機械制造基礎(chǔ)論文.doc

重 慶 大 學(xué) 超高速切削及其關(guān)鍵技術(shù) 年 級 2011 級 學(xué) 號 20112365 姓 名 鞠夢超 專 業(yè) 機自 二零一三年十一月 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 I I 摘摘 要要 介紹高速切削加工的定義 高速切削加工中機床的選擇 高速切削加 工刀具材料的介紹及高速切削 加工工藝的有關(guān)知識 關(guān)鍵詞 高速切削加工 刀具材料 加工工藝 關(guān)鍵技術(shù) 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 II AbstractAbstract It introduces the definition of the high speed cutting high speed cutting machine tool selection the relevant knowledge of high speed cutting tool materials and high speed cutting process Keywords high speed cutting cutting tool processing technology the key tenology 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 III 目 錄 摘 要 ABSTRACT 第 1 章 概 述 1 1 1 超高速加工技術(shù)內(nèi)涵 范圍及技術(shù)地位 1 1 2 超高速加工技術(shù)產(chǎn)生發(fā)展及現(xiàn)狀趨勢 1 1 3 超高速加工技術(shù)的優(yōu)越性 2 第 2 章 超高速切削相關(guān)技術(shù) 3 2 1 超高速切削 磨削機理 3 2 2 超高速切削關(guān)鍵技術(shù) 5 2 2 1 高速切削的主軸系統(tǒng) 4 2 2 2 高速切削的進(jìn)給系統(tǒng) 5 2 2 3 高速切削的刀具夾持系統(tǒng) 5 2 3 超高速加工用刀具 6 參考文獻(xiàn) 7 機自 2 班 20112365 鞠夢超 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 1 第 1 章 概 述 1 1 超高速加工技術(shù)內(nèi)涵 范圍及技術(shù)地位 提高切削 磨削加工效率一直是切削 磨削領(lǐng)域所十分關(guān)注并為之不懈奮斗的重要目標(biāo) 超高速切削和磨削加工就是近年來發(fā)展的一種集高效 優(yōu)質(zhì)和低耗于一身的先進(jìn)制造工藝技術(shù) 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具 利用能可靠的實現(xiàn)高速運動的高精度 高 自動化和高柔性的制造設(shè)備 以提高切削速度來達(dá)到提高材料切削率 加工精度和加工質(zhì)量的 先進(jìn)加工技術(shù) 其顯著標(biāo)志是被加工塑型金屬材料在切除過程之中的剪切滑移速度到達(dá)或者超 過某一閥值 開始趨向最佳切削條件 是的切除被加工材料所消耗能量 切削力 工件表面溫 度 刀具和磨具磨損 加工表面質(zhì)量等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標(biāo) 而加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 傳統(tǒng)切削下的效率 目前各國尚未統(tǒng)一對超高速切削速度范 圍的認(rèn)識 但通常把切削速度比常規(guī)速度高 出 5 10 倍以上的切削加工稱為超高速切削 德國 darmstadt 工業(yè)大學(xué)的研究給出了七種材 料的超高速加工的速度范圍 鋁合金 2000 7500m min 銅合金 900 5000m min 鑄鐵 800 3000m min 鋼 600 3000m min 超耐熱鎳基合金 80 500m min 鈦合金 150 1000m min 纖維增強塑料 2000 9000m min 此外也可按工藝方法劃分 分別是車削 700 7000m min 銑削 3000 6000m min 鉆削 200 1100m min 磨削 150m min 以上 超高速加工目前已可覆蓋大多數(shù)工程材料 可加工各種表面形狀材料 可由毛坯一次加工 成成品 并實現(xiàn)精密甚至超精密加工 超高速磨削可實現(xiàn)小的磨粒切深 使陶瓷等硬脆材料不 再以脆性斷裂形式產(chǎn)生切屑 使磨削表面質(zhì)量提高 對鎳基合金 鈦合金等難加工材料也會在 高應(yīng)變率的作用下而改善切削加工性能 從而得到高的加工質(zhì)量 國外有權(quán)威雜志宣稱 如果 把數(shù)控技術(shù)堪稱現(xiàn)代加工技術(shù)第一個里程碑 那么超高速加工技術(shù)就是現(xiàn)代制造技術(shù)第二個里 程碑 超高速加工技術(shù)與精密超精密加工 高能束加工和自動化加工共同構(gòu)成了當(dāng)代四大先進(jìn) 加工技術(shù) 機自 2 班 20112365 鞠夢超 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 2 1 2 超高速加工技術(shù)產(chǎn)生發(fā)展及現(xiàn)狀趨勢 在國外 20 世紀(jì) 30 年代德國 Salomon 博士提出高速切削理念以來 經(jīng)半個世紀(jì)的探索和研 究 隨數(shù)控機床和刀具技術(shù)的進(jìn)步 80 年代末和 90 年代初開始應(yīng)用并快速發(fā)展到廣泛應(yīng)用于航 空航天 汽車 模具制造業(yè)加工鋁 鎂合金 鋼 鑄鐵及其合金 超級合金及碳纖維增強塑料 等復(fù)合材料 其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍 高速切削技術(shù)在國內(nèi)起步較晚 20 世紀(jì) 80 年代中期開始研究陶瓷刀具高速切削淬硬鋼并在 生產(chǎn)中應(yīng)用 其后引起對高速切削加工的普遍關(guān)注 目前主要還是以高速鋼 硬質(zhì)合金刀具為 主 硬質(zhì)合金刀具切削速度 100 200m min 高 速 鋼 刀 具 在 40m min 以內(nèi) 但在汽車 模 具 航空和工程機械制造業(yè)進(jìn)口了一大批數(shù)控機床和加工中心 國內(nèi)也生產(chǎn)了一批數(shù)控機床 隨著高速切削的深入研究 這些行業(yè)有的已逐步應(yīng)用高速切削加工技術(shù) 并取得很好的經(jīng)濟(jì)效 益 超高速切削目前主要用于如下幾個領(lǐng)域 1 大批生產(chǎn)領(lǐng)域如汽車工業(yè) 如美國福特 Ford 汽車公司與 Ingersoll 公司研制的 HVM800 臥式加工中心及鏜氣缸用的單軸鏜缸機床以實際用于生產(chǎn)線 2 工件本身剛度不足的加工領(lǐng)域 如航空航天工業(yè)產(chǎn)品或其他某些產(chǎn)品 如 Ingersoll 公 司采用的超高速切削工藝所銑削的工件最薄壁厚僅為 1mm 3 加工復(fù)雜曲面系統(tǒng) 如模具制造 4 難加工材料領(lǐng)域 如 Ingersoll 公司的 高速模塊 所用的切削速度為 加工航空航天 鋁合金 2438m min 汽車鋁合金 1829m min 鑄鐵 1219r min 這均比常規(guī)速度高出 幾倍甚至幾十倍 5 超精密微細(xì)切削加工領(lǐng)域 如日本的 FANUC 公司和電氣通信大學(xué)合作研究了一種超 精密銑床 其主軸轉(zhuǎn)速達(dá) 55000rpm 可用切削方法實現(xiàn)自由曲面的微細(xì)加工 據(jù)稱 其生產(chǎn)率和相對精度均為目前光刻技術(shù)領(lǐng)域中的微細(xì)加工所不及 超高速切削技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)符合加工中心或柔性制造技術(shù)的發(fā)展方向及高效高速化 實 用廉價化 多功能 復(fù)合化 最主要是高速高效化方向 機自 2 班 20112365 鞠夢超 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 3 1 3 超高速加工技術(shù)的優(yōu)越性 與常規(guī)切削加工相比 超高速切削加工在提高生產(chǎn)率 降低生產(chǎn)成本 減少熱變形和切削 力以及實現(xiàn)高精度 高質(zhì)量加工等方面具有明顯優(yōu)勢 其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在下面幾個方面 1 隨著切削速度的大幅提高 進(jìn)給速度也相應(yīng)提高 5 10 倍 這樣 單位時間材料切除率可 提高 3 6 倍 因為加工時間通?？煽s減到原來的 1 3 同時非切削的空行程時間也大幅減少 從而 提高了加工效率和設(shè)備使用率 縮短了生產(chǎn)周期 2 在超高速切削速度范圍內(nèi) 隨著切削速度的提高 切削力平均可降低 30 以上 這對于 加工剛性較差的零件來說 可減少加工變形 提高零件加工精度 同時有利于延長刀具壽命 3 由于切屑可以很高的速度被排除 帶走了大量的熱量 可達(dá) 90 因此傳給工件熱量大 幅減少 有利于工件的熱變形和內(nèi)應(yīng)力 有利于加工精度 4 高速切削不僅可以極大的減小切削力 削減激震源 而且由于高轉(zhuǎn)速時的切削系統(tǒng)的工作 頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了機床的低階固有頻率 使得加工過程平穩(wěn) 有利于提升加工表面質(zhì)量 5 高速切削可加工硬度高達(dá) HRC45 HRC65 的淬硬鋼鐵件 因此對淬硬后的模具等復(fù)雜零 件 可直接銑成 省區(qū)后續(xù)的傳統(tǒng)加工 這就是所謂的 一次過 技術(shù) 第 2 章 超高速切削相關(guān)技術(shù) 2 1 超高速切削 磨削機理 超高速切削和磨削機理研究主要指對超高速加工條件下切削磨削過程以及產(chǎn)生的各種切削 磨削現(xiàn)象的理論研究 其實超高速加工技術(shù)中的最基本的技術(shù)支持 其設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)有 超 高速切削磨削的加工過程研究 超高速切削加工現(xiàn)象及切削工藝參數(shù)優(yōu)化的研究 各種材料的 超高速切削機理的研究 超高速磨削技術(shù)中各種磨削現(xiàn)象及各種材料磨削的機理研究 超高速 切削磨削的虛擬實際的磨削技術(shù)的開發(fā)研究 以及超高速磨削加工智能數(shù)據(jù)庫的開發(fā)等 超高速加工技術(shù)的理論研究可追溯到 20 世紀(jì) 30 年代 即 1931 年 4 月德國切削物理學(xué)家薩 洛蒙發(fā)表的著名超高速切削理論 即 薩洛蒙曲線 超高速切削概念可用下圖示意 薩洛蒙指 出 在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi) A 區(qū) 切削溫度隨切削速度增大而提高 但是當(dāng)切削速度增大 到某一數(shù)值時 v 之后 切削速度增加 切削速度反而降低 v 之值與工件材料種類有關(guān) 對 每種工件材料 存在一個速度范圍 在這個速度范圍以內(nèi) B 區(qū) 由于切削溫度太高 任何刀 具無法承受 切削加工不可能進(jìn)行 這個范圍被稱之為 死谷 由于受當(dāng)時實驗條件限制 這一理論未能嚴(yán)格區(qū)分切削溫度和工件溫度 的界限 但是他的思想給后來的研究者一個 非常重要的啟示 如果能越過這個死谷而在 超高速區(qū) C 區(qū) 進(jìn)行工作 則有可能用現(xiàn) 有刀具進(jìn)行超高速切削 從而大幅度減少切 削工時 成功提升機床生產(chǎn)率 然而后繼很多研究者對死谷產(chǎn)生了懷疑 現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為 在該蘇切削鑄鐵 鋼 以及難加工材料時 即使在很高的切削速度 范圍內(nèi)也不存在死谷 刀具耐用值總是隨切 削速度增加而降低的 而在硬質(zhì)合金刀具高 機自 2 班 20112365 鞠夢超 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 4 速銑削時 盡管切削速度 v 的提高 切削溫度隨之升高 刀具磨損逐漸加劇 刀具耐用度 T 繼 續(xù)下降 且 T v 規(guī)律仍遵循 Taylor 方程 但在較高切削速度段 Taylor 方程中 m 值大于較低速 度段的 m 值 這意味著較高速度段的刀具耐用度 T 隨 v 提高而下降的速率減緩 這一結(jié)論對超 高速切削技術(shù)的實際運用十分有意義 超高速切削切屑的形成實驗研究表明 依照被加工材料的類型和工藝條件 對切削力和切 屑變形的影響是不同的 存在著連續(xù)切屑和斷續(xù)切屑兩種類型 在超高速切削高導(dǎo)熱性 低硬 度合金金屬時易形成連續(xù)切屑 而在超高速切削低導(dǎo)熱性 密排六方多晶體結(jié)構(gòu) 高硬度材料 時易產(chǎn)生斷續(xù)切屑 美國于 20 世紀(jì) 70 年代前后用爆炸射擊法實現(xiàn)的 1200m s 的超高音速切削 實驗表明 在超高速切削條件下的切屑形成過程和普通的切削不同 隨著 v 的提高 塑性材料 的切屑形態(tài)將從帶狀 片狀到碎屑不斷演變 單位切削力初期呈上升趨勢 而后急劇下降塑性 變形區(qū)變淺 殘余應(yīng)力及硬度變化減小 一系列實驗表明 在通過切削素的來降低機加工時間同時還具有一系列優(yōu)點如 單位時間 材料切除率大大提高 切削力可降低 30 左右 基于此可利用超高速切削加工薄壁零件 超高速 切削加工特別適合那些對于溫度特別敏感的零件加工 由于機床架構(gòu)改善和超高速切削激振頻 率提高 刀具耐用度提高 70 左右 加工成本降低 但是超高速切削加工加工一些難加工材料 切削速度提高會受到刀具極具磨損的限制 2 2 超高速切削關(guān)鍵技術(shù) 隨著這幾年超高速加工技術(shù)的迅速發(fā)展 各項關(guān)鍵技術(shù)包括高速主軸系統(tǒng)技術(shù) 快速進(jìn)給 系統(tǒng)技術(shù) 高性能 CNC 控制系統(tǒng)技術(shù) 先進(jìn)機床結(jié)構(gòu)技術(shù) 高速刀具技術(shù)等也不斷躍上新臺階 2 2 1 高速切削的主軸系統(tǒng) 在超高速的運轉(zhuǎn)條件下 傳統(tǒng)的齒輪變速和皮帶輪傳送已經(jīng)不能適應(yīng)要求 代之以寬調(diào)速 交流變頻電機來實現(xiàn)數(shù)控機床的變速 從而使機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)大為簡化形成一種新型的 功能 部件 主軸單元 在超高速數(shù)控機床當(dāng)中 幾乎無一例外的采用這種結(jié)構(gòu)形式 機采用無 殼電機 將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上 帶有冷卻套的定子裝在主軸單元殼體內(nèi) 形成 內(nèi)裝式電機主軸 簡稱電主軸 如圖所示微點主軸的典型結(jié)構(gòu) 這樣 電機的轉(zhuǎn)子就是機床的 主軸 機床主軸單元的殼體就是電機殼 從而實現(xiàn)了變頻電機和主軸的一體化 由于取消了從 電機到機床主軸之間的一切傳動環(huán)節(jié) 把主動鏈的長度縮為零 我們也可稱這種傳動方式為 零傳動 機自 2 班 20112365 鞠夢超 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 5 主軸單元是超高速加工機床最關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件 高速主軸的單元設(shè)計 是實現(xiàn)超高速切削 的最關(guān)鍵技術(shù)之一 從目前的現(xiàn)狀來看 現(xiàn)代的電主軸是一種智能型的功能部件 可以進(jìn)行系 列化 專業(yè)化生產(chǎn) 主軸單元形成獨立的單元而成為功能部件以方便的配置到多種加工設(shè)備上 而且越來越多的采用了電主軸結(jié)構(gòu) 大功率的超高速主軸單元的基本方案是采用集成內(nèi)裝電主 軸 電主軸考慮功能和經(jīng)濟(jì)的要求 采用陶瓷混合球軸承或靜壓軸承是較好的方案 超高速懸 浮軸承已得到個制造商和研究機構(gòu)的重視 正在開展研究 小功率的超高速點主軸單元可以采 用高精度的滾動軸承 液體動靜壓軸承或者氣體靜壓軸承 2 2 2 超高速切削機床的進(jìn)給系統(tǒng) 超高速切削進(jìn)給系統(tǒng)是超高速加工機床的重要組成部分 是評價超高速機床性能的重要指 標(biāo)之一 不僅對提高生產(chǎn)率有重要意義 而且也是維持超高速切削中刀具正常工作的必要條件 超高速切削在提高主軸速度的同時也必須提高進(jìn)給速度 并且要求進(jìn)給運動能夠達(dá)到瞬時達(dá)到 高速和停止 否則 不但無法發(fā)揮超高速切削的優(yōu)勢 還會使刀具處在惡劣工作條件下 影響 加工工件誤差 在復(fù)雜曲面的超高速切削之中 當(dāng)進(jìn)給速度增加一倍時 加速度需要增加四倍 才能保證輪廓的加工精度要求 這就要求超高速加工機床不能能達(dá)到很高的進(jìn)給速度 還需要 進(jìn)給系統(tǒng)有極大的加速度還有精度 傳統(tǒng)機床采用旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲桿的進(jìn)給方案 由于工作臺的慣性以及受螺母絲桿本身 限制 進(jìn)給速度和加速度比較小 目前 快速進(jìn)給速度很難超過 60m min 工作進(jìn)給速度通常 小于 40m min 加速度很難突破 1g 直線電機驅(qū)動系統(tǒng)如圖所示 目前 國內(nèi)外機床專家和許多機床廠普遍認(rèn)為直線電機直接 驅(qū)動是新一代機床基本傳動形式 直線電機直接驅(qū)動的優(yōu)點是 控制特性好 增益大 滯動小 在高速運動中保持較高位移精度 高運動精度 因為是直接驅(qū)動 最大進(jìn)給速度可以達(dá)到 100 180m min 高價速度 由于結(jié)構(gòu)簡單 質(zhì)量輕 可實現(xiàn)最大加速度 2g 10g 定位精度 和跟蹤精度高 工作臺定位精度可以達(dá)到 0 1 0 01 m 啟動推力大 12000N 無傳動環(huán) 節(jié) 無往返空隙 運動平穩(wěn) 有較大靜動剛度 缺點是 電磁鐵熱效應(yīng)對機床結(jié)構(gòu)有較大熱 影響 需要冷去系統(tǒng) 存在電磁場干擾 有較大功率損失 缺少力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) 由于磁 力作用 專配困難 系統(tǒng)價格高 機自 2 班 20112365 鞠夢超 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) 6 2 2 3 超高速加工機床的刀具夾持系統(tǒng) 目前普遍應(yīng)用的是 7 25 錐度的刀柄系統(tǒng) ISO DIN BT 刀柄系統(tǒng)均屬此類 隨著超高速 切削的發(fā)展 此類刀柄暴露出不足 剛性不足 刀柄法蘭面與主軸端面之間存在間隙 自 動換刀的重復(fù)精度不確定 每次自動換刀后刀具的軸向尺寸都可能發(fā)生變化 當(dāng)主軸高速轉(zhuǎn) 動時 主軸前端孔徑在離心力作用下會增大 易導(dǎo)致主軸和刀柄錐面脫離 使刀具軸向尺寸發(fā) 生變化 刀具徑向跳動急劇增大 刀柄的錐部較長 不利于快速換刀及機床小型化 為解決上述問題 一些機構(gòu)和刀具企業(yè)開發(fā)了一種可使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定 位的新型連接方式 兩面定位刀柄系統(tǒng) 其中最具代表性的是日本 BIG PLUS 刀柄系統(tǒng)和德國的 HSK 刀柄系統(tǒng) 此外 美國 MK 系列刀柄 瑞典也有類似的產(chǎn)品 目前 兩面定位刀柄系統(tǒng)安 裝是重復(fù)定位精度高 軸向重復(fù)定位精度可達(dá) 1 m 在高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用下 刀柄會 牢固鎖緊 其徑向跳動不超過 5 m 在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可保持高的靜態(tài)和動態(tài)剛度 2 3 超高速加工用刀具 超高速加工用刀具主要指超高速銑削用刀具 超高速加工用刀具單元技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有 超高速加工用刀具材料及制備技術(shù) 超 高速加工用刀具結(jié)構(gòu)及刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的研究 眾所周知 在影響金屬切削的眾多因素中 刀具材料以及刀具制造技術(shù)起著決定性作用 并推動超高速加工實用化 超硬刀具是超高速加工技術(shù)最主要的刀具材料 主要有聚晶金剛石 和聚晶立方氮化硼 目前 超高速加工用刀具切削刃一般選用 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金 聚晶金剛 石 立方氮化硼 氮化硅陶瓷材料 混合陶瓷和碳化鈦基硬質(zhì)合金以及采用氣相沉淀法的超硬 材料涂層刀具 硬度 GPa 抗彎強度 MPa 抗彎強度 MPa 彈性 模量 GPa 導(dǎo)熱系數(shù)