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的，因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程和一项先进制造技术。 对于机械零件而言，高速加工即是以较快的生产节拍进行加工。零件的一个生产节拍为:零件送进-定位夹紧-刀具快进-刀具工进(在线检测)-刀具快退-工具松开、卸下-质量检测等七个基本生产环节。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,刀具快进、工进及快退三个环节，是高速加工系统中一个主要的子系统。对于整条生

4、产自动线而言，高速加工的技术的表征是较简捷的工艺流程，较短、较快的生产节拍。对于某一产品而言，高速加工技术也意味着企业要以较短的生产周期，完成研发产品的各类信息采集与处理、设计开发、加工制造、市场营销及反馈信息。这与敏捷制造工程技术理念有相同之处。 模具加工是高速切削技术的主要受益者。图5-2图5-5所示是一些模具加工用高速机床，图5-2所示为高速数控铣床，图5-3所示为高速高精度的雕铣机床，图5-4所示为落地龙门高速数控锁铣床，图5-5所示为直线驱动立式加工中心。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.2 高速切削概念与特征 自从Salomon提出高速切削的概念以来，高速切

5、削技术经历了高速切削理论的探索、应用探索、初步应用和较成熟应用四个阶段的发展，现已在生产中得到了一定的推广应用。那么，到底何谓高速切削呢?到目前其仍是一个相对的概念，主要是指采用超硬材料的刀具与磨具，实现主轴的高转速和高的进给速度以及高的进给加速度的自动化制造设备，极大地提高了材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。主轴的高转速和高的进给速度的关系用下面的公式来表达: 主轴转速: n=Vc/(d) 进给速度: Vt=nZfZ,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,式中 fZ每一切削刃在一转中所切削的厚度(mm ) ; Z铣刀的刃数; Vc刀具的线速度(mm/min

6、) ; d刀具的直径。 将n代入上式，得出进给速度:Vt=(fZ Z Vc)/(d)。即在选定了刀具和切削用量的情况下，进给速度与主轴的转速成正比。因此，高速加工机床不仅要有高的主轴转速，也应具备与主轴转速相匹配的高的进给速度。此外，为了保证加工轮廓的高精度，机床还必须具备高的进给加速度。如果一台高速机床没有足够高的进给加速度，那么是无法高速地进行高精度复杂曲面轮廓的加工的，因为它无法满足加工复杂曲面时根据不同的曲率半径在最短的时间内不断地调整进给速度的要求。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,随着高速切削、高速机床和刀具等关键技术领域的突破性进展，高速与高速切削技术的工艺和速度

7、范围也在不断扩展。高速切削已是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化也使之具有很高的生产效率。因此，高速切削较传统切削具有如下优越特征: 切除率高、生产效率高。在高速切削时刀具的高转速和机床的高进给以及高加速度，大大地提高了金属的切除率与生产效率，适用于材料切除率要求大的场合，如模具、汽车和航空航天等制造领域。 切削力小。由于加工速度高，使剪切变形区变窄，剪切角增大，变形系数减小，切屑流出速度加快，从而可使切削变形减小，切削力比常规切削降低，刀具寿命提高，特别适合于加工薄壁类刚性较差的工件。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,热变形小。高速切削热大部分由切屑带走，工

8、件发热少，特别适合于加工易热变形的细长零件和薄壁零件。 精度高、表面质量高。由于高转速和机床的高进给率，使加工过程平稳、振动小，可实现高精度和高表面质量的要求，非常适合于光学器件的加工。 工序减少。常规加工时需分粗加工、半精加工、精加工工序，而高速切削可集中在一道工序中完成。此即高速加工用于模具加工的“一次过”技术(One pass maching)。 加工成本降低。采用高速切削时，由于零件的单件加工时间缩短与同一台机床上的“一次过”技术，使加工成本较普通加工大幅度降低。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,但随之也出现了值得注意的事项: 机床的耐用度降低; 工具寿命缩短; 排屑性

9、能下降。 这些因素对高速切削加工的影响采取相应的措施来减小。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.3 高速切削的关键技术 高速切削加工技术作为模具制造中最为重要的一项集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，是控制技术、精密制造技术、新材料技术和计算机技术等综合应用的结果。德国工业大学生产工程和机床研究所的舒尔兹教授对高速切削技术提出了相关的技术因素，如图5-6所示。 高速切削主要包括以下关键技术。 1.高速切削机理 高速切削机理的研究是高速切削的理论基础，对高速加工中切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，也为开发高速机床、高速加工刀具提供了理论指导。

10、,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速切削机理的研究集中在高速加工过程中金属材料剥离理论的研究上，主要有以下几个方面: 高速加工基本规律的研究; 高速切削过程和切屑成形机理的研究; 高速切削中切削力、切削热变化规律的研究; 刀具磨损规律的研究; 各种材料的高速切削机理研究; 高速切削机床技术。 高速切削机床技术主要包括高速单元技术(或称功能部件)和机床整体技术。高速单元技术包括高速主轴系统、高速进给系统、高速CNC系统等;机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,(1)高速主轴系统 高速主轴是高速加工机床最关键的

11、部件，包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分。主要有电主轴和气动主轴两种类型，应用中一般采用电主轴的结构形式，如图5-7所示。电主轴的关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具(或工件)动平衡等。 (2)高速进给系统。高速切削不仅要求高转速、很高的进给速度，而且由于在瞬时达到高速、瞬时准停等，还要求具有大的加减速度以及高的定位精度。目前已有更先进、更高速的直线电动机(图5-8)代替滚珠丝杠副传动。高速进给系统所涵盖的技术包括伺服驱动技术、滚动元件技术、监测技术以及防尘、防屑、降噪声、冷却润滑等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速

12、切削加工技术,(3)高速CNC系统 高速CNC系统具有很高的运算速度和精度以及快速响应的伺服控制，以满足高速度及高精度的加工要求。高速控制系统的关键部件有高速主轴矢量控制系统、实时控制伺服系统、预先前馈控制系统、精简指令集系统、刀具和工件的故障检测及安全控制系统等。 (4)先进的机床结构 为了适应粗精加工、轻重切削负荷和快速移动的要求，同时为了保证高精度，高速切削机床床身具有足够的刚度、强度和高的阻尼特性、高的热稳定性和可靠性，为此应采取的措施有:改革床身结构;使用高阻尼特性材料。20世纪90年代，在高速切削领域出现了一种全新结构形式的机床并联机床，又称六杆机床，其外观与运动形式如图5-9所示

13、。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,2.高速切削刀具技术 由于高速切削时的离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能，刀具的设计必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面的因素。对不同工件材料选用与其合理匹配的刀具材料、刀具参数和刀体结构，才能获得最佳的切削效果。高速加工刀具所涉及的关键技术有高速加工用刀具材料及制备技术、高速加工用刀具结构及刀具几何参数的研究。 3.高速切削工艺技术 高速切削工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,4.高

14、速加工的测试技术 高速加工的测试技术包括传感器技术、信号分析和处理等技术，主要指在高速加工过程中通过传感、分析、信号处理，对高速机床及系统的状态进行实时在线的检测和控制。实时地对加工情况、刀具的磨损状态等进行在线监控，才能保证产品质量，提高加工效率，延长刀具使用寿命，确保人员和设备的安全。目前，高速监测技术所涉及的关键技术主要有基于监控参数的在线监测技术、多传感信息融合检测技术、机床功能部件的检测技术、高速加工中工件状态的测试技术和自适应控制及智能控制技术等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.4 高速切削的发展趋势与应用 1.高速切削的发展趋势 提高生产率是高速切削发展

15、的目的。在机械制造领域里，零件(产品)、工具(刀具)与机床三者连体，在研讨高速加工技术时，要三位一体地进行系统分析和考察。在当今信息时代，研讨高速加工技术发展，必然要涉及信息技术、自动化技术、经营管理技术及系统工程技术。 信息技术内涵:以计算机技术为基础的各类信息采集与处理技术、网络通信技术及各类数据库的组建与运行技术等。 自动化技术内涵:控制过程的数字化、智能化及信息化。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,经营管理技术:以网络通信技术为基础的企业运行机制与管理模式、产品市场营销理念与技术、对各类信息采集、处理、决策和生产全过程的控制(绿色制造)，以及本企业内外各类有效资源的集成

16、与优化处理等。 系统工程技术内涵:企业与社会之间，产品制造与市场营销、环保、生态平衡之间，各科技领域之间，各类产品之间的配套思维与操作运行等都可具体化为某一系统技术工程。 通过上面对高速切削技术的发展与发展目的的研讨，高速切削加工在制造业发展中被需要的原因也就非常明显了。 为了存续。市场上日益激烈的竞争一直都在不断设定新的标准。对时间和成本效益的要求变得越来越高。这已经迫使人们必须开发新的生产技术，高速切削为此提供了希望和解决途径。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,新材料的出现。新材料和难加工材料的发展更加突出了开辟新加工方法的必要性。航空工业采用自己的专用耐热和不锈钢合金;汽

17、车工业采用的双金属复合材料、密实石墨铁以及用量越来越大的铝材;模具行业主要面临的问题是加工高度淬火的工具钢，从粗加工直到精加工。 质量的提高。对零部件或产品质量提出较高要求是激烈竞争的结果。如果将高速切削加工技术适当应用，则可以在这方面提供解决方案。可以替代手动精加工就是一个实例。特别是对于具有复杂三维几何形状的模具或零部件，这一点尤其如此。 工艺的优化。通过高速切削加工，可以在很大程度上满足这样的需求，即通过减少装夹次数和简化流程而缩短加工时间。在模具行业中一个重要的目标就是通过一次装夹而对完全硬化的小尺寸模具完全加工好。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,通过高速切削加工可减

18、少甚至免除成本高而费时的电火花加工(EDM)过程。 结构快速发展与开发。在当今的竞争中，其中一个主要特点就是利用新颖方面的价值而出售产品。汽车的平均产品使用寿命周期为4年，计算机及其附件为1. 5年，手机为3个月这些结构方面的快速发展以及产品方面的迅速发展其前提之一就是高速切削加工技术。 复杂产品的出现。在零部件方面，多功能表面越来越多。诸如一个新的涡轮叶片结构就既具有新颖的，也具有优化的功能和特征。在早期的设计中，可以用手或机器人(机械手)进行抛光处理。而采用新型、较复杂结构的涡轮叶片就必须通过机加工进行抛光，并最好是采用高速切削加工方式。还有越来越多需要进行机加工的薄壁零件，如医疗设备、电

19、子元件、国防产品和计算机零件等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,生产设备的发展。切削材料、夹具、机床、控制器等的强劲发展，特别是CAD/CAM以及设备等方面的发展，使得用新生产方法和新技术满足相应要求成为可能。 高速切削加工技术的发展趋势可从以下几个方面分析: 零件毛坯制造技术。快速成形技术的实用化，将进一步提升目前的精铸、精锻及其他成形制造技术，使其几何尺寸精度能满足无切屑加工的要求，其材料的选择将适应绿色制造工程的技术要求，零件材料的可加工性能也将适应高速切削的技术要求。 刀具技术。制造业中将普遍应用高速(超高速)干式切削技术。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工

20、技术,机床技术。随着数控系统、关键功能部件、网络通信技术的进步与完善，企业将促使多轴联动、多面高速加工中心以及车、铣功能为一体的复合加工中心技术达到实用化;相应地各类专用高效率数控加工机床将更加广泛地应用于激光技术与机械成形加工和切割加工领域中;机床数控系统的功能将实现网络化通信与生产，并进一步提升数控机床的利用率 自动生产线。由各类高速加工中心组成，大力发展柔性、敏捷制造工程技术 测量技术。随着高速加工系统工程技术的广泛应用，数字化CCD,激光图形处理测量技术和随机在线高速测量技术将广泛应用于柔性数控生产线及数控专用高效率加工机床上。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,网络技术

21、。在不断进步的计算机技术支持下，大力发展宽带网及网络安全技术，构建网络数控用于车间生产 2.高速切削的应用 高速切削加工的优点主要在于:提高生产效率、提高加工精度及降低切削阻力。它适合的加工材料有铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢、石墨、石英玻璃等，广泛应用于模具、航空航天、汽车、电子、船舶、兵器和其他精密机械制造业等领域。高速加工技术对模具加工工艺也产生了巨大影响，改变了传统模具加工采用的“退火、铣削加工、热处理、磨削”或“电火花加工、手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程，甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速切削加工技术除可应用于

22、淬硬模具型腔的直接加工(尤其是半精加工和精加工)外，在EDM电极加工、快速样件制造等方面也得到了广泛应用。大量的生产实践表明，应用高速切削技术可节省模具后续加工中约80%的手工研磨时间，节约加工成本近30%，模具表面加工精度可达1 um，刀具切削效率可提高一倍。如图5-10所示为高速加工模具的图样，如图5-11所示为代替EDM加工高表面质量模具的图样。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.5 高速切削机床 高速切削技术的日益成熟和应用，使金属切削速度实现了一次大的飞跃，机床技术也出现了一个质的变化。如果说数控机床的产生是现代机床发展史上的一次革命，那么高速机床的应用则是现代

23、机床工业的第二次革命。高速切削技术和以实现自动化生产为主要目标的数控技术相结合，使机床技术发展到了一个新的高度，对制造技术水平的提高起到了重要作用。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。高速切削机床是高速切削应用的基本条件。高速切削机床主轴和床身要有良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能。具有快速数据处理能力的CNC系统是高速机床的必要保证。根据高速切削机床传动上和结构上的主要特点，应用“零传动”的设计理论，简化机床的传动与结构，提高机床的动态灵敏度、加工精度和工

24、作可靠性。直线电动机高速进给单元则是高速机床进给运动系统实现“零传动”的典型代表。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,如图5-12所示显示了高速机床CNC系统的有关技术。前视技术、大容量内存和ETHERNET通信等技术是高数据处理速度的基础，NURBS曲线插补为复杂曲面提供了短程序段和光滑插补解决方案，数字驱动克服了模拟控制微量的时间滞后问题，高分辨率反馈技术是高精度加工的保障。此外，机床的安全防护、刀库数量、换刀速度、冷却润滑、排屑能力等，也是设计或选购高速机床必须考虑的重要问题。 目前，模具加工对高速切削机床提出了如下要求: 高速响应的机床控制系统; 适合于高速运动的机床结构

25、; 高速下稳定的动态性能; 配套的动平衡。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.6 高速数控车床 高速数控车床(图5-13)较一般车床的加工效率高许多，因此需要相当大的功率覆盖粗加工范围。这就要求必须采用新观念设计机床，以满足高速加工时机床的刚性要求，特别重要的是采用直接驱动和较松的支撑顶尖，以消除巨大的轴向力。 高速数控车床的一个重要问题是卡盘-工件系统在高速旋转中夹紧出现问题的安全保护。高速车削中的一个技术难点是工件的夹紧方法。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.7 高速钻床 高速钻床(图5-14)提高生产率的方法是提高线速度和进给速度以及解决排屑

26、问题，特别是在钻盲孔时。高速钻床一般用于粗加工。在实际应用中，卧式主轴或立式主轴的数控铣床、加工中心和龙门式机床可当作高速钻床使用。但摇臂式和升降台式数控机床用于高速切削时，则显得刚性较差。 为了提高钻削加工效率，高速钻床可以配置自动换刀系统以及很细的过滤器。在模具生产线上，高速钻、铰和攻螺纹是常用的工序。这就要求高速钻削主轴要有足够高的转速，切削速度要大于100 m/min;稳定性要好，特别是动刚度要高;进给速度要达到10 m/min，加速度要达到1. 5 g。快速攻螺纹还要求快速反转、定位和速度控制。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.8 高速车铣床 高速车铣床(图5

27、-15)是集车、铣功能于一体的机床，或者说是在车床上加高速铣头而形成的具有车、铣功能的机床，这使机床具有更大的加工范围。这种机床可以是车削为主，也可以是铣削为主。机床相关零部件的旋转进给运动，适合于加工对称旋转体的零件，可以满足一些特殊零件的高精度加工要求，特别是装在床身上的高速铣头，不仅可以高速切削，提高加工效率，而且可以进行高速精加工，获得非常好的加工精度和表面质量。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.9 高速加工中心 1.高速加工中心的发展与特点 加工中、自的高速化是为了满足模具开发的需要。加工中心不仅主轴转速高，同时也需要进给速度和加速度高，它用于加工高精度和大切

28、削量零部件，因此“三高”高速度、高精度、高刚度就成为对现代高速加工中心的基本要求。下面分析高速加工中心的发展与特点。 (1)高速主轴系统 高速主轴是高速加工中心最关键的部件之一。目前主轴转速在20 00040 000 r/min的加工中心已越来越普及，一些欧洲的高速加工中心的主轴转速已经达到60 000 r/min，转速高达100 000 r/min以上的超高速主轴也正在研制开发中。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速加工中心的转速、功率、动态平衡、刚性、锥度孔型及热变形特性等，对高速加工中心的刚性和热稳定性都有相当程度的影响。这样就要求高速加工中心主轴和电动机合二为一，制成

29、电主轴，实现无中间环节的直接传动，以减少传动部件，使其具有更高的可靠性。 主轴轴承也是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加工，高速加工中心的主轴设计采用了先进的主轴轴承润滑、散热技术。目前高速主轴主要采用三种特殊轴承:陶瓷轴承、磁力轴承和空气轴承。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要的作用，高速主轴一般采用油空气润滑或喷油润滑。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,同时提高切削进给速度是提升加工效率所必须的。目前高速加工中心的切削进给速度一般为2040 m/min，有的直线电动机驱动X, Y轴的立式加工中心超高速定位速度达140 m/min，有的高速加工中心进给速度

30、高达208 m/min。要实现并准确控制这样高的进给速度，对高速加工中心导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等都提出了新的要求。直线电动机的成熟应用使高速加工中心在效率、精度和实用性方面翻开了新的一页。直线电动机为非接触的直接驱动方式，移动部件少，无扭曲变形问题，采用这种技术，机床制造达到了传统滚珠丝杆所无法达到的水平。直线电动机具有高加速度和减速特性，加速度可达2 g,为传统驱动装置的1020倍，进给速度为传统驱动装置的45倍。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,(2)高速CNC系统 高速加工中心要求CNC系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证在高速切削时(特别是45

31、轴坐标联动加工复杂曲面时)仍具有良好的加工性能。高速加工中心须选择传输速度快，CPU运算速度快，预读单节及NURBS功能等适当的CNC控制器，才能发挥高速切削加工的效能。OPEN架构及PC -Based也是发展的一个新潮流。结合PC在通信及网络上的发展，建立参数资料库系统、CAD/CAM整合模拟系统及标准化电控模组，也是未来发展的新趋势。CNC系统的数据处理能力有两个重要指标:一是单个程序段处理时间，为了适应高速，要求单个程序段处理时间要短，为此需使用32位CPU和64位CPU，并采用多处理器;,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,二是插补精度，为了确保高速下的插补精度，要有前馈和

32、大数日超前程序段处理功能，此外，还可采用NURBS(非线性B样条)插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。高速切削加工中CNC系统的功能特征包括:加减预插补;前馈控制;精确矢量补偿;最佳拐角减速度。 (3)高速切削刀具 已发展的刀具材料主要有聚晶金刚石(PCD),聚晶立方氮化硼(PCBN)、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具等，都能适应铝合金、铸铁、钢和耐热合金的高速切削，其切削水平如下:铝合金25005 000 m/min(w(Si) 12%时为5001 500 m/min)，铸铁5001 500 m/min，钢3001 000 m/min，淬硬钢、耐热合金100400 m/min，铁合

33、金90200 m/min。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,有关研究机构正在开发新的刀具材料，向更高的切削速度发展。 要对刀具结构进行动平衡，特别是对刀柄外伸较长的刀具必须进行动平衡，以防止因高速而引起离心力，使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀柄或刀片发生断裂，给高速加工中心和操作者带来危险。 刀柄系统的选择也会影响自动换刀的重复精度和刀具切削刚性。目前刀柄系统一般选择7: 24锥度的单面夹紧刀柄系统，ISO , CAT , DIN , BT等都属此类，两面定位刀具系统有HSK、KM、NC5、BIG-PLUS、WSU、ABSC等。 (4)高速加工中心温控系统,下一页,返回,上一页,

34、5.1 高速切削加工技术,高速加工中心的热特性是指高速加工中心结构在其内部热源和外部热源的作用下，产生结构变形和对加工精度产生影响，为了改善高速加工中心的热特性，一般采用温控循环水(或其他介质)来冷却主轴电动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。此外，还可采用低膨胀系数的铸铁来作高速加工中心的主轴箱体，以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。 (5)其他 为了使高速加工中心正常运行和发挥效能，高速加工中心总体结构上还要设置刀库及换刀装置、冷却系统、温控系统、安全防护与实时监控系统、刀具破损监控、刀具长度及直径的激光检测装置、光栅尺测量系统和排屑装置等

35、。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,2.高速加工中心的技术特征 加工中心的切削速度主要取决于机床主轴的转速和刀具的直径。提供高旋转速度的主轴部件，高移动速度的进给系统以及相关的元部件和技术就构成了高速加工中心的基本技术体系。高速加工中心的技术特征可以从两方面描述:一是高速切削的技术指标;二是实现高速切削的机床结构特征。 从高速切削的技术指标来看，高速加工中心必须具备高主轴转速和高进给速度以及变加速度等特征。 从机床的结构方面来看，高速加工中心必须具有提供高旋转速度的主轴单元部件(目前高主轴转速主要由电主轴实现)、提供高移动速度进给的伺服和控制系统以及适合于高速运动的机床主体结构

36、等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,3.高速加工中心类型 (1)立式高速加工中心 它的特点是刀具主轴垂直设置，其传统的布局方式是工作台作水平X,Y方向运动，主轴箱在立柱上作竖直Z方向运动，刀库可以装置在立柱的一侧。立式加工中心高速化后，一方面由电主轴代替原来的主轴系统，另一方面改变了机床的进给运动分配方案，由工作台运动变成刀具主轴(立柱)作进给运动，工作台固定不动，如图5-16所示主要原因是:一方面工作台本身质量比较大，不易实现高速移动;另一方面工作台上的被加工工件的质量是一个不确定值，不易控制。在这种情况下，为了减轻运动部件的质量，刀库和换刀装置(ATC)不宜再装在立柱的侧

37、面，而应固定安装在工作台的一侧，由立柱快速移动至换刀位置进行换刀。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,(2)卧式高速加工中心 卧式高速加工中心指主轴轴线水平设置的加工中心。它与立式加工中心相比，具有结构复杂、占地面积大、质量大、价格较高的特点。卧式高速加工中心在满足高速运动的同时，机床还要采用高刚度和高抗振动的床身结构，如图5-17所示。 (3)龙门式高速加工中心 龙门式高速加工中心通常用来加工尺寸比较大的工件，如图5-18所示。为了实现龙门式加工中心的高速和高加速运动，机床结构和运动分配也要进行一些改变，如改工作台进给为横梁运动。由于龙门式结构比立柱式结构更容易实现高速运动且结

38、构简单，因而一些小型加工中心也做成龙门式结构。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,(4) 5轴联动高速加工中心 多轴加工机床是指除X, Y,Z三个直线运动坐标外，还具有旋转进给运动的数控机床5轴联动高速加工中心(图5-19)的工作台和铣头可用多轴联动来实现连续回转高速进给，进行曲面加工，特别适合于加工具有复杂型腔曲面的模具类零件，在模具制造、航空、航天、汽车和造船等生产领域具有非常重要的用途。5轴联动高速加工中心一般有两种典型的结构:一种是两个旋转轴安装在加工中心工作台上，由工作台带动工件回转进给，完成多轴或多面加工。另一种是两个旋转轴的转动进给都由主轴系统实现，即主轴头具有B轴

39、和A轴(或C轴)的回转摆动，实现旋转坐标的切削进给，工作台和工件则固定不动。从实现高速移动和高加减速的控制方面考虑，显然这种结构具有较大的优势，但其开发难度也就更大。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,4.高速加工中心对床身和工作台的要求 由于高速切削，因而产生振动的可能性增加，这对加工中心床身和工作台提出了更高的要求。为了适应高速切削加工的要求，床身和工作台必须具备: 高的动、静刚度和抗振性; 好的精度保持性; 更好的抗热变形能力。 同时为了达到以上要求，可以通过改进基础件结构、改进材料，采用有限元方法分析机床的刚性，优化结构设计等来改进床身和工作台。,下一页,返回,上一页,5

40、.1 高速切削加工技术,5.自动换刀装置 自动换刀装置(ATC)作为高速加工中心的重要部件，从一个侧面决定了机床的效率为了缩短换刀时间，国内外都在研究快速自动换刀技术。快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑机床各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的装置和技术方法。快速自动换刀技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速机床结构特点等多方面的问题。应用中通常采用双主轴换刀、多主轴换刀、刀库布置在主轴周围的转塔方式和多机械手方式等方法来提高换刀速度。 目前，衡量换刀速度的方法主要有三种:,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,刀对刀换刀时间(tool-to

41、-tool)。是指换刀装置把更换的刀具从主轴开始拔下到将下一工步需要的刀具完全插入主轴所需的时间。 切削对切削换刀时间(cut-to-cut)。是指刀具主轴从参考位置移向换刀位置，换完刀后再回到参考位置所需的时间。 切屑对切屑换刀时间(chip-to-chip)。是指刀具主轴从参考位置移向换刀位置，换完刀后再回到参考位置的过程中主轴启动并达到最高转速所需的时间。 其中，切屑对切屑换刀时间是衡量加工中心效率高低的最直接指标;而刀对刀换刀时间则是主要反映自动换刀装置本身性能的好坏，更适合作为机床的性能指标。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.10 高速磨削 高速切削技术中的另

42、一个重要分支是高速磨削技术和高速磨床(图5-20)，高速磨削和高速切削的机理有不同之处，高速磨床和其他金属切削机床在结构上也有很大不同。我国高速磨削起步较晚，1974年第一汽车厂、第一砂轮厂、瓦房店轴承厂、华中工学院、郑州三磨所等先后进行了5060 m/s的磨削试验;湖南大学进行了6080 m/s的高速磨削试验。1975年10月，南阳机床厂试制成功了MS132型80 m/s高速外圆磨床。1976年，上海机床厂、上海砂轮厂、郑州三磨所、华中工学院、上海交通大学、广州机床研究所、武汉材料保护研究所等组成高速磨削试验小组，对80 m/s和100 m/s高速磨削工艺进行了试验研究。,下一页,返回,上一

43、页,5.1 高速切削加工技术,与此同时，上海机床厂设计制造了MBSA1332型80 m/s半自动高速外圆磨床，磨削效率达到了车削和铣削的生产率。1977年，湖南大学在实验室成功地进行了100 m/s和120 m/s高速磨削试验。在2000年中国数控机床展览会(CCMT 2000)上，湖南大学推出了最高线速度达120 m/s的数控凸轮轴磨床。1976年，东北大学与阜新第一机床厂合作，研制成功F1101型60 m/s高速半自动活塞专用外圆磨床。到20世纪80年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验研究。以东北大学为主开发的YLM-1型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度达到了80 m/s,磨削压力在

44、2 5005 000 N以上。90年代，东北大学开始了超高速磨削技术的研究，并首先研制成功了我国第一台圆周速度为200 m/ s ,额定功率为55 kW的超高速试验磨床，最高速度达250 m/s 。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速磨削通常指砂轮速度大于100 m/s的磨削。高速磨削可以对硬脆材料实现延性域磨削加工，对高塑性等难磨材料也有良好的磨削表现。与普通磨削相比，高速磨削显示出极大的优越性: 大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数; 磨削力小，零件加工精度高; 降低加工工件表面粗糙度; 砂轮寿命延长 高速磨削的关键技术主要涉及以下几个方面。,下一页,返回,上一页,5.1

45、 高速切削加工技术,1.高速主轴系统 提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，因而，为实现高速切削，砂轮驱动和轴承转速往往要求很高。主轴的高速化要求足够的刚度、回转精度高、热稳定性好、可靠、功耗低、寿命长等。为减少由于切削速度的提高而增加的动态力，要求砂轮主轴及主轴电动机系统运行极其精确，且振动极小。目前，国外生产的超高速机床，大量地采用了电主轴 主轴轴承可采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、空气静压轴承或液体动静压轴承等。陶瓷滚动轴承具有质量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温、高温时尺寸稳定、耐腐蚀、寿命高、弹性模量高等优点。其缺点是制造难度大，成本高，对拉伸应力和缺口应力较敏感。,下一页,返回,上一

46、页,5.1 高速切削加工技术,磁浮轴承的最高表面速度可达200 m/s，可能成为未来超高速主轴轴承的一种选择。目前磁浮轴承存在的主要问题是刚度与负荷容量低，所用磁铁与回转体的尺寸相比过大，价格昂贵。空气静压轴承具有回转度高，没有振动，摩擦阻力小，经久耐用，可以高速回转等特点。用于高速、轻载和超精密的场合。液体动静压轴承，无负载时动力损失太大，主要用于低速重载主轴。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,2.高速进给系统 高速切削加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度。 直线电动机取消了中间传动环节，实现了所谓的“零传动”。进给速度可

47、达60 200 m/min,加速度可达10100 m/s2，定位精度高达0. 50. 05um，甚至更高，且推力大，刚度高，动态响应快，行程长度不受限制。主要问题是发热较严重，对其磁场周围的灰尘和切屑有吸附作用，价格较高。德国西门子公司生产的直线电动机，最大进给速度可达200 m/min。日本研制的高效平面磨床，工作台进给采用直线电动机，最高速度为60 m/min,最大加速度为10 m/s2。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,3.高速磨削砂轮 高速磨削砂轮必须具备以下基本要求: 高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性等特点，

48、通常由高机械性能的基体和薄层的磨粒组成; 砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的磨削力; 磨粒突出高度要大，以便能容纳大量的长切屑; 结合剂具有很高的耐磨性，以减少砂轮的磨损; 高速磨削时要安全可靠。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用，并根据应用场合进行优化。砂轮基体应避免残余应力，在运行过程中的伸长应最小。通过计算砂轮的切向应力和法向应力，可发现最大应力发生在砂轮基体内径的切线方向，这个应力不应超出砂轮基体材料的强度极限。大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢。 此外，还要充分考虑砂轮与主轴连接的可靠性。主轴高速旋转时，由于离心

49、力的作用，砂轮与主轴的锥连接处产生不均匀的膨胀，连接刚度下降。 4.高速磨床结构 高速磨床除具有普通磨床的一般功能外，还须具有高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性等结构特征。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.磨削液及注入系统 磨削表面质量、工件精度和砂轮的磨损在很大程度上受磨削热的影响，而磨削液起到了不可取代的作用。磨削液分为两大类:油基磨削液和水基磨削液(包括乳化液)。油基磨削液的润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好。 油基磨削液良好的润滑作用，可以有效地减小切屑、工件、磨粒切削刃和砂轮结合剂之间的摩擦，从而减少磨削热的产生和砂轮的磨损，提高工件表面的完整性。但

50、油基磨削液在工作时会产生油雾，严重污染环境，易引起冒烟和起火，因此不安全，且能源浪费严重。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,由于水基磨削液冷却效果好，防火性好，对环境的污染问题易于解决等，因此含有各种表面活性剂、油性剂、极压添加剂、缓蚀剂和防腐杀菌剂等性能优越的水基磨削液，是近年来重要的发展方向。除了通常的磨削液外，也可辅以气态或固态磨削剂。 高速磨削时，气流屏障阻碍磨削液有效地进入磨削区，还可能存在薄膜沸腾的影响。因此，采用恰当的注入方法，增加磨削液进入磨削区的有效部分，提高冷却和润滑效果，对于改善工件质量，减少砂轮磨损，极其重要。常用的磨削液注入方法有:手工供液法和浇注法;

51、高压喷射法;空气挡板辅助截断气流法;砂轮内冷却法;利用开槽砂轮法等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.11 选择高速切削机床的注意事项 由于一些用户信息不灵、理论滞后、决策不科学，导致在选择高速机床的过程中存在一些盲目性，使设备因使用不当而出现不能充分发挥高速机床作用的情况相当严重和普遍。为了科学选择，提高设备利用率，特提出以下注意事项。 1.机床性能的选择 高速加工中心、高速铣床可分为HSM型和HVM型，其价格相差很大，前者低，后者高。一般模具、飞机零件的加工，可采用HSM型，不必对进给速度、加速度要求过高，以便降低投资成本。对主轴转速的选择，最好要供货商提供几种切削

52、用量、效率及刀具选择方案，再做性价比分析，然后再进行决策。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,此外，对高速机床还应特别注意其安全防护装置。 2.电主轴的选择 电主轴主要从性能、精度、寿命三点进行考虑。 性能。选用电主轴最重要是选定其最高转速、额定功率、转矩及其与转速的关系。根据切削规范计算所需的转速、转矩和功率 精度。要求主轴回转精度不低于主轴轴承精度。 寿命。要求电主轴的寿命不低于5 00010 000 h。 3.精度储备 不能完全以实测精度为准，通常需要有约50%的精度储备。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,4.价格考虑 随着数控机床产业化的实现，以及世界范围

53、数控设备的逐步降价，机床价格已越来越低，但机床并不是越便宜越好，还要注意性价比，防止“低价陷阱”。 5.选择厂商及品牌 要选择三家以上厂商，即“货比三家”，对产品性能、特点、精度、主要规格和价格进行全面调研和分析比较。同时可以发挥中介组织的作用，利用互联网公开招标。 6.选择定位精度标准 国际上流行四种定位精度标准:ISO国际)、JIS(日本)、ASME(美国), VDI(德国)。此外，还有GB(中国)、BS(英国)标准。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.12 高速切削刀具与刀柄 高速切削刀具技术是高速切削的一个关键技术，它包括高速切削刀具材料、刀柄系统、刀具系统动平衡

54、技术、刀具监测技术等。由于高速切削的高转速和快进给等特点，除了良好的耐磨性，高强度和韧性的先进刀具材料，优良的刀具涂层技术，合理的几何结构参数和高同心度的切削刀精度质量等要求外，还需特别注意其他因素对刀具寿命的影响。同时，正确选用与高速运转的主轴相配合的刀柄也是关键因素之一。如果机床主轴的高速运转没有合适的刀具、刀柄相配合，则会损坏机床主轴的精密轴承，降低机床寿命。因此，学习和掌握高速切削刀具与刀柄知识也是非常重要的。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,所谓刀具系统是指由刀柄、夹头和切削刀具所组成的完整的刀具体系，刀柄与机床主轴相连，切削刀具通过夹头装入刀柄之中。要使刀具系统能在

55、高速下进行切削加工，它就必须要具有较高的系统精度，包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度。前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度，后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。系统刚度，刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1. 13 高速切削对刀具的要求 高速切削机床、高速刀具系统和高速切削工艺是高速切削的三项主要技术，特别是随着新材料、新工艺的出现，大大地促进了刀具技术的发展，这又有力地促进了高速切削技术的发展和应用。 1.高速切削对刀具材料

56、的要求 高速切削对刀具材料较普通切削有更高的要求，主要是: 高硬度、高强度和耐磨性; 具有优良力学性能，韧度高、抗冲击能力强; 高的热硬性和化学稳定性; 刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小; 抗热冲击能力强等。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,2.高速切削对刀体的要求 对于高速切削使用的刀柄和刀具夹头的要求是: 夹紧精度高; 传递转矩大; 结构对称性好，有利于刀具的动平衡; 外形尺寸小，但应适当加大刀具的悬伸量，以扩大加工范围。 3.高速切削对刀具结构和几何参数的要求 正确选择刀具结构、切削刃的几何参数以及刀具的断屑方式等对高速切削的效率、表面质量、刀具寿命以及切削热量的产生

57、等都有很大影响，因此要选择合适的刀具几何角度。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,合适的刀具后角和合理的进给速度，能产生足够大的切屑厚度，以便带走热量，避免切削硬化。 切削刃前角是影响刀具切削载荷的重要参数，应合理选择 切削载荷与刀具每切刃的进给量有关。对于多片镶嵌刀具，切削载荷作用在每一个刀片上;对于实体刀具，切削载荷作用在每个齿上。因此，进给量应该在一个合理的数值范围内进行选择 4.高速切削对刀具系统的其他要求 在高速切削刀具的实际应用中，除了正确选择刀具材料和切削参数外，还要考虑和刀具有关的其他问题，主要有: 提高切削刚度; 考虑刀具承受的离心力;,下一页,返回,上一页,5

58、.1 高速切削加工技术,刀具系统与机床有牢靠的连接和可靠的预警功能; 需要增加特殊的安全设施。 5.高速切削刀具选择的基本原则 为了充分发挥高速切削加工的特点，刀具选择是极为重要的。一般高速切削刀具选择的原则为: 选用专用的适合高速加工的镶嵌式刀具，无论在粗加工、半精加工和精加工中均应如此; 选择结实、刚性好的刀具结构，例如硬质合金刀具; 选择大一点的刀柄和锥柄，特别是小直径刀具更应如此; 尽可能选择短粗的刀具，避免过长悬伸;,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,采用平衡刀具和刀柄，至少应该给出刀具的平衡量参数; 刀体应该设计得有尽可能大的容屑量; 刀具中心最好制成带孔结构，以便于

59、吹气和冷却; 必须要有高精度刀片座和可靠的固定; 镶嵌刀片的基片应该有最大的刚性和良好的耐磨损性能; 强化切削刃连接，以保证安全; 尽可能选择短切削刃，以减少振动; 选用耐用隔热镀层，以提高耐磨性; 不要超过允许的最大切削速度; 采用实体稳定的刀具主轴连接界面，避免发生振动。,下一页,返回,上一页,5.1 高速切削加工技术,5.1.14 高速切削刀具 刀具是高速切削加工中最活跃最重要的因素之一，直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速切削加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐磨性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速切削加工的关键因素。高速切削加工时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件，才能获得最佳的