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1、高速与超高速加工技术(4h),高速加工技术作为21世纪影响深远的先进制造技术之一，其应用与发展已有10多年的历史，一般凡切削速度、进给速度高于常规值5一10倍以上，称为高速加工。由于高速加工的高切削速度和高进给速度使切削效率高于传统加工5-10倍，且高速加工的切削机理较传统加工更具有优越性，使高速加工技术在航空航天工业、汽车工业、摩托车工业及模具工业中得到广泛应用。,1、切削用量 三要素,切削速度 进给量(或进给速度) f mm/r、mm/行程、mm/s、mm/齿 背吃刀量（切削深度） aP,4.0 切削理论回顾,切削速度vc 切削速度vc是刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度。 当主运动是回
2、转运动时 d完成主运动的刀具或工件上某一点的回转直径(mm)； n主运动的转速(rmin或rs)。,进给速度 进给量f 每齿进给量 进给速度是刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，单位为mms ；进给量f是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向上的相对位移量。 背吃刀量（切削深度）,主要内容提纲,1. 研究现状与发展趋势; 2. 优越性及其原因; 3. 机床结构与关键技术; 4. 刀具材料与结构; 5. 高速磨削技术.,2、影响切削力的因素,影响切削力的因素主要有四个方面： 工件材料、 切削用量、 刀具几何参数 其它方面的因素 刀具磨损 切削液 刀具材料,3、 切削热和
3、切削温度,影响工件加工精度、已加工表面的质量、刀具的磨损和耐用度及生产率等。 1 切削热的产生和传出 2 影响切削温度的主要因素 3 切削温度的理论计算 4 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,4、切削热的产生和传出,切削中所消耗的能量几乎全部转换为热量，即切削热. 来自工件材料的弹、塑性变形和前、后刀面的摩擦功.,5086,4010,周围介质占1,93,切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,对工件材料机械性能的影响 切削温度对工件材料强度、硬度的影响不大。 对刀具磨损和刀具材料的影响 是刀具磨损的主要原因，它将使刀具磨损加剧，刀具耐用度下降。但较高的切削温度，对硬质合金刀具材料的韧性有利。
4、 对加工件尺寸精度的影响 工件本身和刀杆受热膨胀会使工件尺寸精度达不到要求，还会影响已加工表面质量。,5、影响切削温度的主要因素,切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度。 实验公式,实验测出的刀屑接触区的平均温度()， C切削温度系数；,切削用量,切削速度Vc一倍切削温度30%45% 进给量f一倍切削温度15%20% 背吃刀量aP一倍切削温度5%8%,影响切削温度的因素,刀具磨损:磨损F切削温度 切削液可降低切削温度。,4.1 基础理论研究,（一）问题描述：,4.2 技术内涵,目前关于高速加工的经济效益定位指标是：在保证家伙精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90%
5、，同时将加工费用减少50%！,4.3 高速加工机床与设备,高速主轴单元,磁悬浮轴承,直线电机进给机构,4.4 高速加工刀具,影响切削加工质量的因素有那些?原因是什么?,高速加工技术具有的共性,4.5 与传统加工方法相比之优势,长期以来 ，传统的加工方式是“重蓝切屑”加工方式，它的特点是切屑深度大，进给速度和旋转速度较低，在低速范围内需较大的扭矩，根据标准直流电机最大速度和扭矩关系，需要较大的齿轮传动速比。这种加工方式不可避免地给工件和机床带来较大的力负荷和热负荷。 HSC技 术 是“快、轻切削”方式，切削深度较小，但是切削速度却可以提高5-10倍。这意味着在主轴轴承、刀具和工件上的切削力负荷较
6、小，同时因为产生的热量大部分被切屑带走，工件和刀具上的热负荷较小。 试验可以证明，随着切削速度的提高，切削过程中产生的热负荷减少，这样可以延长刀具寿命，并能获得较好的表面加工质量(在加工表面没有“微焊接效应”)。,传统 加 工 中工件材料、刀具材料及刀具的几何角度、切削用量及零件的几何结构是影响切削效率和加工质量的主要因素。考虑到切削力、切削变形和刀具磨损对加工的影响，在粗加工时采用大吃刀量和大进给量以提高加工效率，而在精加工时则采用小吃刀量和小进给量以保证表面加工精度，因而在加工大型薄壁零件、难加工材料及几何结构复杂零件时其加工工艺复杂，加工时间长。 在常 规 切 削速度范围内，切削温度随切
7、削速度的增大提高，刀具磨损随切削温度的提高而加剧，当切削速度达到某临界值时，切削温度及切削力会减小。切削温度的降低、切削力的大幅度下降及切削变形的减小，不仅使现有刀具进行超高速切削变为现实，还大幅度减少切削时间，成倍提高机床的生产率。 和传统加工相比，高速加工有其独特优势:,加工时间大幅度缩短:产品加工中耗时最多的工序是精加工。对精加工，高速加工比一般加工快4倍以上，普通数控机床精加工时一般进给速度在3一6 m/min，而高速机床一般在巧一60m/min，是常规的5一10倍;对粗加工，高速加工采取非常小的切深，但时间范围内的切削量还是比普通数控机床加工快几倍。这意味着1台用于高速加工的高速机床
8、可代替几台普通CNC机床。 (2)减少切削振动。切削加工中振动是影响加工精度因素之一，振动会恶化表面粗糙度，加速刀具磨损，缩短机床寿命。高速加工时切削力减小，而切削力是切削系统振动的主要激励源，高转速使切削系统的激振频率远离机床固有频率，切削稳定，振动小，加工表面质量高。 (3 )切 削 温度及切削力的减小，使高速切削可加工45-65HRC硬度高的工件材料及难加工材料，同时可采用干式切削，避免使用切削液，有利保护环境、降低成本。,(4) 切 削 力的减少，尤其是径向切削力大幅度降低，夹紧力相应减小，从而零件的内应力及变形小;加工时切削温度的降低也减小热变形，所以特别有利于薄壁细筋件的加工。 (
9、5 )高 速 加工切削力的减小，对刀具的刚性要求不高，故高速加工可采用小直径刀具、小切深、小切宽和快速多次走刀来提高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽。 (6) 高 速 加工明显缩短加工时间，可缩短交货期。同样的生产量，机床的配置数减少，则节约投资成本，同时还减少车间占地面积，减少工人数量。,高速加工技术得以应用的主要原因是这一技术自身具有很多优点，高速加工的应用场合主要包括：模具业制造，飞机制造工业，光学和精密仪器加工，汽车制造工业以及家用设施生产(见表)。尽管高速加工不是制造精密零件必需的加工方法，但它在精密加工领域取得了长足的进步，采用高速切削技术，表面加工质量可达Ra
10、=0.2m和Rz=3m。,4.6 典型应用,4.7 技术制约因素,HS C技 术 的成功应用依赖于各种不同的因素，这些因素彼此紧密相连。只有在影响加工过程的所有因素都达到最佳配合的状态下，HSC技术才能成功。这些因素包括:刀具技术、程序设计、CNC和电机以及机床自身设计。,3.1 刀具技术 （1）刀具材料； （2）刀具结构； （3）机床、刀 具(刀具座/刀把)、工件(工件夹具)等整个系统的刚性对于刀具的寿命和能够达到的表面加工质量有显著影响； （4）刀 具长度和加工的方向对加工表面的质量也有较大的影响。,3.2 程序设计 程序 设 计 分为模型建构(CAD)和所需的制造工艺过程(CAM) 即刀
11、具、加工策略等的制订两方面。HS C成 功 应用的关键在于CAD/CAM用的程序编制器要能够自动调节机床刀具到最佳加工方式。,3.3 CNC和电机 现代 CN C控制器能提高速度、精度和表面加工质量，它的特色主要有:程序段处理时间降到0.5ms;内存达到1.5GB以上;能进行螺旋线、NURBS抛物线、双曲线)等插补;前瞻功能可以达到100个程序段以上，尤其在5轴机床上，对于刀具长度和加工几何尺寸有自动补偿功能;具备刀库管理功能(TCPM);振动限制和补偿;可以达到100MB的快速接口(以太网)速度。 对控 制 器 模块的要求是:程序段循环时间短、具有前瞻功能和减振装置、优良的进给控制系统、标准
12、的接口和数据处理网络。,(1) 程 序 段循环时间短。对于3D几何图素来说，为了达到最好的表面加工质量，轮廓被细分成大量微小的增量，这样势必造成程序运行时间非常长，因此需要快速的程序模块执行功能。例如，如果一个程序段处理时间为4ms，切削一段长为0.5mm的直线外形轮廓，那么进给速度可达到7500mm/min 。 (2) 前 瞻 功能。通常划分的单元长度不同，产生的曲率半径也不同，因此需要改变进给速度来适应不同的曲率半径。必须预测(前瞻)工件的几何图形，以便提前确认方向的更改，相应地，NC主轴能够减速或加速以便保持最小的轮廓误差和最经济的加工时间。 (3) 减 振 装置。在加速度改变的过程中，
13、为了保证加工轮廓的精度，采用“平振装置”能够避免可能的振动，这是现代CNC的另一个特色。 (4) 进 给 控制系统。为了满足HSC机床的动态要求，只能采用数字电机代替模拟电机。同老式的模拟电机相比，数字电机的主要优势是有较高的可控快速进给速率、较高的精度和转速控制性、较大的补偿和漂移范围、较高安全性的M/C故障诊断、较高的Kv一因子和较易在机床上安装。,3.4 机床 HSC要求机床床身能快速移动，所以不充分考虑机床本身的设计就不能把数控系统的高性能转化成高质量的切削性能和可靠的操作。,首先 是 定 位精度的问题。HSC要求CNC能快速处理大量的数据保证快速的进给和保证机床的加速、减速性能，但是
14、所有这些不能以损失定位精度为代价。光是实现CNC对数据的快速处理是不够的，机床必须携带巨大的负载做准确的三维甚至五维移动，当机床做插补运动时，三个甚至五个伺服电机同时驱动滚珠丝杆或齿轮齿条把回转运动转换成直线运动，电机必须有足够的动力克服机械运动阻力、切削力和工件的重量。,(5) 接口和数据处理网络。对于处理3D几何图形的HSC机床的CNC控制器来说，因为数据量往往有几兆字节，采用串联接口(例如RS232)就要花费相当多的时间。特别是在连续负载模式下过慢的传输速度对于主轴旋转速度也会产生负面影响。由于这个原因，所有最新的控制器都必须能通过“以太”网直接输送程序。,HSC技 术 的另一个主要问题是在一定的温度条件下保证机械精度。轴承、滚珠丝杆及导轨的摩擦都会产生热量，此外电机会产生热量，切削过程也会产生热量，所有的热量都会使机械部分产生热胀冷缩。运动的速度越快，则产生的热量越多，由此而产生的热变形会影响加工的精度，也会因增加负荷而加剧机械部件的磨损。因此提高机床的机械精度应该放在HSC机床制造的第一位。 第三点是机床的零部件设计。如主轴电机、主轴轴承、主轴轴杆、导轨、床身等的设计。高速机床需要的是运动的刚性，即部件既要轻又要有刚性。有限元应力分析设计为高速机床的机械设计提供了最先进的手段。,Thanks!,
