超高速加工技术

1、第4讲 高速加工技术,本节要点 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和应用 高速切削加工的关键技术 高速磨削加工,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（Super High-speed Cutting）: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510倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速1000

2、0 r/min。,高速加工的概念与特征,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异,车削(Turing)：700-7000 m/min 铣削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：50-300 m/s 镗削（Boring）：35-75m/min,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,1. 高速加工切削速度的范围,铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 铜(Cu)：900-5000 m/min 钢(Steel)：500-2000 m/min 灰铸铁(Gray cast

3、 iron)：800-3000 m/min 钛(Ti)：100-1000m/min,德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929年进行了超高速模拟实验。,2. 切削理论的提出,图2 切削速度变化和切削温度的关系,在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。,切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；,3.高速加工的特点,材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；,图 3 加工零件,高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小；,减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为 “一次

4、过”技术（One pass machining）。,A为高速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3C，90%切削热被切屑带走；,图5 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,高速加工技术的发展与应用,图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心,图9 HSM400,加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件,图7 HSM800,图8 HSM600,高速切削加

5、工应用 （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。,图10 波音公司的F15战斗机的起动减速板,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,图11 高速铣削典型工件,（2）汽车制造。,（3）模具制造。,生产剃须刀的石墨电极,生产球形柄用的铜电极,图15 高速切削加工电火花加工用工具电极,（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0.21um。,（5）超精密微细切削加工领域。,粗铣整体铝板； 精铣去口； 钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。,图16

6、 高速切削加工医用药盒,高速切削加工的关键技术,1. 高速主轴,高速化指标：dm n值，至少达到1106,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。,采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气 体静压轴承、液体静压轴承。,陶瓷球轴承,陶瓷轴承高速主轴结构,磁浮轴承主轴结构,2.快速进给系统,伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副； 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。,3 基座 4 磁性轨道 5 直线电机 6 直线导轨7 直线光栅 8 平台 9 接口电

7、缆 10 防护罩 图20 结构图,3.高性能的CNC控制系统,图21 六杆机床（并联机床结构）,4.先进的机床结构,图22 德国HSK型刀柄及其联接结构,5. 高速切削的刀具系统,刀具角度选择：,表1 超高速切削刀具最佳前角和后角推荐值,磨削(Grinding): 借助于砂轮表面大量磨粒作切削刃去除材料的一种方法。 磨削速度（Grinding speed）: 指砂轮表面磨粒在工件材料上进行刻划切削的运动速度，通常就是砂轮周边的回转线速度，单位m/s。 高速磨削(High-speed grinding)：磨削速度在100 m/s以上。 超高速磨削( Super high-speed grinding):150 m/s以上即常规速度五倍以上的高速磨削。,高速磨削加工,1.高速主轴,高速磨削关键技术,图23 高速主轴动平衡系统 1-信号传送单元 2-紧固发兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴,2.高速磨床结构,图24 直线电机驱动高速平面磨床,3.高速磨削砂轮 1）要求： 砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的磨削力，必须考虑高速离心力作用； 砂轮磨粒突出高度要