第三章 先进制造工艺技术(超高速加工)

1、 一、超高速加工的定义及产生背景一、超高速加工的定义及产生背景 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨 具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、 高柔性的制造设备以极大地提高切削速度来达到 提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制 造技术。 20世纪世纪30年代德国物理学家年代德国物理学家dr.carl salomon以大直径以大直径 圆锯片对不同的工件进行了高速切削实验。圆锯片对不同的工件进行了高速切削实验。 50年代末期，得到科学家和工程师的重视展开了一系列年代末期，得到科学家和工程师的重视展开了一系列 模拟实验。模拟实验。 1977年美国第一次在真正的机床上实现了超高速切削。年美国

2、第一次在真正的机床上实现了超高速切削。 80年代中期德国年代中期德国darsmtadt大学和大学和40多家制造企业在政多家制造企业在政 府的资助下，对高速机床、刀具、控制系统和安全防护等进府的资助下，对高速机床、刀具、控制系统和安全防护等进 行全面研究。其研究成果反映在行全面研究。其研究成果反映在H.Schulz教授的专著教授的专著金金 属和非金属的高速铣削属和非金属的高速铣削中。中。 90年代日本后来居上。年代日本后来居上。 国外一些高速加工中心，其主要技术参数为： 主轴最高转速：最高4000060000r/min 坐标轴加工最高速：3060m/min，快速 移动：7080m/min； 换刀

3、时间：1.53.5 s ，0.80.9 s ； 托板交换：68s 小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量极小，因而机床 主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长， 同时刀具 寿命也延长了。 虽然切削深度和厚度小，但主轴转速高，进给速度快，单 位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高 了。 将粗加工、半精加工、精加工合为一体，在一台机床上完 成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。 可加工高硬度、难加工材料(62HRC左右)，可以钻1mm以 下的小孔。 加工时间短，经济性能好。 有色金属，特别是铝薄壁加工，如厚度0.1mm、高 几十mm的成形曲面。 石墨加工，模具型腔制造中，采

4、用电火花腐蚀加 工，石墨电极被广泛使用。石墨很脆，必须用高 速切削才能较好地进行成形加工。 模具，特别是淬硬模具。可以直接切出模具，省 去机加工电加工的几道工序，节约工时；还可 达到很高的表面质量(Ra0.4um)，省去了电加工 后面的磨削和抛光的工序；切削中形成的已加工 表面的压应力状态，提高模具工件表面的耐磨程 度。 硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。 超高速切削的发展趋势： 高效高速化； 实用廉价化； 复合化等 超高速磨削技术的发展趋势： 高柔性自动化系统+超硬磨料磨具+各种高速 高效磨削技术。 关键技术： 超高速切削、磨削机理； 超高速主轴单元制造技术； 超高速加工进给单元制造技术；

5、 超高速加工用刀具、磨具； 超高速加工机床支承及辅助单元制造技术； 超高速加工测试技术。 随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当 切削线速度达到超过某临界值时，切削温度及切削力会减 小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加 主轴的驱动方式主轴的驱动方式 电动机通过带传动：变频电机，电机经精密动平衡， 置于单独地基，柔软丝质传动带。（优点：可隔离 电机振动；缺点：布置不方便） 电动机通过柔性联轴器驱动：电机、主轴在同一轴 线上，变频电机，电机经精密动平衡，柔性联轴器 联结。（优点：结构紧凑，回转精度高；缺点：轴 向尺寸增加，机床尺寸增加） 内装式同轴电动机驱动：电机轴即机床主轴，无刷

6、式直流电动机。 主轴是电机的转子，定子装入主轴套筒内， 取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的 结构，减少了振动，增加了可靠性， 可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达 到042000r/min，甚至更高。 结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 回转精度高，摩擦振动小， 主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件， 陶瓷轴承、 静压轴承、 动压轴承、 空气轴承以及气油润滑、喷射润滑等技术 热升温引起主轴热变形的解决办法：采用电子传 感器控制温度，使用水冷或油冷循环系统，使主 轴在高速下成为“恒温”；而用油雾润滑、混合 陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长

7、寿 命、高精度。 举例：STEPTEC的电主轴采用了矢量式闭环控 制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷 轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主 轴在全部工作时间内温度衡定。 液体静压主轴 空气静压轴承主轴 静压轴系：轴承间隙内介质压强由外部供给， 忽略主轴旋转时的动压效应，承载能力不受主 轴转速的影响，此外，主轴浮起后是纯液体或 气体摩擦，主轴旋转后轴线偏移量比轴颈轴套 的加工误差小得多。适合于调速范围和载荷变 化大得精密设备原理 优点： 回转精度高、 刚性大、 转动稳、无振动， 保护金属 缺点： 油温易升高， 不同转速温升不同，控制困难； 易将空气带入油源，使油中产生悬浮微小气泡，

8、 降低刚性和动态特性。 解决途径：提高压力油油压，减小油中气泡 的影响；设置恒温油箱控制静压轴承用油； 轴承用恒温水冷却 优点： 回转精度更高、温升很小； 可用于高速； 气体无需回收、密封以及不污染环境。 缺点： 承载能力和刚性比液体静压轴承低； 气体支撑容易引起气锤现象而导致失稳； 制造精度要求极高； 不能保护金属，带水分气体会腐蚀金属。 典型结构： 圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承； 双半球空气轴承主轴； 前部球形后部圆柱径向空气轴承的主轴； 立式空气轴承； 要求： 不易磨损； 不易腐蚀生锈； 热膨胀系数小； 稳定性好。 制造空气主轴和轴套的材料： 38CrMoAl氮化钢、不锈钢、多孔石

9、墨和轴承钢 发展中的材料：铟钢、花岗石、微晶玻璃、 陶瓷 对刀具的要求：具有足够的耐热性、耐磨性 和耐破损性的刀具材料 常用材料：涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化 钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼 (CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金 刚石(PCD)等。 各种常用材料的高速切削速度：铝合金 10007000m/min；铜合金9005000m/min； 钢5002000m/min;灰铸件8003000m/min。 其进给速度范围一般为225m/min。 刀具材料根据工件材料和加工性质的选择： 陶瓷(AlO，SiN)、金属陶瓷及PCBN刀具等适 用于钢、铁等黑色金属；PCD 和CV

10、D等刀具则 适用于对铝、镁、铜等有色金属。 刀具材料及制备技术 聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼 （PCBN） 刀具结构及刀具几何参数 高速磨削砂轮和超硬磨料、结合剂、基体的 开发应用 高速磨削用超硬磨具的制备及应用 数控系统 床身结构 导轨 驱动电机：直线电机 刀具的材料和技术 采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷 却润滑液。 其他 支撑环境 可同时控制8根以上轴，实现五轴联动。多个 CPU，数据块处理时间不超过0.4ms；配置功能 强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力 强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干 预，随时修改。外接插口，数据传输速度快， 甚至可与以太网直联；加上全闭

11、环的测量系统， 配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动 可以实现12g的加速和减速运动。 矢量式闭环控制：借助数/模转换，将交流异步 电动机的电量值变换为直流电模型，具有无电 刷的交流电机的优点，即在低转速时，保持全 额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和 制动。 落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的 主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚 至三轴的线性移动。 由于刀具重量变化极小，在工件乃至工作台 不进行快速线性移动的情况下， 机床快速线 性移动的部件的重量近乎常量，更容易实现 快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动 态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定， 保证稳定的且更高的加工精度

12、和产品质量。 线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其 移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼 效果都发生了质的改变。 导轨的基本要求：导向精度高、刚度大、耐 磨、运动灵活和平稳 导轨的基本类型：燕尾形、平面、V-平面 导轨偶合面的结构形式：导轨表面耐磨塑料 层；导轨接触面强迫润滑；滚动导轨；液体 静压导轨；气浮导轨；空气静压导轨等。 V-平导轨：磨损后可自动补偿，保持间隙和润滑； 但V导轨和平导轨磨损不一致，工作台下降不均匀； 载荷中心偏向平导轨时，导向精度下降； 双V形导轨：提高了机床的抗扭能力，同时起导向 和支撑作用，导向精度高；磨损均匀；载荷偏离中 央仍有良好导向性；但属于过定位，加工精

13、度要求 很高，加工工艺性差；当床身与工作台热变形量不 同时，很难保证良好接触； 压力油润滑导轨：非液体或气体静压导轨时，用压 力油润滑提高导轨的直线运动精度、减小摩擦。 优点： 快速、精密、高精度和耐用。 显著地减少诸如摩擦力、间隙和磨损等机械传动特 性的影响 获得一致的高精度的位移运动、动态位移和精确的 定位 快速行程可达到60m/min。 高速切削时，不需大的切削扭矩，刀柄不再是传统的 锥柄，而是短圆柄，即HSK型柄，刀柄的定位方式 为靠110的锥部与主轴内锥面定心，同时刀柄凸 缘端面与主轴前端面紧贴，从而获得高转速的联接 刚性。（克服传统加工中心使用的724实心锥柄 刀杆在高转速时的弱点

14、），不需拉钉，主轴锁紧装 置要充分考虑离心力的影响。重要的是需要动平衡， 即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进 行平衡。刀具本身采用通体硬质合金刀，或在硬质 合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即 PCD等，使刀具可以承受高达300500m/min的切削 线速度。 采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷 却润滑液。 新型换刀机构和伺服驱动的托板交换装置， 提高了换刀速度和托板交换速度。 空气环境：洁净度、气流速度、压力和有害气 体等 热环境：包括温度、湿度对加工精度的影响 振动环境的干扰：影响加工精度和表面质量 （积极预防、实现隔振、消振） 光环境：一般照明；局部照明；混合照

15、明 静电环境 洁净室：将室内空气中尘埃微粒、温度、湿度、 压力流速和气流分布形式及形状等控制在一定 范围内的房间。 极高精度测量方法和测量技术的发展 双频激光测量系统、X射线干涉仪、扫描 隧道显微镜、原子力显微镜、精密测角 度仪等 在线自动测量技术的发展 配精密数控的三坐标测量仪 测量数据的自动采集处理技术的发展 硬件：微电子技术、计算机处理能力 软件 汽车车门外覆盖件拉延模具 模具尺寸： 1400 x 1200 x 600 模具重量： 2500kg 毛坯材料：GGG30 材料硬度：HB240 高速加工设备：Mecof 5轴联动高速加工中心 刀具类型球型刀球型刀端铣刀 镶刀材料CBN BRAIE Wel dect TITIAI 直径：f （mm）20126410 切削速度m/min630450340250350 主轴速度rpm1600012000180002100011150 进给率mm/mm80006000500050001000 切深（mm）0.30.30.30.30.3 进