先进制造技术教学课件PPT先进制造工艺技术.ppt

2019/4/2,1,第三章 先进制造工艺技术,第一节 概述,第二节 超精密加工技术,第三节 高速加工技术,第四节 快速原型制造技术,第五节 微细加工技术,第六节 现代特种加工技术,2019/4/2,2,本节要点 机械制造工艺的定义和内涵 先进制造工艺的产生、发展和特点,第一节 概 述,2019/4/2,3,第一节 概 述,一、机械制造工艺的定义和内涵,机械制造工艺： 将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之称为产品的方法或半成品的方法和过程。,2019/4/2,4,毛坯和零件成形铸造、锻压、冲压、焊接 、压制、烧结、注塑、压塑 机械加工切削、磨削、特种加工 材料改性与处理热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂 机械装配把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作,2019/4/2,5,机械制造工艺方法与分类,机械制造工艺方法类别划分及代码（jb/t5992-92）,2019/4/2,6,零件成形方法,受迫成形 在特定边界和外力约束下成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等； 去除成形 将材料从基体中分离出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割； 堆积成形 将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等。,2019/4/2,7,二、先进制造工艺的产生和发展,先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上发展来的，优化后的工艺和新型加工方法。是核心和基础。,（1）制造加工精度不断提高 18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，m级过渡； 20世纪50年代末，实现了m级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。 手段：优化加工方法；开发和研制新型刀具材料；研制超精密机床；对加工精度进行监控。,2019/4/2,8,21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进,2019/4/2,9,（2）切削加工速度迅速提高 刀具材料发展。,2019/4/2,10,20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200c，切削速度不超过10m/min； 20世纪初，高速刚，温度可达500600c，切削速度3040m/min; 20世纪30年代，硬质合金，8001000c，速度可达100m/min； 陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具，耐热温度达1000c以上，切削速度可达1000m/min以上。,2019/4/2,11,（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革 超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料。 手段： 改善刀具材料的切削性能，改进设备； 新型的制造工艺，电火花、电解、超声波、电子束、离子束加工。,2019/4/2,12,（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率 微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺技术相结合，多种自动化。 单机自动化 系统自动化 刚性自动化 柔性自动化 综合自动化 工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工制造效率和质量。,2019/4/2,13,（5）零件毛坯成形在向少无余量发展 使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展 毛坯接近或达到零件最终形状。 成形方法有： 传统方法：铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。 先进方法：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密焊接和精密切割。,2019/4/2,14,（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展 表面工程技术：表面涂覆、表面改性、表面加工等，来改变形态、化学成分和组织结构。 电刷渡、热喷涂、化学热处理、激光表面处理。提高产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境。,2019/4/2,15,本节要点 精密和超精密加工的划分 精密和超精密加工主要研究内容 超精密切削加工 超精密磨削和磨料加工,第二节 超精密加工技术,2019/4/2,16,超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,一、概述,发展尖端技术、国防工业、微电子工业都需要精密和超精密加工出来的仪器设备。 当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代技术的前沿，是明天制造技术的基础。,2019/4/2,17, 几种典型精密零件的加工精度（见下表）,2019/4/2,18, 精密加工与超精密加工的发展（如下图）,2019/4/2,19,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2019/4/2,20,按加工精度划分，可将机械加工分为普通加工、精密加工、超精密加工三个阶段。,1. 精密和超精密加工的划分,2019/4/2,21,常用精密加工和超精密加工方法,2019/4/2,22,2019/4/2,23,2019/4/2,24,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,2019/4/2,25,（1）超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一,超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。 例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级； 又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,2019/4/2,26,（2）超精密加工国防工业的需求,陀螺仪的加工:导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 大型天体望远镜的透镜:直径达2.4m，形状精度为0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体。 导弹红外线探测器反射镜：其抛物面反射镜形状精度为1m，表面粗糙度为ra0.01m，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。 激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m，表面粗糙度小于ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。,2019/4/2,27,（3）信息产品中的需求,计算机上：芯片、磁板基片、光盘基片 录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等。,（4）民用产品中的需求,摄相机、照相机：各种透镜，特别是光学曲面透镜； 激光打印机、激光打标机：各种反射镜； 超精密加工设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。,2019/4/2,28,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,3.影响精密和超精密加工的因素,2019/4/2,29,加工方法：金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密砂带磨削； 在非传统加工中：电子束、离子束、激光束、电火花和电化学加工等高能加工方法。,3.影响精密和超精密加工的因素,2019/4/2,30,（1）被加工材料,材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。 例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷，不能含有杂质； 材料在冶炼、铸造、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。,2019/4/2,31,加工设备：有超精密切削磨削机床、各种研磨机和抛光机等。 对于超精密加工所用加工设备应有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化的要求。,（2）超精密加工设备,2019/4/2,32,1)高精度。超精密切削机床应具有高的几何精度、运动精度和分辨率。 机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，并可以进一步采用误差补偿方法来提高其精度。 为了能进行微细切削、机床配有微动工作台，采用电致伸缩、磁致伸缩、弹性元件等微位移机构，实现微进给。,（2）超精密加工设备,2019/4/2,33,2）高刚度 超精密加工时，切削深度和进给量很小，切削力很小，但仍应该有足够刚度，例如超精密磁盘加工铝合金基片的端面时，其主轴轴向刚度可达490n/ u m。,2019/4/2,34,3)高稳定性 在机床结构上，多采用热导率低、热膨胀系数小、内阻尼大的天然花岗石来制作床身、工作台等，也可采用人造花岗石制作床身、工作台和轴承等。 防止热变形对加工精度的影响：机床放在恒温室中使用外；控制温度的密封罩，用液体淋浴或空气淋浴来消除来自外部及内部的热源影响。 液体淋浴靠对流和传导带走热量，可使温度控制在200.006，比空气淋浴好，但成本较高，目前，温控精密最高可达200.005。,2019/4/2,35,4）抗振性好 在机床结构上应尽量采用短传动链和柔性连接，以减少传动元件和动力元件的影响，电动机等动力元件和机床的回转零件应进行严格的动平衡，以使本身振动最小。 为了隔离动力元件等振源的影响，超精密机床可采用分离结构形式，即将电动机、油泵、真空泵等与机床本体分离，单独成为一个部件，放在机床旁边，再用皮带传动方式连接起来，获得了很好的效果。 对于大件或基础件，还应选用抗振性强的材料。,2019/4/2,36,5）控制性能好 超精密切削机床采用微机数字控制，在选择数控系统时，不仅要考虑所需完成的功能，而且应有良好的控制性能，如插补、进给速度控制、刀具尺寸补偿、主轴转速控制等，要求插补速度快、插补精度高、进给速度稳定。 还应有编程简便、操纵使用方便、伴有跟踪显示等特点。此外，除应具有一般机床的静态和动态精度外，还应具有良好的随动精度。,2019/4/2,37,（3）加工工具,主要是指刀具、磨具及刃磨技术。 用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到24nm，同时应解决其检测方法。 刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。,2019/4/2,38,（3）加工工具, 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为w20w0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。,2019/4/2,39,（4）检测与误差补偿,尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪和激光干涉仪来测量； 表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量； 表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用x光衍射法、激光干涉法等来测量； 误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响；,2019/4/2,40,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,3.影响精密和超精密加工的因素,4.精密与超精密加工环境,2019/4/2,41,恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 实现方法：采用空气调节系统,净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器,4.精密与超精密加工环境,2019/4/2,42,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,3.影响精密和超精密加工的因素,4.精密与超精密加工环境,5.精密和超精密加工主要研究内容,2019/4/2,43,(1)超精密加工的加工机理 在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行研究；微观表面完整性研究。 (2)超精密加工设备制造技术 纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。,5.精密和超精密加工主要研究内容,2019/4/2,44,(3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术 金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。 (4)精密测量技术及误差补偿技术 纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。 (5)超精密加工工作环境条件 超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。,2019/4/2,45,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,3.影响精密和超精密加工的因素,4.精密与超精密加工环境,5.精密和超精密加工主要研究内容,二、超精密切削加工,2019/4/2,46,二、超精密切削加工,超精密切削：指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。,用于加工：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。 超精密切削也服从金属切削的普遍规律。 金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。,2019/4/2,47,1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。 2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。 3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。 4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。 不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。,1. 超精密切削对刀具的要求,2019/4/2,48,超精密切削刀具用的天然单晶金刚石，大颗粒（0.51.5克拉），具有性能特征如下： （1）具有极高的硬度，其硬度达到600010000hv； （2）能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。刃口能磨到530m； （3）热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦系数低，亲和力小； （4）耐磨性好，刀刃强度高。 优质天然单晶金刚石，价格昂贵，浅色透明，无杂质、无缺陷。,2. 金刚石刀具的性能特征,2019/4/2,49,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,典型机床简介,2019/4/2,50,一、概述,1. 精密和超精密加工的划分,2.精密和超精密加工技术的地位与作用,3.影响精密和超精密加工的因素,4.精密与超精密加工环境,5.精密和超精密加工主要研究内容,二、超精密切削加工,三、超精密磨削和磨料加工,2019/4/2,51,超精密砂轮磨削 超精密砂带磨削,三、超精密磨削和磨料加工,超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒或微粉磨料主要对黑色金属、硬脆材料进行加工，分固结磨料和游离磨料两加工方式。,固结磨料加工主要有：,2019/4/2,52,一、概述,二、超精密切削加工,三、超精密磨削和磨料加工,1.超精密砂轮磨削技术,2019/4/2,53,1.超精密砂轮磨削技术,超精密磨削：加工精度在0.1um以下、表面粗糙度ra 0.025um以下的砂轮磨削方法。 磨粒去除切屑极薄，将承受很高的压力，其切削刃表面受到高温和高压作用。 用人造金刚石、立方氮化硼(cbn）等超硬磨料砂轮。,2019/4/2,54,1.超精密砂轮磨削技术,超精密磨削与普通磨削的区别： 主要是切削深度极小，是超微量切除，除微切削作用外，可能还有塑性流动和弹性破坏等作用。 超精密磨削与砂轮特性、修整砂轮的工具、修整方法和修整用量等密切相关。,2019/4/2,55,一、概述,二、超精密切削加工,三、超精密磨削和磨料加工,1.超精密砂轮磨削技术,2.超精密砂带磨削技术,2019/4/2,56,2.超精密砂带磨削技术,砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。,2019/4/2,57,一、概述,二、超精密切削加工,三、超精密磨削和磨料加工,1.超精密砂轮磨削技术,2.超精密砂带磨削技术,3.超精密研磨与抛光技术,2019/4/2,58,3.超精密研磨与抛光技术,磨粒或微粉不是和结合剂固结在一起，而是呈游离状态放在工件和工具之间，新的研磨方式 。 超精密研磨和抛光加工。 （1）超精密研磨技术 研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处。,2019/4/2,59,超精密研磨技术：加工误差达0.1微米以上，表面粗糙度达0.02微米以下的研磨方法，是一种原子、分子加工单位的加工方法。 特点：恒温条件，磨料与研磨液混合均匀，磨粒的颗粒非常小，研具材料较软、研具刚度精度高、研磨液严格过滤。 超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、半导体硅 片、石英晶体、高级平镜和光学镜头等零件的最后加工工序。,研磨剂,研磨平面,抛 光,2019/4/2,60,一、概述,二、超精密切削加工,三、超精密磨削和磨料加工,1.超精密砂轮磨削技术,2.超精密砂带磨削技术,3.超精密研磨与抛光技术,四、超精密加工技术的发展及典型机床简介,2019/4/2,61,(1)美国是开展研究最早的国家。 (2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家 。 (3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。,四、超精密加工技术的发展及典型机床简介,2019/4/2,62,精密机床是实现精密加工的首要基础条件。 1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；19831984研制成功大型超精密金刚石车床dtm3型和lodtm大型超精密车床。 2）英国：1991年研制成功大型超精密机床oagm2500。 3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。 4）中国：jcs027超精密车床、jcs031超精密铣床、jcs035超精密车床等。,2019/4/2,63,dtm-3大型超精密车床,采用精密数控伺服方 式，控制部分为内装式 cnc装置和激光干涉测长 仪，精确测量定位，在 伺服机构内装有压电 微位移机构，实现纳米 级微位移。,2019/4/2,64,大型光学金刚石车床lodtm,机床采用立式结构，采用止推轴承，双频激光测量系统，使用在 线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基 周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。,2019/4/2,65,oagm 2500大型超精密机床,机床的x和y向导轨采 用液体静压，z向的磨轴头 和测量头采用空气轴承。 床身采用型钢焊接结构， 用精密数控驱动，双频激 光测量系统检测运动位置。,2019/4/2,66,ahn1o型高效专用车削、磨削超精密机床,有一个x和y向调整的刀架及作b轴转动的高精度转台，借助三轴 精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承。,2019/4/2,67,北京机床研究所 纳米级数控车床,square2超精密铣床,2019/4/2,68,复印机感光鼓超精密车床,2019/4/2,69,1）液体静压轴承主轴,回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下， 在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、 端面跳动和轴向窜动的大小。 影响回转精度的因素 （1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。,1. 精密主轴部件,2019/4/2,70,（1）液体静压轴承工作原理,静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承,2019/4/2,71,（1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为4个）。 （2）各油腔之间开有回油槽。 （3）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。,2019/4/2,72,（4）油腔四周和轴颈之间的间隙一般为 0.020.04mm。 （5）油泵供油压力为ps ，油液经节流器t进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。 （6）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为h0。 （7）当主轴受径向载荷（包括自重）f作用后，轴颈向下移动产生偏心量e。,2019/4/2,73,（8）油腔3处的间隙减小为h0-e ，流量减小，因而流过节流器t3的流量减少，压力损失随之减小； （9）供油压力ps 一定，油腔3内的油压p3升高；,2019/4/2,74,（10）油腔1处的间隙增大为h0e，流量增加，因而流过节流器t1的流量增加，压力损失亦随着增加，所以油腔1内的油压p就降低，这样油腔3与油腔1之间形成了压力p = p3 -p1，产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷f。 （11）如油腔的有效承载面积为a，则轴承的承载能力为：f= a（p3 - p1）,2019/4/2,75,1）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。 2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。 解决措施： 1）提高静压油的压力到68mpa，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。 2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。 3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。,（2）液体静压轴承的缺点,2019/4/2,76,前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。,2）空气静压轴承主轴,2019/4/2,77,前部用球形，后部用圆柱径向空气轴承的主轴,2019/4/2,78,床身要求：抗振、热膨胀系数低、尺寸稳定性好 床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足。 导轨要求：高直线精度，不得爬行 有液体静压导轨、空气静压导轨。,2.床身和精密导轨,2019/4/2,79,平面型空气静压导轨示意图 1-静压空气 2-移动工作台 3-底座,2019/4/2,80,微量进给装置要求： 分辨率达到0.001-0.01m； 精微进给与粗进给分开； 低摩擦和高稳定性； 末级传动元件必须有很高的刚度； 工艺性好，容易制造； 应能实现微进给的自动控制，动态性能好。,3.微量进给装置,2019/4/2,81,双t形弹性变形微进给装置,1-微位移刀夹 2、3-t形弹簧 4-驱动螺钉 5-固定端 6-动端,分辨率0.01m， 最大位移20m， 静刚度70n/m，,2019/4/2,82,最大位移 15-16m 分辨率 0.01m 静刚度 60n/m,压电陶瓷微进给装置 1-刀夹 2-机座 3-压电陶瓷 4-后垫块 5-电感测头 6-弹性支承,2019/4/2,83,第三节 高速加工技术,本节要点 概念 切削速度范围 切削理论 优点和应用领域 所涉及的关键技术,2019/4/2,84,一、高速加工的概念与特征,普通加工超过70是辅助时间（零件的上下料、测量、换刀和调整机床）几十年，主要是减少加工过程的辅助时间。 数控技术的应用。 机床空行程动作（自动换刀、上下料）大大加快，辅助工时也大为缩短。自动换刀时间缩短小于1s，空行程速度提高到3060m/min。但再减少辅助工时，技术上有难度，经济上不合算。可以减少切削的工时，提高切削速度和进给速度。 高速加工可以成倍提高机床的生产效率，还可以改善加工质量和精度。,2019/4/2,85,（2）刀具：pcd、cbn、超细晶粒硬质合金、si3n4陶瓷、tin基硬质合金，涂层刀具。,高速加工技术：是指采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。,（1）以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。,2019/4/2,86,1. 高速加工切削速度的范围,通常， 考虑到切削刀具直径和转速等因素。我们用切削加工的线速度来描述切削速度。单位是米分钟（mmin）。 由于机床主轴是提供高转速的关键部件。用主轴转速来划定高速切削的范围。,2019/4/2,87,1. 高速加工切削速度的范围,（1） 按切削速度划分,车削700一7000mmin； 铣削300一6000mmin； 钻削200一1100mmin； 磨削150ms以上。 这种划分比常规切速几提高了一个数量级、而且还有继续提高的趋势。,1）按不同加工工艺划定,2019/4/2,88,2）按加工不同的工件材料划分,1. 超高速加工切削速度的范围,20世纪80年代德国darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所（ptw）对钢、铸铁、镍基台金、钛基合金、铝合金、铜合金和纤维增强塑料等材料分别进行高速切削实验，得到适合于高速切削的速度范围。 其研究结果得到了国际上的公认，至今仍是大家认可的高速切削速度。,2019/4/2,89,（2）按加工不同的工件材料划分,1. 超高速加工切削速度的范围,铝合金：1000-7000 m/min 铜：900-5000 m/min 钢：500-2000 m/min 灰铸铁：800-3000 m/min 钛：100-1000m/min,2019/4/2,90,（2）根据机床主轴转速划分,按主轴的dn值区分。 dn值是指用主轴轴径（或主铀轴承内径尺寸） d（mm）和主轴能达到的最高转速n（rmin）的乘积。高速主轴的dn值（1一5）106。,2019/4/2,91,2. 高速切削基础理论研究,高速切削从假设到工业应用经历了一个漫长的过程，但每一步都伴随着理论的研究和指导。 虽然高速切削现在已经在世界上很大范围使用，并取得了巨大的技术经济效益，但是，高速切削理论仍然继续处于研究之中，而且还远还没有成熟，受研究条件和研究水平的限制。,(1)高速切削基础理论研究的历史回顾,2019/4/2,92,泰勒（frederick w.taylor）是最早研究金属切削机理的学者之一。提出了传统的切削速度和刀具寿命的关系为线性，即刀具的速度越高，刀具的磨损越快。 在20世纪上半叶，一些研究人员开始发现但在实际生产中出现了违反这一规律的现象。,2. 高速切削基础理论研究,(1)高速切削基础理论研究的历史回顾,2019/4/2,93,大多数人认为，提出这一问题的人是德国人萨洛蒙（carl.j. salomon）。萨洛蒙博土在19241931年间，进行了一系列的高速切削实验。 萨洛蒙宣称切削温度随着切削速度的提高而升高，直到看起来像一个山顶的临界峰值出现在个给定的速度值上，这个速度叫做临界速度。超过这个速度，沿着山峰往下走，切削温度理论上开始下降，刀具的寿命也得到改善。 对于切削不同的工件材料，具有不同形状的“切削温度切削速度”曲线。 萨洛蒙博士已经成为人们公认的“高速切削之父”、因为他的理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围。,2019/4/2,94,美国洛克希德飞机公司（lockheed aircraft）的工程师沃汉，20世纪50年代后期的社会环境，在这个时期，试验研究获得了一系列数据，但没有得出实用的方法。 提出了在1960年确定使用“弹道切削”，即用枪或炮打出一个工件，以4500一11000mmin的速度通过一个单刃刀具。微型摄像机拍下弹道切削过程的照片，这就提供了很好的分析数据，来研究高速切削过程。,2019/4/2,95,研究指出，在高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变，单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降。 说明，在高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切削轻松和容易。,2019/4/2,96,20世纪70年代后期，美国通用电气公司（ge）也组织了一批研究人员研究高速切削技术。研究指出，随着切削速度的提高，切削力下降，加工表面质量提高，刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性，确定： 铝合金的最佳切削速度范围是1500一4500mmin。,2019/4/2,97,1984年，在德国达姆斯塔特工业大学的生产工程与机床研究所，ptw。 在舒尔兹教授（hschulz）的领导下，联合了德国41家机床制造厂、刀具生产厂、主轴、数控系统和驱动单元的制造厂商，在有关高速切削应用技术的各个方面进行了全面的研究，得到一系列引导实际应用的研究结果和大量数据，取得了国际公认的高水平研究成果。,2019/4/2,98,1996年，舒尔兹教授出版了全面介绍他们研究结果的新著高速切削，进一步充实、完善了高速切别理论和应用技术，提供了大量在各种情况下的切削实验数据，有力地推动了高速切削技术的普及应用。,2019/4/2,99,(2)萨洛蒙高速切削假设和实验,德国的切削物理学家萨洛蒙博士于1929年进行了高速模拟切削实验。1931年4月发了著名的高速切削理论，并在德国申请了专利。,应该指出，萨洛蒙在高速切削理论上的最大贡献，在于他提出了一个不可切削区域的概念。,2019/4/2,100,carl salmon萨洛蒙对铝和铸铜等有色金属进行了高速实验，所得结果图中的实线所示。虚线是推算出来的，并没有经过实验验证。,2019/4/2,101,切削速度变化和切削温度的关系,萨洛蒙指出：a 区(常规切削区)，切削速度t 随切削温度v 的提高而升高； 在b 区(不可用切削区) ，当速度v增大到某一数值v0 后( v 0的大小同工件材料的种类有关) ， v 再增大， t 反而下降了。 由于在这个区域，t 太高，任何刀具材料都无法接受，切削加工不可能进行，因此，这个区域被称之为“死谷”。 c区，高速切削区。,salomon的最大贡献是预言了非切削工作区域的存在，被誉为“高速加工之父”。,2019/4/2,102,（1）加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍； （2）切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件； （3）切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件；,3.超高速加工的特点,2019/4/2,103,（4）加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动； 又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量；,3.超高速加工的特点,（5）减少工序：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集中在一道工序中完成。这对于模具加工具有特别意义。,2019/4/2,104,1976年，美国的vought公司的超高速铣床，采用了内装式电机主轴，转速达20000r/min，功率15kw。,二、高速加工技术的发展与应用,美国于1960年前后开始进行高速切削试验。1977年美国在一台带有高频电主轴的加工中心上进行高速切削试验。,2019/4/2,105,1983年德国guerhing automation公司格林自动化公司，超高速磨床，转速10000r/min，功率60kw. 日本于20世纪60年代就着手高速切削机理的研究。进入20世纪90年代以来。陆续向市场推出不少高速加工中心和数控铣床，日本厂商现已成为世界上高速机床的主要提供者。 法国、瑞士、英国、前苏联、意大利和澳大利亚等国在高速切削方面也做了不少工作。,2019/4/2,106,1994年，中国机床工具工业协会组织考察工作组，赴美、扫考察高速切削机床的发展和应用情况。 20世纪90年代初期，北京理工大学开始研究高速切削的基本方法和理论，由于缺乏研究设备，实质性的研究还无法深入进行。 广东工业大学以张伯霖教授为首的高速加工与机床研究室，逐渐对高速切削技术的各个方面以及高速加工机床的主要部件进行了更深人的理论研究和实验研究，取得了一定的成果，对在我国发展应用高速切削技术起到很大的推动作用。,2019/4/2,107,hsm600u型数控五轴高速加工中心 生产厂家：瑞士mikron 主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：13 kw 进给速度：最高40 m / min 定位精度：0.008 mm 重复定位精度：0.005mm,2019/4/2,108,2019/4/2,109,用于航空航天业的acm高速加工中心（metav 1998）,5轴联动高速切削 切削轻金属和钛合金 水平装卡 垂直加工，便于排屑,2019/4/2,110,用于模具制造的droop & rein 加工中心,框架结构 加工板材冲压模具 单件小批量生产 主轴转速：15.000 r/min 难加工材料加工,2019/4/2,111,用于模具制造的mikromat高速铣床,高抗热矿物铸铁（mineralguss）床身 模块化构造 高速电机主轴：60.000 r/min 进给速度24 m/min 刀卡：hsk63,2019/4/2,112,高速车床（ptw darmstadt）,聚合混凝土斜床身 宽调速交流电机直接带动主轴 滚动轴承，气体冷却 主轴的大内孔，降低转动惯量 单独支承的尾架 最高转速：16.000 r/min,2019/4/2,113,美国ingersoll公司是高速机床应用直线电动机的先锋。该机床用于加工汽车模具的高速龙门铣床。三个坐标都采用直线电动机驱动。主轴最高转速20000r/min，快速移动40m/min 。 已用在日本丰田公司模具加工。,2019/4/2,114,（1）航空航天领域 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。 飞机大梁、肋板、雷达组件、钛和钛合金零件、铝或镁合金压铸件。材料去除率达100-180cm3/min。 现代飞机构件都采用整体加工技术，高速切削，加工出高精度的铝合金的构件，不用铆接的工艺。,如波音公司的f15战斗机的起动减速板。由500个零件装配而成，约为3个月。高速加工，整体 铣削，仅需几天。,2019/4/2,115,高速铣削典型工件,铝合金整体零件： 整体零件“掏空”，切除量大 零件有薄壁，要求小切削力 小直径刀具 较长的刀具悬伸,2019/4/2,116,（2）汽车工业领域 大批生产领域中铸铁和刚的高速切削。 采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产,2019/4/2,117,（3）模具工具工业领域 简化加工手段，缩短加工周期 ，提高加工效率，降低成本。可以直接在淬硬材料加工。可以达到高表面质量。省去了电加工，研磨和抛光的工序。锻模和铸模经超高速切削即可。超高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍。,2019/4/2,118, 对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。,2019/4/2,119,2019/4/2,120,高速切削加工电火花加工用工具电极 比普通加工快12倍，而且不需要手工修整。如图中的铜电极，粗铣：主轴转速35000r/min，进给速度6m/min;精铣：40000m/min，进给速度8m/min。整体加工时间为29min，提高了工具电极的加工速度。,2019/4/2,121,（4）难加工材料领域。硬金属材料（hrc5562），可代替磨削，精度可达it5it6级，粗糙度可达0.21微米。,（5）超精密微细切削加工领域。电路板上有许多0.5mm左右的小孔，用高速加工。,2019/4/2,122,高速切削加工： 粗铣整体铝板；精铣去口；钻680个直径为3mm的小孔。时间为32min。,2019/4/2,123,三、高速切削加工的关键技术,高速主轴、快速进给系统、高性能cnc控制系统、先进的机床结构、高速加工刀具等。,1. 高速主轴,最关键部件。超高速化指标：dn值，至少达到1106。目前，转速范围为1000025000r/min，进给速度达到10m/min以上。,电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑的特点。,采用的轴承有：滚动轴承、气体静压轴承、液体静压轴承、磁浮轴承。,电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑的特点。,采用的轴承有：滚动轴承、气体静压轴承、液体静压轴承、磁浮轴承。,电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑的特点。,采用的轴承有：滚动轴承、气体静压轴承、液体静压轴承、磁浮轴承。,2019/4/2,124,陶瓷轴承高速主轴结构,2019/4/2,125,采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； 采用c或b级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似； 采用“小珠密球”结构，滚珠材料si3n4； 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力； 陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度； 陶瓷摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失； 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。 轴承转速特征值（= 轴径（mm）转速（r/min）较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.51106。,陶瓷轴承高速主轴结构特征,2019/4/2,126,电磁铁绕组通过电流 i0，对转子产生吸力 f，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置,位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。 控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。,2019/4/2,127,磁浮轴承主轴结构,2019/4/2,128,主轴由两个径向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。 转速特征值可达4106。 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。,磁浮轴承主轴特点,2019/4/2,129,2. 快速进给系统,机床工作台要有很高进给速度为60m/min以上，特殊情况可达120m/min，甚至更高； 高加速度，一般要求12g，特殊可达到210g； 高精度； 高可靠性和高安全性； 合理的成本。,2019/4/2,130,2. 快速进给系统,伺副电动机+大导程超高速精密滚珠丝杠副。用于中小载荷、中小速度（1040m/min）和中小加速度（0.51.0g）的场合。 直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。 直线电机：进给速度可达160m/min，加速度可达2.5-10g。消除了机械传动间隙和弹性变形，几乎没有反向间隙，是未来机床进给传动的基本形式。用于高档超高速加工中心。可以消除机械传动系统的间隙和弹性变形。,2019/4/2,131,3. 高性能的cnc控制系统,要有很高的运算速度和精度，以及快速响应的伺服控制。32位或64位cpu，计算机处理软件。几何补偿软件。,2019/4/2,132,4. 先进的机床机构,安全保障系统：在线监控系统，来监测刀具的破损；用足够厚钢板做安全罩，用防弹玻璃做观察窗。,床身和工作台的要求：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。 采取的措施：床身、立柱、横梁、工作台等基础件一般采用整体铸造；多应用高强度铸铁、聚合物混凝土、大理石等材料。,并联机床,2019/4/2,133,5. 超高速加工刀具,对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损；必须良好的平衡，可靠定位。 刀具材料：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮花硼刀具。,2019/4/2,134,天然金刚石,天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为hv8000-12000。 天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。 天然金刚石耐热性为700-800，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。,2019/4/2,135,聚晶金刚石,人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成金刚石粉。 在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。 聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为hv6500-8000 。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。 金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。,2019/4/2,136,较高的硬度和耐磨性： pcbn硬度hv3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。, pcbn切削性能,聚晶立方氮化硼(pcbn/polycrystalline cubic boron nitride) 1970年问世,高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具,2019/4/2,137,良好的化学稳定性 1200-1300与铁系材料不发生化学反应；2000 才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。 较低的摩擦系数 cbn与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。,2019/4/2,138,作业： 1. 在怎样的速度范围下进行加工属于高速加工？ 2. 绘制出萨洛蒙曲线？说明其意义？ 3. 高速切削加工的优点有哪些？应用在哪些领域？ 4. 高速机床和普通数控机床在结构上有哪些区别？,2019/4/2,139,本节要点 快速原型制造的工作原理、 工艺过程 方法：立体印刷sla、选择性激光烧结sls、分层实体制造lom、熔融沉积成形fdm,第四节 快速原型制造技术 rapid prototyping manufacturing,2019/4/2,140,一、 rpm技术的产生,进入20世纪后期，市场环境发生了巨大的变化。一方面表现为消费者