高速切削與高速機(jī)床課件

1、先進(jìn)制造技術(shù)高速切削與高速機(jī)床 本章重點(diǎn)高速切削概念高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域高速切削加工的起源高速切削加工（High-Speed Machining或HSM）理論是1931年4月由德國(guó)的Carl Salomon博士首先提出的，他認(rèn)為：在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對(duì)于不同的工件材料，存在一個(gè)切削速度范圍，在這個(gè)范圍中，由于切削溫度過(guò)高，刀具材料無(wú)法承受而不能進(jìn)行加工，故該速度區(qū)域被稱為“死區(qū)”。當(dāng)切削速度超過(guò)“死區(qū)”以后，隨著切削速度的增大切削力會(huì)下降，切削溫度也會(huì)降低。 該研究所在H. Schulz教授領(lǐng)導(dǎo)下，從1980年開(kāi)始高速加工研究， 1984年又聯(lián)合多家相關(guān)技術(shù)

2、制造廠商在德國(guó)研究技術(shù)部的支持下，對(duì)高速加工工藝、機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)等各個(gè)方面進(jìn)行了全面的研究，對(duì)鋼、鑄鐵、鋁合金等7種材料的高速切削性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)，許多研究成果處于國(guó)際領(lǐng)先地位，成為高速加工技術(shù)發(fā)展歷程中的里程碑。高速切削加工的原理高速切削的應(yīng)用在飛機(jī)工業(yè)中，采取措施來(lái)減輕零部件的重量： 即零部件盡量采用鋁合金、鋁鈦合金或纖維增強(qiáng)塑料等輕質(zhì)材料制造；把過(guò)去由幾十個(gè)、甚至幾百個(gè)零件通過(guò)鉚接或焊接起來(lái)的組合構(gòu)件，合并成一個(gè)帶有大量薄壁和細(xì)筋的復(fù)雜零件，用“整體制造法”制造。即從一個(gè)實(shí)心的整體毛坯中，切除和淘空85%以上的多余材料加工而成。 由于切削余量很大，如果采用普通方法加工，則切削工

3、時(shí)長(zhǎng)，切削變形大，生產(chǎn)效率低，不能滿足飛機(jī)產(chǎn)品更新?lián)Q代的要求。 采用“整體制造法”有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：用高速加工來(lái)加工這類帶有大量薄壁、細(xì)筋的復(fù)雜輕合金構(gòu)件，其材料切除率高達(dá)100180cm3/min，為常規(guī)加工的3倍以上，大大壓縮了切削工時(shí)；飛機(jī)上的零件數(shù)量可減少40%以上，省去了原來(lái)組合構(gòu)件的裝配和鉚焊工序，節(jié)省了大量的裝配、調(diào)校工時(shí)和制造工模夾具的時(shí)間，減少了占用的生產(chǎn)面積，減輕了飛機(jī)部件的重量，擴(kuò)大了柔性生產(chǎn)的能力，減少了部件之間的結(jié)合面，提高了飛機(jī)飛行的安全性。 高速切削的應(yīng)用如加工一全長(zhǎng)為3.35m、有的部位壁厚不到1mm的大型薄壁飛機(jī)構(gòu)件，該構(gòu)件以往由500多個(gè)零件組裝而成，以前加工這個(gè)

4、組合構(gòu)件的生產(chǎn)周期為3個(gè)月。現(xiàn)用一塊整體毛坯，通過(guò)高速加工來(lái)制造這個(gè)零件，其生產(chǎn)周期不足兩周，生產(chǎn)效率提高6倍以上。 高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域另外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工，采用高速切削加工工藝，不僅使葉片的制造費(fèi)用降低一半，而且減少了零件的熱負(fù)荷，降低了內(nèi)應(yīng)力，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用壽命。汽車模具高速切削工藝研究路線 高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域在特殊材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著石墨電極在工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與金屬材料不同，石墨在加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生從工件剝離出的連續(xù)切屑。但是，它卻容易產(chǎn)生擠壓和剝落，在工件表面留下加工缺陷。能否加工出表面光潔的石墨電極是石墨加工的技術(shù)關(guān)鍵。 石墨的超高速切削，可以實(shí)現(xiàn)表面的光潔

5、加工。高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域各種加工工序的切削范圍：車削：700-7000m/min銑削：300-6000m/min轉(zhuǎn)削：200-1100m/min磨削：1500m/s高速切削加工的特點(diǎn)較之傳統(tǒng)的加工方法, 高速切削加工具有明顯的優(yōu)勢(shì)：切削效率高 隨著刀具切削速度的大幅提高，工件進(jìn)給速度亦相應(yīng)提高510倍，這樣大大縮短了加工時(shí)間和空行程的時(shí)間，生產(chǎn)效率顯著提高。加工精度高，表面粗糙度低 高速切削時(shí)，機(jī)床的激振頻率相當(dāng)高，遠(yuǎn)離了工藝系統(tǒng)的低階固有頻率，因而工作平穩(wěn)，振動(dòng)小，能加工出非常精密、光潔的零件，表面質(zhì)量可達(dá)到磨削的水平。工件無(wú)飛邊、毛刺, 切屑易處理；可完成高硬度材料的加工

6、。 切削力小，變形小 當(dāng)切削速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，切削力可減低30%，尤其是徑向切削力的大幅減小，特別有利于提高薄壁件等剛性差的零件的加工。 加工時(shí)間大幅度縮短，只有原來(lái)的1/4左右，意味著一臺(tái)用于高速加工的高速機(jī)床可以代替4臺(tái)普通CNC機(jī)床； 高速加工時(shí)，機(jī)床的激振頻率很高，遠(yuǎn)離“機(jī)床刀具工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率，工作平穩(wěn)，振動(dòng)小，所以其加工表面質(zhì)量很高，無(wú)需再進(jìn)行其它表面處理工序；單位時(shí)間的材料切除率可增加6倍，故生產(chǎn)率極高；切削力可減少80%以上，尤其是徑向切削力大幅度降低，零件變形小，加工時(shí)基本不產(chǎn)生熱量，所以特別有利于薄壁細(xì)筋件的加工；高速加工采用小直徑刀具、小切深、小切寬和快速多次走

7、刀來(lái)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；高速機(jī)床的投資回收快，可縮短交貨期，減少車間占地面積，減少工人數(shù)量。高速切削加工的研究高速切削機(jī)理研究 高速切削機(jī)理是高速切削技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的理論基礎(chǔ)。研究成就比較突出的是美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈和空間公司的科學(xué)家羅伯特金(RobetI1King) 和麥克唐納(Mcd1nddJ)，從理論上證實(shí)了高速切削的可行性和優(yōu)越性。他們的研究主要在切屑成形理論、金屬斷裂、突變滑移、絕熱剪切以及各種材料的切屑成形方面。 通過(guò)極高速切削加工鈦合金時(shí)切屑的形成機(jī)理的研究；機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及切削顫振的避免；多種刀具材料加工不同工件材料時(shí)的刀具前刀面、后刀面和加

8、工表面的溫度以及高速切削時(shí)切屑、刀具和工件切削熱量的分配等，證實(shí)了高速切削時(shí)大部分切削熱被切屑所帶走。高速切削加工的研究高速切削加工設(shè)備研究（1）高速電主軸結(jié)構(gòu) 由于高速切削機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常達(dá)到每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。為了提高效率，降低振動(dòng)、噪聲， 提高機(jī)床的動(dòng)、靜態(tài)精度及其穩(wěn)定性， 高速切削機(jī)床都采用電主軸結(jié)構(gòu)，它包括內(nèi)藏式交流變頻電動(dòng)機(jī)電主軸和內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)電主軸兩種。由于取消了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了主軸的“零傳動(dòng)”，極大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。 高速切削加工的研究 電主軸技術(shù)是高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，它所融合的內(nèi)容包括：高速軸承技術(shù) 電主軸通常采用角接觸陶瓷球（氮化硅SiN）軸承，和鋼球相

9、比，耐磨耐熱，密度減少60%，因而可大幅度降低離心力，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；角接觸球軸承在20000轉(zhuǎn)以下的高速主軸單元中應(yīng)用，無(wú)論是速度極限、承載能力、剛度、精度等各方面均能很好地滿足要求，并已標(biāo)準(zhǔn)化，且價(jià)格低廉，目前90%的主軸組件采用這種類型的軸承。 高速切削加工的研究 也可采用磁懸浮軸承、液體動(dòng)靜壓軸承、空氣軸承等。磁懸浮軸承無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)需潤(rùn)滑，壽命長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)很高轉(zhuǎn)速，它還是一種可控軸承，能自動(dòng)消除不平衡引起的振動(dòng)，具有很高的阻尼。但是磁懸浮軸承電氣控制系統(tǒng)極其復(fù)雜且價(jià)格昂貴。液體靜壓軸承的最大特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)精度高，回轉(zhuǎn)誤差一般在0.2m以下。另外，其動(dòng)態(tài)剛度高，特別適合于銑削類的斷續(xù)切

10、削過(guò)程。 空氣動(dòng)靜壓軸承徑向剛度低并有沖擊，但高速性能好，一般用在超高速、輕載、精密主軸上。高速切削加工的研究磁懸浮軸承電主軸高速切削加工的研究電主軸動(dòng)平衡技術(shù) 由于不平衡質(zhì)量是以主軸轉(zhuǎn)速的二次方影響主軸動(dòng)態(tài)性能的，所以對(duì)于在極高轉(zhuǎn)速條件下工作的電主軸來(lái)說(shuō)動(dòng)平衡技術(shù)就顯得格外重要。一些機(jī)床精度等級(jí)要求達(dá)到G1G014級(jí)。除了裝配前要對(duì)主軸的每個(gè)零件分別進(jìn)行動(dòng)平衡外，還要在裝配后進(jìn)行整體精確動(dòng)平衡，甚至在加工時(shí)，更換不同刀具后還要進(jìn)行在線動(dòng)平衡測(cè)量，以確保主軸高速平穩(wěn)運(yùn)行。 高速切削加工的研究潤(rùn)滑與冷卻 電主軸的潤(rùn)滑多采用定時(shí)定量的油氣潤(rùn)滑來(lái)替代污染嚴(yán)重的油霧潤(rùn)滑；油氣潤(rùn)滑的潤(rùn)滑油不經(jīng)霧化易回收

11、，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。噴射潤(rùn)滑是直接用高壓潤(rùn)滑油對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻的，功率消耗較大，成本高，常用在20000轉(zhuǎn)/分鐘以上的超高速主軸上。環(huán)下潤(rùn)滑是一種改進(jìn)的潤(rùn)滑方式，比普通的噴射潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑效果好，可進(jìn)一步提高軸承的轉(zhuǎn)速。為了給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑。 高速切削加工的研究（3）高精度快速進(jìn)給系統(tǒng) 現(xiàn)代高速加工機(jī)床進(jìn)給速度要求達(dá)到40120m/min，同時(shí)還要求進(jìn)給部件具有很高的加(減) 速度(18)g。要實(shí)現(xiàn)如此高的進(jìn)給速度和加速度，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加滾動(dòng)絲杠的傳動(dòng)方式很難做到。因此，高速機(jī)床理想的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)是直線伺服電機(jī)。采用直線伺服電機(jī)無(wú)需任何運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換

12、機(jī)構(gòu)，同樣實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”。與傳統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)相比，直線電機(jī)具有精度高、響應(yīng)速度快、效率高、高進(jìn)給速度和無(wú)機(jī)械磨損等明顯優(yōu)勢(shì)。 高速切削加工的研究直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)速度高。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，無(wú)任何中間機(jī)械傳動(dòng)元件，無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不受離心力的作用，容易實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)，目前最大進(jìn)給速度可達(dá)80120m/min。(2)加速度大。直線電機(jī)的啟動(dòng)推力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，運(yùn)動(dòng)變換時(shí)的過(guò)渡過(guò)程短，可實(shí)現(xiàn)靈敏的加速和減速，其加速度可達(dá)(210)g。(3)定位精度高。直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)，用光柵尺作為位置測(cè)量元件，采用閉環(huán)控制，通過(guò)反饋對(duì)工作臺(tái)的位移精度進(jìn)行精確的控制，因而剛度高，定位精度高達(dá)0

13、.10.01m。(4)行程不受限制。直線電機(jī)的次級(jí)是一段一段地連續(xù)鋪在機(jī)床床身上，次級(jí)鋪到哪里，初期(工作臺(tái))就可運(yùn)動(dòng)到哪里，不管行程多遠(yuǎn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的剛度不會(huì)有任何影響。 高速切削加工的研究 如最近美國(guó)Cincinnati Milacron公司為航空工業(yè)生產(chǎn)了一臺(tái)HyperMach大型高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速60000r/min，主電機(jī)功率80kW。采用了直線電機(jī)，其X軸行程長(zhǎng)達(dá)46m，工作臺(tái)最高進(jìn)給速度60m/min，快速行程100m/min，加速度2g。在該機(jī)床上加工一個(gè)大型薄壁飛機(jī)零件只需30分鐘；而同樣的零件在一般高速銑床上加工，耗時(shí)3小時(shí)；在普通數(shù)控銑床上加工，則需8小時(shí)。 高速切削

14、加工的研究（4）高速CNC 控制系統(tǒng) 高速數(shù)控機(jī)床要求CNC控制系統(tǒng)具有快速數(shù)據(jù)處理能力和高的功能化特性，以保證在高速切削時(shí)，特別是在(45)軸坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面時(shí)仍具有良好的加工性能。CNC控制系統(tǒng)常使用32位或64位CPU，并采用多處理器，確保極短的單個(gè)程序段處理時(shí)間；采用前饋和大量超前程序段處理功能，保證高速加工時(shí)的插補(bǔ)精度。 高速切削加工的研究（5）高速切削刀具與刀柄系統(tǒng) 高速切削刀具應(yīng)具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性，目前高速切削通常采用硬質(zhì)合金刀具涂層技術(shù)，涂層材料由TiN、TiC、Al2O3等發(fā)展為復(fù)合涂層TiCN、TiAlN等，由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層。另一方面

15、，涂層材料從陶瓷涂層發(fā)展到類金剛石膜、CBN膜、金剛石膜等超硬材料涂層。高速切削還常采用陶瓷材料作刀具，如Al2O3、TiC、Si3N4 等。陶瓷的性能非常優(yōu)越，高硬度、耐高溫，在連續(xù)切削中可以獲得高生產(chǎn)率，制造成本比較低。高速切削加工的研究在高速切削中常使用的材料還有超硬材料如人造金剛石、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、厚膜金剛石等，這些材料的應(yīng)用更使切削速度向高速、超高速的方向大幅邁進(jìn)，而且適應(yīng)了難加工材料切削的需要。高速切削加工的研究 刀柄是高速切削時(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。高速切削刀柄結(jié)構(gòu)必須滿足下列要求：很高的幾何精度和裝夾重復(fù)精度。很高的裝夾剛度。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)安全可靠。傳統(tǒng)的加工中心主軸與刀具的連接大多采用7:24錐度的單面夾緊刀系統(tǒng)。這種方法由于是靠長(zhǎng)錐面結(jié)合，工具與主軸的聯(lián)接剛性較低，在主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min時(shí)，由于離心力的作用，主軸7:24的大端會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)張，使工具定位精度和聯(lián)接剛性下降，振動(dòng)加劇，甚至發(fā)生刀柄與主軸咬合的現(xiàn)象。高速切削加工的研究 HSK是德國(guó)的機(jī)床工具行業(yè)率先研制并于1991年8月提出的一種新型的機(jī)床-工具的接口。目前大多數(shù)高速切削機(jī)床采用1:10空心短錐柄(HSK)刀具，HSK以其端面及1:10錐度的空心錐套作雙重定位，由于刀具錐柄為空心，故允許