1、Page 1,2020年8月2日,先進(jìn)制造工藝技術(shù),超高速加工技術(shù),邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系,Page 2,2020年8月2日,概述 超高速加工技術(shù)的機(jī)理及特征 超高速加工技術(shù)的應(yīng)用 超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),超高速加工技術(shù),Page 3,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的歷史背景 20世紀(jì)50年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明的數(shù)控技術(shù)被稱為現(xiàn)代制造技術(shù)的開端 80年代 ，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控化率已高達(dá)7080。隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心和柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用，使機(jī)械加工的輔助工時(shí)大大縮短。在這種情況下，輔助工時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中占的比重已經(jīng)較小，所以不能通過(guò)一味的減小輔助工時(shí)來(lái)提高生產(chǎn)率。而切削工時(shí)占了總工時(shí)的主

2、要部分，成為主要矛盾，只有大幅減少切削工時(shí)，提高切削速度和進(jìn)給速度等，才能大幅提高生產(chǎn)率。,概述,Page 4,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的歷史背景 圖 不同年代切削加工的制造時(shí)間及費(fèi)用的變化圖,概述,Page 5,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的歷史背景 1995年，米蘭國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)以來(lái)，高速化是每次國(guó)際性機(jī)床博覽會(huì)一個(gè)突出的主題。超高速加工已經(jīng)成為20世紀(jì)末國(guó)際機(jī)械制造業(yè)最熱門的話題。 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的第一個(gè)里程碑，那么超高速加工技術(shù)就是第二個(gè) 高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自動(dòng)化加工成了當(dāng)今四大先進(jìn)加工技術(shù),概述,Page 6,2020年8月2日,超高

3、速加工技術(shù)的內(nèi)涵和范圍 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化、高柔性的制造設(shè)備，以極大地提高切削速度來(lái)達(dá)到提高切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。,概述,Page 7,2020年8月2日,內(nèi)涵,高速切削是一個(gè)相對(duì)概念，是相對(duì)常規(guī)切削而言，用較高的切削速度對(duì)工件進(jìn)行切削。一般認(rèn)為應(yīng)是常規(guī)切削速度的510倍。 高速切削的速度范圍與加工方法和工件材料密切相關(guān)。,HSCHigh-Speed-Cutting HSMHigh-Speed-Machining,概述,Page 8,2020年8月2日,范圍,高速范圍與加工材料密切相關(guān),來(lái)源：PTW,概述,Pa

4、ge 9,2020年8月2日,范圍,高速范圍與加工方法密切相關(guān),車削：7007000m/min； 銑削：3006000m/min； 鉆削：2001100m/min； 磨削：150m/s以上。,例如：在切削灰鑄鐵時(shí)，1000 m/min 以上才是高速車削，而 400 m/min 就定義為高速鉆削。,概述,Page 10,2020年8月2日,目前定位的超高速切削的指標(biāo)： 保證加工精度和加工質(zhì)量的前提下，將通常切削速度加工的加工時(shí)間減少90，同時(shí)將加工費(fèi)用減少50,概述,Page 11,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀切削 1976年美國(guó)首次推出有級(jí)超高速銑床，最高轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/m

5、in，功率15kw。此后，法國(guó)、德國(guó)也開始了超高速加工技術(shù)的研究。 20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)。 目前，日本在超高速機(jī)床的研究和開發(fā)領(lǐng)域已躍居世界領(lǐng)先地位，法國(guó)、瑞士、英國(guó)、意大利、澳大利亞等國(guó)也做了大量的工作。,超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),Page 12,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀切削 我國(guó)在超高速加工的關(guān)鍵領(lǐng)域也做了一定的研究，但與國(guó)外相比，有較大的差距。 主軸轉(zhuǎn)速在20000r以下，快速進(jìn)給速度在30m以下；而國(guó)外，采用滾珠絲杠的進(jìn)給系統(tǒng)，快速進(jìn)給速度達(dá)到4060m，采用直線電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)中 ，快速進(jìn)給可達(dá)160m。,超高速加工技術(shù)的

6、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),Page 13,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀磨削 超高速磨削的研究開始是在50、60年代，在80年代興起。在超高速磨削技術(shù)方面，德國(guó)領(lǐng)先，日本后來(lái)巨上，美國(guó)則在奮起直追。 目前發(fā)達(dá)國(guó)家，工業(yè)上應(yīng)用磨削速度已達(dá)到150250m/s,實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到400/s。 我國(guó)在這一領(lǐng)域與國(guó)外差距巨大，工業(yè)上應(yīng)用的磨削速度還未達(dá)到100m/s，實(shí)驗(yàn)室中才為250m/s。,超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),Page 14,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 超高速加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)符合加工中心或柔性制造技術(shù)的發(fā)展方向，即高效高速化、實(shí)用廉價(jià)化、多功能復(fù)合化，最主要的是高效

7、高速化方向。,超高速加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),Page 15,2020年8月2日,概述 超高速加工技術(shù)的機(jī)理及特征 超高速加工技術(shù)的應(yīng)用 超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),3.2 超高速加工技術(shù),Page 16,2020年8月2日,超高速切削示意圖,20世紀(jì)30年代德國(guó)物理學(xué)家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理論 在切削速度達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí),切削溫度達(dá)到最大值,在這個(gè)臨界值之后的一個(gè)范圍內(nèi),切削速度增加,則切削溫度下降。,超高速加工技術(shù)的機(jī)理,Page 17,2020年8月2日,新型刀具材料,20世紀(jì)80年代以來(lái)，新型刀具材料的發(fā)展為高速切削的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。,超高速加工技術(shù)的機(jī)理,P

8、age 18,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的特征,高單位時(shí)間切除率，降低加工成本 高加工表面質(zhì)量，提高加工精度 低切削力，降低加工系統(tǒng)力變形 高激勵(lì)頻率，避免自激振蕩 切削熱由切屑帶走，減少工件熱變形 減少后續(xù)工序 ，降低加工成本,優(yōu)點(diǎn),Page 19,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的特征,高單位時(shí)間切除率，降低加工成本 進(jìn)給速度隨切削速度的提高也可相應(yīng)的提高510倍，這樣，單位時(shí)間材料的去除率可提高36倍，因而加工時(shí)間可縮減到1/3.,Page 20,2020年8月2日,高速切削的特征,提高單位時(shí)間的切除量，降低產(chǎn)品的制造時(shí)間,（常規(guī)銑削）,（高速銑削）,后續(xù)工作 精加工 半精加工

9、 粗加工 加工準(zhǔn)備 設(shè)計(jì),來(lái)源：BMW,超高速加工技術(shù)的特征,Page 21,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的機(jī)理,高加工表面質(zhì)量，提高加工精度 切削力和切削熱影響小，使刀具和工件的變形小，保持了尺寸的精確性。,Page 22,2020年8月2日,高速切削的特征,提高加工表面質(zhì)量,行距,行距,實(shí)際輪廓,要求輪廓,加工余量,行距,來(lái)源：PTW,超高速加工技術(shù)的特征,Page 23,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的特征,低切削力，降低加工系統(tǒng)力變形 高速切削切削力可降低30,Page 24,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的機(jī)理,切削熱由切屑帶走，減少工件熱變形 加工過(guò)程極為迅速，95以

10、上的切削熱來(lái)不及傳給工件，而被切削迅速帶走，零件不會(huì)因?yàn)闇厣龑?dǎo)致彎翹和膨脹變形,Page 25,2020年8月2日,高速切削的特征,減少傳遞給工件的熱量,切屑和接觸面之間的接觸區(qū)域產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致溫度效應(yīng)并降低工件材料變形的阻力 剪切角增大 切削熱大部分由切屑快速帶走 避免積屑瘤的產(chǎn)生,工件,后刀面,刀具,前刀面,接觸區(qū),高速切削的剪切角,常規(guī)切削的剪切角,超高速加工技術(shù)的特征,Page 26,2020年8月2日,超高速加工技術(shù)的特征,高激勵(lì)頻率，避免自激振蕩 減少后續(xù)工序 ，降低加工成本 因?yàn)槌咚偌庸さ谋砻尜|(zhì)量幾乎可以和磨削相比，可以直接作為最后一道精加工工序,Page 27,2020年8

11、月2日,超高速加工技術(shù)的特征,Page 28,2020年8月2日,概述 超高速加工技術(shù)的機(jī)理及特征 超高速加工技術(shù)的應(yīng)用 超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),3.2 超高速加工技術(shù),Page 29,2020年8月2日,高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域,航空航天工業(yè)輕合金的加工： 模具制造業(yè)： 汽車工業(yè)： 難加工材料的加工（如：Ni基高溫合金和Ti合金） 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工 精密零件加工 薄壁易變形零件的加工,超高速加工技術(shù)的應(yīng)用,Page 30,2020年8月2日,航空航天工業(yè)輕合金的加工：飛機(jī)上的零件通常采用“整體制造法”，其金屬切除量相當(dāng)大（一般在70以上），采用高速切削可以大大縮短切削時(shí)間。,超高速加工技術(shù)的

12、應(yīng)用,高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域,Page 31,2020年8月2日,美國(guó)波音公司的F15戰(zhàn)斗機(jī)兩個(gè)方向舵之間的氣動(dòng)減速板以前需要500多個(gè)零件裝配而成，制造一個(gè)需要交貨期為3個(gè)月；而現(xiàn)在應(yīng)用高速切削技術(shù)直接在實(shí)體鋁合金毛坯上銑削加工出來(lái)交貨期只需要幾天時(shí)間。,超高速加工技術(shù)的應(yīng)用,Page 32,2020年8月2日,高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域,模具制造業(yè)：型腔加工同樣有很大的金屬切除量，過(guò)去一直為電加工所壟斷，其加工效率低。以前為電加工后再進(jìn)行拋光加工。 圖,超高速加工技術(shù)的應(yīng)用,Page 33,2020年8月2日,高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域,汽車工業(yè)：對(duì)技術(shù)變化較快的汽車零件，采用高速加工。（過(guò)去多用組合機(jī)加工，

13、柔性差） 其加工的典型零件：伺服閥、各種泵、電機(jī)的殼體、電機(jī)轉(zhuǎn)子、氣缸體等,超高速加工技術(shù)的應(yīng)用,Page 34,2020年8月2日,高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域,難加工材料的加工（如：Ni基高溫合金和Ti合金） 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工 精密零件加工 薄壁易變形零件的加工,超高速加工技術(shù)的應(yīng)用,Page 35,2020年8月2日,概述 超高速加工技術(shù)的機(jī)理及特征 超高速加工技術(shù)的應(yīng)用 超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),3.2 超高速加工技術(shù),Page 36,2020年8月2日,高速主軸必須裝在結(jié)構(gòu)能適應(yīng)高速切削的機(jī)床上，才能充分發(fā)揮高速切削的眾多優(yōu)點(diǎn)。這就要求高速切削機(jī)床具有很高的進(jìn)給速度，并在很高速下仍有高的定

14、位精度。此外高速進(jìn)給要靠很大的加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以高速切削機(jī)床不僅要有很高的靜剛度，還必須有很高的動(dòng)剛度。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),1.高速切削機(jī)床結(jié)構(gòu),Page 37,2020年8月2日,根據(jù)上述幾點(diǎn)要求，高速切削機(jī)床在90年代基本上從兩個(gè)方向上發(fā)展： 一是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行改進(jìn)。 二是研制完全不同于普通機(jī)床的新型結(jié)構(gòu)機(jī)床。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 38,2020年8月2日,面向高速切削的切削機(jī)床,設(shè)計(jì)特征,高速電機(jī)主軸,直線電機(jī)（Z軸）,混凝土聚合物床身框架,焊接結(jié)構(gòu)橫梁,焊接結(jié)構(gòu)XY工作臺(tái) 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 39,2020年8月

15、2日, 主軸系統(tǒng) 傳統(tǒng)的齒輪變速和皮帶傳送方式已不能適應(yīng)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件 代之以寬調(diào)速交流變頻電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床主軸的變速，即采用無(wú)外殼電機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成“電主軸”。實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)和機(jī)床主軸的一體化。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 40,2020年8月2日,圖 超高速主軸的結(jié)構(gòu),超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 41,2020年8月2日, 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速化 高速切削機(jī)床的滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在90年代初多采用大導(dǎo)程滾珠絲杠傳動(dòng)和增加伺服進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般進(jìn)給速度可達(dá)60m/min左右。 近幾年出現(xiàn)了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于它無(wú)間隙

16、、慣性小、剛度較大而無(wú)磨損，通過(guò)控制電路可實(shí)現(xiàn)高速度和高精度驅(qū)動(dòng)，在1997年進(jìn)給速度已達(dá)120m/min,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 42,2020年8月2日,直線電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，如圖所示,圖 直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 1導(dǎo)軌系統(tǒng) 2籠型繞組 3三相繞組 4直線行程測(cè)量系統(tǒng),超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 43,2020年8月2日,把電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分直接與機(jī)床工作臺(tái)相連，從而消除了一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng),超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 44,2020年8月2日,(3)運(yùn)動(dòng)部件輕量化和伺服進(jìn)給控制精密化 右圖是一臺(tái)高速切割的加工中心，其X、Y、Z三軸的

17、移動(dòng)部件的質(zhì)量均較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為輕，且均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。,圖 高速切削的加工中心結(jié)構(gòu)示意,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 45,2020年8月2日,右圖是美國(guó)Ingersoll公司為英國(guó)British Aerospace公司提供的大型高速型面銑床。床身底面積為33m15m，約有三層樓高，它主要用來(lái)加工大型鋁合金飛機(jī)零件。,圖7-14 大型高速型面銑床 1基座 2、6可移動(dòng)銑頭及滑臺(tái) 3、4頂部輔助支承導(dǎo)軌 5工件安裝和夾壓臺(tái) 7主支承導(dǎo)軌及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 46,2020年8月2日,2.高速切削的刀具系統(tǒng) 高速切削時(shí)的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損，與普通切削相比，高速

18、切削時(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 47,2020年8月2日,由于高速切削時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設(shè)計(jì)刀具時(shí)，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強(qiáng)度、剛度和精度等方面因素。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 48,2020年8月2日, 刀具材料 刀具材料主要以鍍膜的和未鍍膜的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氧化鋁基或氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼為主。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 49,2020年8月2日,刀具

19、的發(fā)展主要集中在如下兩方面：一是研制新的鍍膜材料和鍍膜方法以提高刀具的抗磨損性。 采用適宜的鍍膜可成倍地提高刀具的使用壽命。此外，刀具材料與工件材料相適應(yīng)也是提高刀具壽命的重要因素。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 50,2020年8月2日,另一個(gè)發(fā)展方面是開發(fā)新型的高速切削刀具，特別是那些形狀比較復(fù)雜的刀具。 有的刀具工廠在1997年漢諾威的世界機(jī)床博覽會(huì)上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花鉆。形狀更為復(fù)雜的聚晶金剛石刀具仍在研究中。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 51,2020年8月2日,面向高速切削的切削刀具,特點(diǎn)：“三高一專 ”，即高效率、高精度、高可靠性和專用化,在基體上焊接

20、刀片（材料CBN，PCD）的HSC刀具,以高強(qiáng)度鋁合金做基體的HSC端面銑刀,帶內(nèi)部冷卻的鉆頭,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 52,2020年8月2日,刀柄結(jié)構(gòu) 刀柄結(jié)構(gòu)是高速切削時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵件，主要體現(xiàn)在它傳遞機(jī)床精度和切削力的作用。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 53,2020年8月2日,高速切動(dòng)時(shí)既要保證加工精度，又要保證很高的生產(chǎn)效率，所以高速切削時(shí)刀柄須滿足下列要求： l)很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度； 2)很高的裝夾剛度； 3)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)安全可靠。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 54,2020年8月2日,刀柄與主軸的聯(lián)接在大多數(shù)高速切削機(jī)床上以圖所示的圓錐空心柄（

21、HSK）為主。,圖 HSK型刀柄及其聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu),超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 55,2020年8月2日,它以其端面及1：10錐度的空心錐套作雙重定位，與以往常用的7：24錐柄相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： 1)重量減少約50； 2)重復(fù)使用時(shí)裝夾和定位精度高； 3)剛度高，并可傳送大的轉(zhuǎn)矩； 4)裝夾力隨轉(zhuǎn)速升高而加大。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 56,2020年8月2日,接裝刀具的模塊 常用的錐形夾頭靈活性好，適用于不同的刀具直徑，缺點(diǎn)是可傳遞的扭矩有限且裝夾精度很低。 提高裝夾精度和剛度需采用其他方法，目前常用的有收縮夾頭、液壓膨脹夾頭和力膨脹夾頭。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page

22、57,2020年8月2日,收縮夾頭利用材料熱脹冷縮的原理，把刀具裝人刀柄時(shí)，先用輔助系統(tǒng)把刀柄孔加熱，使之膨脹，待刀具插入刀柄后進(jìn)行冷卻，刀具就被穩(wěn)當(dāng)?shù)貖A持在刀柄內(nèi)。 這種夾頭的優(yōu)點(diǎn)是精度高，剛性大。缺點(diǎn)是操作不便，每次裝夾須對(duì)刀柄進(jìn)行加熱和冷卻，易引起刀柄的熱疲勞和變形。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 58,2020年8月2日,液壓控脹夾頭的原理，在刀柄孔的周圍是一個(gè)液壓腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推動(dòng)油腔頂部的活塞使刀柄孔內(nèi)結(jié)膨脹，從而夾緊刀具。 其優(yōu)點(diǎn)是精度高，剛性大，操作方便。缺點(diǎn)是對(duì)刀具的尺寸公差要求較嚴(yán)，過(guò)松時(shí)，可能達(dá)不到應(yīng)有的夾持力。,超高速加工技術(shù)的相關(guān)技術(shù),Page 59,2020年8月2日,力膨脹夾頭的原理如下圖所示。刀柄的孔呈三棱形，在裝夾刀具時(shí)，先用輔助裝置在三棱孔的三個(gè)頂點(diǎn)施加預(yù)先調(diào)整好的力，使刀柄孔變形成圓，然后把刀具插入刀柄，再除去變形外力，刀柄孔彈性回復(fù)，刀具就被夾持在孔內(nèi)。 這種夾頭的