超高速超精密加工技术教学内容

超高速及超精密加工(jiāgōng)技术工程训练中心(zhōngxīn)

姓名：党长春学号：2162224026

第一页，共36页。超高速加工(jiāgōng)技术高速加工的概念与特征高速加工的切削速度范围高速加工的切削理论高速切削加工的优点(yōudiǎn)和应用高速切削加工的关键技术第二页，共36页。高速加工技术：采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动(yùndòng)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。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。超高速切削（SuperHigh-speedCutting）:采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。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5～10倍。以主轴(zhǔzhóu)转速界定：高速加工的主轴(zhǔzhóu)转速≥10000r/min。高速加工(jiāgōng)的概念与特征第三页，共36页。图2切削速度变化(biànhuà)和切削温度的关系在1931年4月，根据实验(shíyàn)曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。第四页，共36页。切削力低切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规(chángguī)降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；高速(ɡāosù)加工的特点材料切除率高单位(dānwèi)时间内切除率可提高3-5倍；图3加工零件第五页，共36页。高精度切削激振频率远高于机床系统(xìtǒng)固有频率，加工平稳、振动小；减少工序工件(gōngjiàn)加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（Onepassmachining）。A为高速(ɡāosù)切削加工时的热传导过程B为传统加工的热传导过程图4热传导对比图热变形小

温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；第六页，共36页。高速切削加工应用（1）航空航天领域。大型整体(zhěngtǐ)结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。

波音公司的F15战斗机的起动(qǐdònɡ)减速板第七页，共36页。铝合金整体零件：整体零件“掏空”，切除量大零件有薄壁，要求(yāoqiú)小切削力小直径刀具较长的刀具悬伸高速铣削典型(diǎnxíng)工件第八页，共36页。（2）汽车(qìchē)制造。专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）第九页，共36页。（3）模具(mújù)制造。

采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值/mm加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修第十页，共36页。b）高速模具加工的过程

两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修

a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修

电极制造第十一页，共36页。（4）难加工(jiāgōng)材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。（5）超精密微细切削加工(jiāgōng)领域。粗铣整体铝板；精铣去口；钻680个直径(zhíjìng)为3mm的小孔。时间为32min。

高速切削加工医用药盒第十二页，共36页。高速(ɡāosù)切削加工的关键技术1.高速(ɡāosù)主轴电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构(jiégòu)。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(jiégòu)紧凑。

转速：CAK6136V/750主轴最高转速：3000m/min.VMC650立式加工中心主轴最高转速：8000r/min.VCN510C-数控立式加工中心转速：15000r/min.第十三页，共36页。前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图18

磁浮轴承高速主轴磁浮轴承主轴(zhǔzhóu)结构第十四页，共36页。2.快速(kuàisù)进给系统

具有大的加减速度以及高的定位精度。普遍采用交流伺服电机代替直流伺服电机。快速进给速度：VCN510C-加工(jiāgōng)中心进给速度：36m/min.VMC650立式加工(jiāgōng)中心进给速度：10m/min.CAK6136V/750快速进给速度：7.6m/min工作进给速度：高规格的加工(jiāgōng)中心快速进给速度可达到60m/min.工作进给速度低于40m/min.第十五页，共36页。3.超高速加工(jiāgōng)用刀具、磨具超高速加工(jiāgōng)用刀具、磨具主要指超高速铣削用刀具和超高速磨削用砂轮。技术要求：较强的硬度和耐磨性、较高的强度和韧性、高的耐热性和抗冲击性。刀具切削刃主要材料：聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、氧化硅陶瓷材料。第十六页，共36页。金刚石刀具(dāojù)第十七页，共36页。1957年美国通用电器(GE)公司采用与金刚石制造方法相似的方法，合成于第二种超硬材料——立方氮化棚(CBN)。CBN有单晶体和多晶体之分，即CBN单晶和聚晶立方氮化棚(简称PCBN)。CBN与金刚石的硬度相近，又具有(jùyǒu)高于金刚石的热稳定性和对铁族元素的高化学稳定性。各种(ɡèzhǒnɡ)焊接的PCBN刀具立方(lìfāng)氮化硼刀具第十八页，共36页。

精密与超精密加工的定义精密与超精密加工的地位金刚石刀具(dāojù)镜面切削精密与超精密磨削精密与超精密加工(jiāgōng)技术第十九页，共36页。

精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份精密(jīngmì)与超精密(jīngmì)加工定义第二十页，共36页。

精密(jīngmì)与超精密(jīngmì)加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机(fēijī)发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密(jīngmì)与超精密(jīngmì)加工的地位第二十一页，共36页。切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具(dāojù)难以承受高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量金刚石刀具(dāojù)镜面切削应用光学(guāngxué)反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等

机理、特点

刀具刃口半径可达到纳米级水平，可实现切削厚度为纳米级的连续切削第二十二页，共36页。金刚石车床(chēchuáng)加工(jiāgōng)4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工(jiāgōng)照片第二十三页，共36页。精密与超精密磨削

磨削是保证(bǎozhèng)产品的精度和质量的最后一道工序。超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉对硬脆材料进行加工的方法。

第二十四页，共36页。进给＋－图2-8ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷1、ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）

使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。第二十五页，共36页。◆砂轮材料(cáiliào)：金刚石，立方氮化硼（CBN）可加工各种高硬度、高脆性金属(jīnshǔ)及非金属(jīnshǔ)材料（铁金属(jīnshǔ)用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高磨削力小，磨削温度低，加工表面好◆特点(tèdiǎn)：

分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行常用方法:①用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；

②电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整◆

砂轮修整：2、超精密砂轮磨削技术第二十六页，共36页。砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式和闭式两种形式，可磨削平面(píngmiàn)、内外圆表面、曲面等（图2-11）。接触轮硬磁盘—装在主轴真空吸盘上图2-9砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动3、精密(jīngmì)与超精密(jīngmì)砂带磨削第二十七页，共36页。几种常见砂带磨削(móxiāo)方式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮主动轮砂带工件接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮第二十八页，共36页。砂带磨削(móxiāo)特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工(jiāgōng)质量好（Ra值可达0.02μm）。3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗(móhào)重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带

静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图2-12），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。第二十九页，共36页。4.超精密研磨与抛光研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具之间通过相对复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。1、研磨加工的机制和特点研磨加工，通常是使用在1μm到十几μm大小的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具之间并借助机床提供的复杂运动，实现零件表面加工轨迹高度不重合。研磨时磨粒的工作状态(zhuàngtài)有以下三种：1）磨粒在工件与研具之间进行转动。2）由研具支承磨粒研磨加工面。3）由工件支承磨粒研磨加工面。第三十页，共36页。2、抛光加工的机制和特点抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但是，抛光使用是磨粒是1μm以下的微细磨粒，而抛光器则需使用沥青、石蜡(shílà)、合成树脂、人造革、等软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没有的镜面。

第三十一页，共36页。3、超精密研磨和抛光的主要新技术（1）超精密研磨研磨普通的硬脆材料时，由于有微细的破碎，生成的切屑参于研磨。但是，如果研磨金属材料时，则没有破碎，而由