第九章超高速加工技术

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1、超高速加工技术：超高速加工技术： 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。加工质量的现代制造加工技术。 超高速加工包括超高速加工包括超高速切削超高速切削和和超高速磨削超高速磨削。 超高速切削超高速切削（Super High-speed Cutting）:车削(Turing)：700-7000 m/min铣削(Milling)：300-6000 m/min钻削(Drilling)：200-1100 m/

2、min磨削(Grinding)：50-300 m/s镗削（Boring）：35-75m/min 1. 高速加工切削速度的范围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 iron)：800-3000 m/min钛(Ti)：100-1000m/min19291929年进行了超高速年进行了超高速模拟实验。模拟实验。2. 切削理论的提出切削理论的提出切削适应区 图1 Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应

3、区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切 削 温 度/切削适应区非铁金属图图2 切削速度变化和切削温度的关系切削速度变化和切削温度的关系切削力低切削力低 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. 3.高速加工的特点高速加工的特点 材料切除率高材料切除率高 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； 减少工序减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称

4、为 “一次过”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 图图4 热传导对比图热传导对比图 热变形小热变形小 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型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：主轴功率：13 KW 进给速度：最高进给速度：最高40 m / min 定位精度：定位精度：0.008 mm 重复定位精度：重复定位精度：0.005mm图图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心系列高速五轴联动小型立

5、式加工中心图图9 HSM400加工极高表面光洁度的硬钢加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件、铝、铜、塑料工件图图7 HSM800图图8 HSM600（1）航空航天领域。）航空航天领域。 图10 铝合金整体零件：u 整体零件“掏空”， 切除量大u 零件有薄壁，要求小 切削力u 小直径刀具u 较长的刀具悬伸图11 高速铣削典型工件专用机床专用机床5轴轴4工序工序 = 20轴（轴（3万件万件/月）月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）定不变）1234钻孔钻孔 表面倒棱表面倒棱 内侧倒棱内侧倒棱 铰孔铰孔表面和内侧倒棱表面和内侧倒棱高速钻孔高速钻孔高速

6、加工中心高速加工中心1台台1轴轴1工序（工序（3万件万件/月）月）柔性（零件、孔数、孔径、柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）孔型可变）图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司） 图13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值与最终尺寸差值/mm加工时间加工时间 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高速切削少量手工精修少量手工精修b）高速模具加工的过程）高速模具加工的过程图14 两种模具加工过程比较1硬化毛坯硬化毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4精铣精铣 5手工磨修手工磨修 a）传统模具加工的过程）传统模具加工的过程1毛坯毛坯

7、 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4热处理热处理 5电火花加工电火花加工6精铣精铣 7手工磨修手工磨修 电极制造生产剃须刀的石墨电极生产剃须刀的石墨电极生产球形柄用的铜电极生产球形柄用的铜电极 图图15 高速切削加工电火花加工用工具电极高速切削加工电火花加工用工具电极 （4）难加工材料领域。）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。）超精密微细切削加工领域。粗铣整体铝板；粗铣整体铝板；精铣去口；精铣去口；钻钻680个直径为个直径为3mm的小孔。的小孔。 时间为时间为32min。图16 高速切削加工医用

8、药盒高速切削加工医用药盒 1. 高速主轴 高速化指标：dm n值，至少达到1106 电主轴：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。陶瓷球轴承图17 陶瓷轴承高速主轴密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口q 陶瓷轴承高速主轴结构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q 磁浮轴承主轴结构磁浮轴承主轴结构 2.2.快速进给系统快

9、速进给系统伺服电动机伺服电动机+ +大导程高速精密滚珠丝杠副；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。线电动机的进给系统。3 3 基座基座 4 4 磁性轨道磁性轨道 5 5 直线电机直线电机 6 6 直线导轨直线导轨7 7 直线光栅直线光栅 8 8 平台平台 9 9 接口电缆接口电缆 10 10 防护罩防护罩 图图20 20 结构图结构图 3.3.高性能的高性能的CNC控制系统控制系统图图21 六杆机床（六杆机床（并联机床结构）并联机床结构） 4.4.先进的机床结构先进的机床结构 超精

10、密加工是指被加工零件的尺寸精度为0.10.01m，加工表面粗糙度达Ra0.030.0051m数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。 一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m； 精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m； 超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m； 纳米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m。超精密加工的主要方法有： 1）金刚石刀具超精密切削； 2）精密和镜面磨削； 3）精密研磨和抛光； 第第2节节 超精密加工技术超精密加工技术1.1.金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具拥有很高的高温

11、强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。 金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。 2. 2.精密和镜面磨削精密和镜面磨削 磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为110-2m）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.10.05m的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到 Ra0.010.002m的镜面。3. 3.精密研磨和抛光精密研