1、高速與超高速加工技術(4h),高速加工技術作為21世紀影響深遠的先進制造技術之一，其應用與發(fā)展已有10多年的歷史，一般凡切削速度、進給速度高于常規(guī)值5一10倍以上，稱為高速加工。由于高速加工的高切削速度和高進給速度使切削效率高于傳統(tǒng)加工5-10倍，且高速加工的切削機理較傳統(tǒng)加工更具有優(yōu)越性，使高速加工技術在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)及模具工業(yè)中得到廣泛應用。,1、切削用量 三要素,切削速度 進給量(或進給速度) f mm/r、mm/行程、mm/s、mm/齒 背吃刀量（切削深度） aP,4.0 切削理論回顧,切削速度vc 切削速度vc是刀刃上選定點相對于工件的主運動的速度。 當主運動是回

2、轉運動時 d完成主運動的刀具或工件上某一點的回轉直徑(mm)； n主運動的轉速(rmin或rs)。,進給速度 進給量f 每齒進給量 進給速度是刀刃上選定點相對于工件的進給運動的速度，單位為mms ；進給量f是工件或刀具的主運動每轉或每一行程時，工件和刀具在進給運動方向上的相對位移量。 背吃刀量（切削深度）,主要內(nèi)容提綱,1. 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢; 2. 優(yōu)越性及其原因; 3. 機床結構與關鍵技術; 4. 刀具材料與結構; 5. 高速磨削技術.,2、影響切削力的因素,影響切削力的因素主要有四個方面： 工件材料、 切削用量、 刀具幾何參數(shù) 其它方面的因素 刀具磨損 切削液 刀具材料,3、 切削熱和

3、切削溫度,影響工件加工精度、已加工表面的質量、刀具的磨損和耐用度及生產(chǎn)率等。 1 切削熱的產(chǎn)生和傳出 2 影響切削溫度的主要因素 3 切削溫度的理論計算 4 切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響,4、切削熱的產(chǎn)生和傳出,切削中所消耗的能量幾乎全部轉換為熱量，即切削熱. 來自工件材料的彈、塑性變形和前、后刀面的摩擦功.,5086,4010,周圍介質占1,93,切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響,對工件材料機械性能的影響 切削溫度對工件材料強度、硬度的影響不大。 對刀具磨損和刀具材料的影響 是刀具磨損的主要原因，它將使刀具磨損加劇，刀具耐用度下降。但較高的切削溫度，對硬質合金刀具材料的韌性有利。

4、 對加工件尺寸精度的影響 工件本身和刀桿受熱膨脹會使工件尺寸精度達不到要求，還會影響已加工表面質量。,5、影響切削溫度的主要因素,切削溫度一般是指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。 實驗公式,實驗測出的刀屑接觸區(qū)的平均溫度()， C切削溫度系數(shù)；,切削用量,切削速度Vc一倍切削溫度30%45% 進給量f一倍切削溫度15%20% 背吃刀量aP一倍切削溫度5%8%,影響切削溫度的因素,刀具磨損:磨損F切削溫度 切削液可降低切削溫度。,4.1 基礎理論研究,（一）問題描述：,4.2 技術內(nèi)涵,目前關于高速加工的經(jīng)濟效益定位指標是：在保證家伙精度和加工質量的前提下，將通常切削速度加工的加工時間減少90%

5、，同時將加工費用減少50%！,4.3 高速加工機床與設備,高速主軸單元,磁懸浮軸承,直線電機進給機構,4.4 高速加工刀具,影響切削加工質量的因素有那些?原因是什么?,高速加工技術具有的共性,4.5 與傳統(tǒng)加工方法相比之優(yōu)勢,長期以來 ，傳統(tǒng)的加工方式是“重藍切屑”加工方式，它的特點是切屑深度大，進給速度和旋轉速度較低，在低速范圍內(nèi)需較大的扭矩，根據(jù)標準直流電機最大速度和扭矩關系，需要較大的齒輪傳動速比。這種加工方式不可避免地給工件和機床帶來較大的力負荷和熱負荷。 HSC技 術 是“快、輕切削”方式，切削深度較小，但是切削速度卻可以提高5-10倍。這意味著在主軸軸承、刀具和工件上的切削力負荷較

6、小，同時因為產(chǎn)生的熱量大部分被切屑帶走，工件和刀具上的熱負荷較小。 試驗可以證明，隨著切削速度的提高，切削過程中產(chǎn)生的熱負荷減少，這樣可以延長刀具壽命，并能獲得較好的表面加工質量(在加工表面沒有“微焊接效應”)。,傳統(tǒng) 加 工 中工件材料、刀具材料及刀具的幾何角度、切削用量及零件的幾何結構是影響切削效率和加工質量的主要因素?？紤]到切削力、切削變形和刀具磨損對加工的影響，在粗加工時采用大吃刀量和大進給量以提高加工效率，而在精加工時則采用小吃刀量和小進給量以保證表面加工精度，因而在加工大型薄壁零件、難加工材料及幾何結構復雜零件時其加工工藝復雜，加工時間長。 在常 規(guī) 切 削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨切

7、削速度的增大提高，刀具磨損隨切削溫度的提高而加劇，當切削速度達到某臨界值時，切削溫度及切削力會減小。切削溫度的降低、切削力的大幅度下降及切削變形的減小，不僅使現(xiàn)有刀具進行超高速切削變?yōu)楝F(xiàn)實，還大幅度減少切削時間，成倍提高機床的生產(chǎn)率。 和傳統(tǒng)加工相比，高速加工有其獨特優(yōu)勢:,加工時間大幅度縮短:產(chǎn)品加工中耗時最多的工序是精加工。對精加工，高速加工比一般加工快4倍以上，普通數(shù)控機床精加工時一般進給速度在3一6 m/min，而高速機床一般在巧一60m/min，是常規(guī)的5一10倍;對粗加工，高速加工采取非常小的切深，但時間范圍內(nèi)的切削量還是比普通數(shù)控機床加工快幾倍。這意味著1臺用于高速加工的高速機床

8、可代替幾臺普通CNC機床。 (2)減少切削振動。切削加工中振動是影響加工精度因素之一，振動會惡化表面粗糙度，加速刀具磨損，縮短機床壽命。高速加工時切削力減小，而切削力是切削系統(tǒng)振動的主要激勵源，高轉速使切削系統(tǒng)的激振頻率遠離機床固有頻率，切削穩(wěn)定，振動小，加工表面質量高。 (3 )切 削 溫度及切削力的減小，使高速切削可加工45-65HRC硬度高的工件材料及難加工材料，同時可采用干式切削，避免使用切削液，有利保護環(huán)境、降低成本。,(4) 切 削 力的減少，尤其是徑向切削力大幅度降低，夾緊力相應減小，從而零件的內(nèi)應力及變形小;加工時切削溫度的降低也減小熱變形，所以特別有利于薄壁細筋件的加工。 (

9、5 )高 速 加工切削力的減小，對刀具的剛性要求不高，故高速加工可采用小直徑刀具、小切深、小切寬和快速多次走刀來提高效率，而傳統(tǒng)的加工一般采用大直徑刀具、大切深、大切寬。 (6) 高 速 加工明顯縮短加工時間，可縮短交貨期。同樣的生產(chǎn)量，機床的配置數(shù)減少，則節(jié)約投資成本，同時還減少車間占地面積，減少工人數(shù)量。,高速加工技術得以應用的主要原因是這一技術自身具有很多優(yōu)點，高速加工的應用場合主要包括：模具業(yè)制造，飛機制造工業(yè)，光學和精密儀器加工，汽車制造工業(yè)以及家用設施生產(chǎn)(見表)。盡管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工領域取得了長足的進步，采用高速切削技術，表面加工質量可達Ra

10、=0.2m和Rz=3m。,4.6 典型應用,4.7 技術制約因素,HS C技 術 的成功應用依賴于各種不同的因素，這些因素彼此緊密相連。只有在影響加工過程的所有因素都達到最佳配合的狀態(tài)下，HSC技術才能成功。這些因素包括:刀具技術、程序設計、CNC和電機以及機床自身設計。,3.1 刀具技術 （1）刀具材料； （2）刀具結構； （3）機床、刀 具(刀具座/刀把)、工件(工件夾具)等整個系統(tǒng)的剛性對于刀具的壽命和能夠達到的表面加工質量有顯著影響； （4）刀 具長度和加工的方向對加工表面的質量也有較大的影響。,3.2 程序設計 程序 設 計 分為模型建構(CAD)和所需的制造工藝過程(CAM) 即刀

11、具、加工策略等的制訂兩方面。HS C成 功 應用的關鍵在于CAD/CAM用的程序編制器要能夠自動調節(jié)機床刀具到最佳加工方式。,3.3 CNC和電機 現(xiàn)代 CN C控制器能提高速度、精度和表面加工質量，它的特色主要有:程序段處理時間降到0.5ms;內(nèi)存達到1.5GB以上;能進行螺旋線、NURBS拋物線、雙曲線)等插補;前瞻功能可以達到100個程序段以上，尤其在5軸機床上，對于刀具長度和加工幾何尺寸有自動補償功能;具備刀庫管理功能(TCPM);振動限制和補償;可以達到100MB的快速接口(以太網(wǎng))速度。 對控 制 器 模塊的要求是:程序段循環(huán)時間短、具有前瞻功能和減振裝置、優(yōu)良的進給控制系統(tǒng)、標準

12、的接口和數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡。,(1) 程 序 段循環(huán)時間短。對于3D幾何圖素來說，為了達到最好的表面加工質量，輪廓被細分成大量微小的增量，這樣勢必造成程序運行時間非常長，因此需要快速的程序模塊執(zhí)行功能。例如，如果一個程序段處理時間為4ms，切削一段長為0.5mm的直線外形輪廓，那么進給速度可達到7500mm/min 。 (2) 前 瞻 功能。通常劃分的單元長度不同，產(chǎn)生的曲率半徑也不同，因此需要改變進給速度來適應不同的曲率半徑。必須預測(前瞻)工件的幾何圖形，以便提前確認方向的更改，相應地，NC主軸能夠減速或加速以便保持最小的輪廓誤差和最經(jīng)濟的加工時間。 (3) 減 振 裝置。在加速度改變的過程中，

13、為了保證加工輪廓的精度，采用“平振裝置”能夠避免可能的振動，這是現(xiàn)代CNC的另一個特色。 (4) 進 給 控制系統(tǒng)。為了滿足HSC機床的動態(tài)要求，只能采用數(shù)字電機代替模擬電機。同老式的模擬電機相比，數(shù)字電機的主要優(yōu)勢是有較高的可控快速進給速率、較高的精度和轉速控制性、較大的補償和漂移范圍、較高安全性的M/C故障診斷、較高的Kv一因子和較易在機床上安裝。,3.4 機床 HSC要求機床床身能快速移動，所以不充分考慮機床本身的設計就不能把數(shù)控系統(tǒng)的高性能轉化成高質量的切削性能和可靠的操作。,首先 是 定 位精度的問題。HSC要求CNC能快速處理大量的數(shù)據(jù)保證快速的進給和保證機床的加速、減速性能，但是

14、所有這些不能以損失定位精度為代價。光是實現(xiàn)CNC對數(shù)據(jù)的快速處理是不夠的，機床必須攜帶巨大的負載做準確的三維甚至五維移動，當機床做插補運動時，三個甚至五個伺服電機同時驅動滾珠絲桿或齒輪齒條把回轉運動轉換成直線運動，電機必須有足夠的動力克服機械運動阻力、切削力和工件的重量。,(5) 接口和數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡。對于處理3D幾何圖形的HSC機床的CNC控制器來說，因為數(shù)據(jù)量往往有幾兆字節(jié)，采用串聯(lián)接口(例如RS232)就要花費相當多的時間。特別是在連續(xù)負載模式下過慢的傳輸速度對于主軸旋轉速度也會產(chǎn)生負面影響。由于這個原因，所有最新的控制器都必須能通過“以太”網(wǎng)直接輸送程序。,HSC技 術 的另一個主要問題是在一定的溫度條件下保證機械精度。軸承、滾珠絲桿及導軌的摩擦都會產(chǎn)生熱量，此