現(xiàn)代制造理論與技術(shù)四(高速加工技術(shù))

1、2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工22022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工3 2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工41 1）高速加工技術(shù)發(fā)展歷程）高速加工技術(shù)發(fā)展歷程 1930s, 德國德國Carl Salomon博士申請的博士申請的專利專利“類似類似于切削刀具加工的一種加工金屬或材料的新方于切削刀具加工的一種加工金屬或材料的新方法法”，首次提出首次提出高速切削高速切削/ /加工（加工（High Speed High Speed Cutting/ MachiningCutting/ Machining）概念。他發(fā)現(xiàn)：概念。他發(fā)現(xiàn)：“超過某超過某一切削速

2、度，切削溫度開始下降一切削速度，切削溫度開始下降。”SalomonSalomon的基礎(chǔ)研究表明的基礎(chǔ)研究表明：在某一速度范圍內(nèi)，由在某一速度范圍內(nèi)，由于切削溫度太高，切削加工不可能進(jìn)行（這個范于切削溫度太高，切削加工不可能進(jìn)行（這個范圍稱為圍稱為“死谷死谷”）。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工52022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工619312022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工7高速切削為切削速度超過一高速切削為切削速度超過一定定范圍范圍（死谷死谷）的切的切削。削。 2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工8v切削力?。磺邢髁π?； v切削溫

3、度低切削溫度低，工件熱變形小；工件熱變形?。籿有利于保證零件的尺寸、形位精度（有利于保證零件的尺寸、形位精度（1 1；v在遠(yuǎn)離臨界振動區(qū)加工，工藝系統(tǒng)振動減??；在遠(yuǎn)離臨界振動區(qū)加工，工藝系統(tǒng)振動減??；v表面質(zhì)量高表面質(zhì)量高；v顯著提高材料切除率；顯著提高材料切除率；v但刀具壽命隨材料硬度增加而下降。但刀具壽命隨材料硬度增加而下降。v高速銑削可加工多種類型材料：高速銑削可加工多種類型材料：鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、淬硬鋼、石墨、石英玻璃、塑料等。淬硬鋼、石墨、石英玻璃、塑料等。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工9v切削力小

4、；切削力小； v切削溫度低切削溫度低，工件熱變形??；工件熱變形??；v有利于保證零件的尺寸、形位精度（有利于保證零件的尺寸、形位精度（1 1；v在遠(yuǎn)離臨界振動區(qū)加工，工藝系統(tǒng)振動減?。辉谶h(yuǎn)離臨界振動區(qū)加工，工藝系統(tǒng)振動減??；v表面質(zhì)量高表面質(zhì)量高；v顯著提高材料切除率；顯著提高材料切除率；v但刀具壽命隨材料硬度增加而下降。但刀具壽命隨材料硬度增加而下降。v高速銑削可加工多種類型材料：高速銑削可加工多種類型材料：鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳基合金、不銹鋼、淬硬鋼、石墨、石英玻璃、塑料等。淬硬鋼、石墨、石英玻璃、塑料等。2022/4/28精密與超精密加工精密與

5、超精密加工10切削速度切削速度 vc切除率切除率表面質(zhì)量表面質(zhì)量切削力切削力刀具壽命刀具壽命2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工112 2）高速切削應(yīng)用存在的主要問題）高速切削應(yīng)用存在的主要問題v高速銑削機(jī)床較昂貴，固定資產(chǎn)投資較大，刀高速銑削機(jī)床較昂貴，固定資產(chǎn)投資較大，刀具費用也會提高，目前主要依賴進(jìn)口；具費用也會提高，目前主要依賴進(jìn)口；v加減速度加速度較大，主軸啟動、停止及高速加減速度加速度較大，主軸啟動、停止及高速運行時磨損嚴(yán)重，高速主軸壽命短，維修費用高；運行時磨損嚴(yán)重，高速主軸壽命短，維修費用高；v需要特別的工藝知識，較高的編程要求，如工需要特別的工藝知識，較高的編程

6、要求，如工藝參數(shù)合理選擇、高速加工編程軟件應(yīng)用（如藝參數(shù)合理選擇、高速加工編程軟件應(yīng)用（如；v缺乏高級的操作人員。缺乏高級的操作人員。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工124.1.3 4.1.3 高速加工影響因素高速加工影響因素2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工134.1.4 4.1.4 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 技術(shù)優(yōu)點技術(shù)優(yōu)點應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域事例事例高去除率高去除率輕合金，鋼和鑄鐵輕合金，鋼和鑄鐵航空航天產(chǎn)品，工具、航空航天產(chǎn)品，工具、模具制造模具制造高表面質(zhì)量高表面質(zhì)量精密加工，特殊工精密加工，特殊工件件光學(xué)零件，精細(xì)零件，光學(xué)零件，精細(xì)零件，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)

7、小切削力小切削力薄壁件薄壁件航空航天工業(yè)，航空航天工業(yè)， 汽車工汽車工業(yè)，家用設(shè)備業(yè)，家用設(shè)備高激振頻率高激振頻率避共振頻率加工避共振頻率加工精密機(jī)械和光學(xué)工業(yè)精密機(jī)械和光學(xué)工業(yè)切屑散熱切屑散熱熱敏感工件熱敏感工件精密機(jī)械，鎂合金加工精密機(jī)械，鎂合金加工2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工144.2 4.2 高速加工基礎(chǔ)理論高速加工基礎(chǔ)理論切屑形成過程切屑形成過程高速加工是高的切削線速度。高速加工是高的切削線速度。min/1000mdnvc球頭刀高速加工時的有效球頭刀高速加工時的有效切削速度。切削速度。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工15隨著切削速度的提高隨著切

8、削速度的提高, , 切削類型由連續(xù)性切屑向切削類型由連續(xù)性切屑向集中剪切滑移切屑過渡集中剪切滑移切屑過渡, , 切削變形集中在很窄的切削變形集中在很窄的滑移帶中。滑移帶中。切削變形過程切削變形過程( (連續(xù)切屑連續(xù)切屑) )：Se SS, v =4.9 m/min低速切削不銹鋼連續(xù)切屑低速切削不銹鋼連續(xù)切屑2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工16隨著切削速度的提高隨著切削速度的提高, , 切削類型由連續(xù)性切屑向切削類型由連續(xù)性切屑向集中剪切滑移切屑過渡集中剪切滑移切屑過渡, , 切削變形集中在很窄的切削變形集中在很窄的滑移帶中?；茙е小Ｇ邢髯冃芜^程切削變形過程( (連續(xù)切屑連續(xù)

9、切屑) )：Se SS, v =4.9 m/min低速切削不銹鋼連續(xù)切屑低速切削不銹鋼連續(xù)切屑2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工17切屑形成機(jī)理切屑形成機(jī)理2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工18切屑形成機(jī)理切屑形成機(jī)理2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工19切屑形成機(jī)理切屑形成機(jī)理2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工20切屑形成機(jī)理切屑形成機(jī)理2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工213 3）切屑的顯微硬度）切屑的顯微硬度2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工224 4）切屑形成的影響因素）切屑形成的影響因素2

10、022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工234.2.2 4.2.2 高速切削加工的切削力高速切削加工的切削力1 1）理論切削力）理論切削力所有作用的切削力和普通切削相同，剪切面上所有作用的切削力和普通切削相同，剪切面上發(fā)生變形所需的力必須由刀具的前刀面通過切發(fā)生變形所需的力必須由刀具的前刀面通過切屑傳遞到剪切面上，其中主要剪切力屑傳遞到剪切面上，其中主要剪切力FsFs，切削切削層材料經(jīng)過剪切面時，沿著剪切面滑移，以致層材料經(jīng)過剪切面時，沿著剪切面滑移，以致造成動量的改變，只是需要增加一個高速切削造成動量的改變，只是需要增加一個高速切削時（時（15001500m/minm/min）切屑動

11、量改變所需的作用力切屑動量改變所需的作用力FmFm。)cos(/cos002 vAvvAFcscmF Fs s= =S Ss sA As s= =S Ss sA Ac c/sin/sinSsSs剪切面上的剪切應(yīng)力，剪切面上的剪切應(yīng)力，AsAs切削層截面積，切削層截面積，工件材料的密度工件材料的密度2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工244.2.2 4.2.2 高速切削加工的切削力高速切削加工的切削力1 1）理論切削力）理論切削力所有作用的切削力和普通切削相同，剪切面上所有作用的切削力和普通切削相同，剪切面上發(fā)生變形所需的力必須由刀具的前刀面通過切發(fā)生變形所需的力必須由刀具的前刀面

12、通過切屑傳遞到剪切面上，其中主要剪切力屑傳遞到剪切面上，其中主要剪切力FsFs，切削切削層材料經(jīng)過剪切面時，沿著剪切面滑移，以致層材料經(jīng)過剪切面時，沿著剪切面滑移，以致造成動量的改變，只是需要增加一個高速切削造成動量的改變，只是需要增加一個高速切削時（時（15001500m/minm/min）切屑動量改變所需的作用力切屑動量改變所需的作用力FmFm。)cos(/cos002 vAvvAFcscmF Fs s= =S Ss sA As s= =S Ss sA Ac c/sin/sinSsSs剪切面上的剪切應(yīng)力，剪切面上的剪切應(yīng)力，AsAs切削層截面積，切削層截面積，工件材料的密度工件材料的密度2

13、022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工251 1）理論切削力）理論切削力fsmcFFFF )sin(cos)sin()cos()tan(cossincos000002 2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工262 2）切削力測量切削力測量2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工274.2.3 4.2.3 切削熱和切削溫度切削熱和切削溫度v切削時的熱量主要來自剪切變形功、刀屑和切削時的熱量主要來自剪切變形功、刀屑和刀工件摩擦功。干切時，切削熱主要由切屑、刀工件摩擦功。干切時，切削熱主要由切屑、工件和刀具傳出去，周圍介質(zhì)傳出小于工件和刀具傳出去，周圍介質(zhì)傳出小于1

14、1。v隨切削速度的提高，開始切削溫度升高很快，隨切削速度的提高，開始切削溫度升高很快，但達(dá)到一定速度后，切削溫度的升高逐漸緩慢，但達(dá)到一定速度后，切削溫度的升高逐漸緩慢，甚至很少升高。甚至很少升高。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工284.2.4 4.2.4 高速加工刀具磨損和破損高速加工刀具磨損和破損1 1）刀具磨損與破損特征）刀具磨損與破損特征前、后刀面磨損、微崩刃和前刀面剝落與刀尖碎前、后刀面磨損、微崩刃和前刀面剝落與刀尖碎斷等破損。斷等破損。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工292 2）損壞機(jī)理損壞機(jī)理主要是主要是粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損、化學(xué)磨損化學(xué)磨損（擴(kuò)散

15、、溶解、氧化（擴(kuò)散、溶解、氧化等）、等）、塑性變形塑性變形和和脆性破損脆性破損。隨速度增加，機(jī)械。隨速度增加，機(jī)械磨損減少，粘結(jié)和化學(xué)磨損增加。磨損減少，粘結(jié)和化學(xué)磨損增加。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工303 3）刀具壽命刀具壽命v刀具以磨損為主，可按傳統(tǒng)泰勒公式求出刀具刀具以磨損為主，可按傳統(tǒng)泰勒公式求出刀具磨損壽命與切削用量之間的關(guān)系。磨損壽命與切削用量之間的關(guān)系。v刀具以破損為主，則按破損壽命規(guī)律（對數(shù)正刀具以破損為主，則按破損壽命規(guī)律（對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布）求出對數(shù)正態(tài)分布的均值態(tài)分布和威布爾分布）求出對數(shù)正態(tài)分布的均值與方差或威布爾參數(shù)評價刀具破損壽命。與方

16、差或威布爾參數(shù)評價刀具破損壽命。2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工314.3 4.3 高速加工機(jī)床高速加工機(jī)床冷卻和潤滑 刀柄安裝卡緊高速主軸排屑進(jìn)給驅(qū)動裝置CNC 控制安全防護(hù)減輕運動零件的重量 導(dǎo)軌機(jī)床的床身4.3.1 4.3.1 高速加工機(jī)床的要求高速加工機(jī)床的要求2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工32功能要求功能要求2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工334.3.2 4.3.2 國內(nèi)外發(fā)展形狀國內(nèi)外發(fā)展形狀2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工344.3.3 4.3.3 高速機(jī)床的動力學(xué)特性高速機(jī)床的動力學(xué)特性2022/4/28

17、精密與超精密加工精密與超精密加工35v 數(shù)控伺服系統(tǒng)的建模數(shù)控伺服系統(tǒng)的建模位置位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器速度速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器功率功率放大器放大器直流伺直流伺服電機(jī)服電機(jī)機(jī)械傳機(jī)械傳動裝置動裝置速度檢測器速度檢測器位置檢測器位置檢測器R RC C1 1+ +- -B B2 2C Cf fC C2 2B B1 12022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工36v數(shù)控伺服系統(tǒng)的建模數(shù)控伺服系統(tǒng)的建模2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工37v高速電主軸高速電主軸2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工38v高速電主軸高速電主軸油霧潤滑的陶瓷滾珠軸承2022/4/28精密與超精密加

18、工精密與超精密加工39v進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工40機(jī)床床身機(jī)床床身 大質(zhì)量的人造大理石床身大質(zhì)量的人造大理石床身 極高的熱穩(wěn)定性保證了極好極高的熱穩(wěn)定性保證了極好的零件加工精度的零件加工精度 良好的吸振性能，是鑄鐵的良好的吸振性能，是鑄鐵的6倍倍 可降低刀具的磨損，可降低刀具的磨損，延長延長刀具壽命刀具壽命 可根據(jù)需要制作最合理的機(jī)可根據(jù)需要制作最合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)床結(jié)構(gòu)與鑄鐵的吸振性能對比02468鑄鐵GG 20鑄鐵GGG 40人造大理石2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工414.4 4.4 高速切削加工刀具高速切削加工刀具202

19、2/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工424.4 4.4 高速切削加工刀具高速切削加工刀具2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工432 2）刀柄動平衡刀柄動平衡2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工443 3）刀具安全）刀具安全2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工45）刀具材料）刀具材料2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工46刀具材料力學(xué)性能：刀具材料力學(xué)性能：硬度大小硬度大小：金剛石：金剛石PCD立方氮化硼立方氮化硼PCBNAl2O3 基基Si3N4 基基TiC(N)基硬質(zhì)合金基硬質(zhì)合金WC 基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金高速鋼

20、高速鋼HSS?？箯潖?qiáng)度大小抗彎強(qiáng)度大小：HSSWC 基基TiC(N)基基 Si3N4 基基 Al2O3 基基PCDPCBN。斷裂韌性大小斷裂韌性大?。篐SSWC 基基TiC(N)基基PCBNPCDSi3N4 基基Al2O3 基?；?。要求：要求：H 刃刃H 工（刀具材料硬度工（刀具材料硬度工件材料硬度）工件材料硬度）耐磨性：耐磨性：PCDPCBN Al2O3 基基 Si3N4基基TiC(N)基基WC 基基HSS。早期破損早期破損：切削時引起的工作應(yīng)力切削時引起的工作應(yīng)力ww刀具材料抗拉強(qiáng)度刀具材料抗拉強(qiáng)度tt后期破損后期破損：主要是裂紋擴(kuò)展所造成的疲勞破損。主要是裂紋擴(kuò)展所造成的疲勞破損。）刀具

21、材料）刀具材料2022/4/28精密與超精密加工精密與超精密加工47 加工鋁合金：加工鋁合金：金剛石最適于高速切削。但復(fù)雜刀具，金剛石最適于高速切削。但復(fù)雜刀具，可用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和粉末高速鋼或高性能高速可用整體超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和粉末高速鋼或高性能高速鋼及其涂層刀具高速加工結(jié)構(gòu)鋁及其合金。鋼及其涂層刀具高速加工結(jié)構(gòu)鋁及其合金。 加工鋼和鑄鐵及其合金：加工鋼和鑄鐵及其合金：Al2O3 基陶瓷刀具適于軟、基陶瓷刀具適于軟、硬高速切削；立方氮化硼適于硬高速切削；立方氮化硼適于45-65HRC 以上的高速硬切以上的高速硬切削；氮化硅基和立方氮化硼更適于鑄鐵及其合金的高速削；氮化硅基和立方氮化硼更適于鑄鐵及其合金的高速切削，但不宜于切削以鐵素體為主的鋼鐵；切削，但不宜于切削以鐵素體為主的鋼鐵；WC 基超細(xì)基超細(xì)硬質(zhì)合金及其硬質(zhì)合金及其TiCN、TiAlN、TiN 涂層刀具和涂層刀具和TiC(N)基基硬質(zhì)合金刀具，特別是整體復(fù)雜刀具可加工鋼和鑄鐵。硬質(zhì)合金刀具，特別是整體復(fù)雜刀具可