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第7章现代制造工艺石家庄铁道大学第7章现代制造工艺了解和掌握先进制造工艺技术中的超高速加工技术、超精密加工技术、特种加工技术、快速原型制造技术以及微细加工技术的基本概念和方法。本章要求:PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion章现代制造工艺石家庄铁道大学概述按照设计方案,将原材料转化为实际产品的过程,称为制造工艺过程。制造工艺的发展主要表现在三个方面:①精密与超精密加工技术的迅速发展②传统制造方法的不断改进③非传统制造方法的产生与发展PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion月提出了超高速切削理论,并根据一些实验曲线作出了CarlSalmon曲线图7-1CarlSalmon曲线普通切削区域不可切削区域高速切削区域切削温度t切削速度vPDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion章现代制造工艺石家庄铁道大学实践证明,切削速度提高10倍、进给速度提高20倍,远远超越传统的切削“禁区”后,切削机理发生了根本的变化。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值,开始趋向最佳切除条件,因而被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等均明显优于传统切削速度下的指标,加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。结果是单位功率的金属切除率提高了30%~40%,切削力降低了30%,刀具的使用寿命提高了70%,留于工件的切削热量大幅度降低,切削振动几乎消失。切削加工发生了本质性的飞跃,一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。因此,超高速切削技术是21世纪切削加工领域的重大技术课题之一,是切削加工领域新的里程碑PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion章现代制造工艺石家庄铁道大学超高速切削中的“超高速”是一个相对概念,不能简单地用某一具体切削速度或主轴转速数值来定义。德国Darmstadt工业大学给出了7种常用材料的超高速切削加工的速度范围如表7-1。不同加工方法:车削700~7000m/min;铣削300~6000m/min;钻削200~1100m/min;磨削高于150m/s。加工材料加工速度范围/(m/min)铝合金2000~7500铜合金900~5000钢600~3000铸铁800~3000超耐热镍基合金80~500钛合金150~1000纤维增强塑料2000~9000表7-1常用材料的超高速切削速度范围PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion加工效率高切削速度:传统加工的10倍;进给速度:传统加工的5~10倍;材料切除率:提高3~6倍;加工时间:传统加工的1/3.2.切削力小、刀具寿命长切削力至少下降30%;刀具寿命提高约70%。3.热变形小加工过程迅速,切屑带走95%的热量,热变形小;因而适合加工易发生热变形的工件PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion加工精度高、表面质量好切削力和切削热的降低,使刀具和零件的变形减小,零件表面的残余应力下降,从而容易保证工件的尺寸精度和表面质量。5.加工过程稳定激振频率远远高于工艺系统固有频率,不会造成工艺系统振动;因而加工过程平稳。6.能加工各种难加工材料例如航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金,现在采用超高速切削,其切削速度为常规切削速度的10倍左右,不仅大幅度提高生产率,而且可有效地减少刀具磨损。7.加工成本低单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间短,从而有效地提高了能源和设备利用率,降低了生产成本。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion型卧式加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件,其生产率与组合机床自动线相当,但建线投入减少了40%,生产准备时间也少得多。2.模具领域可以实现淬火硬度达到60HRC(某些情况下可达70HRC)的淬硬模具的切削加工,加工时间仅为电加工的25%左右,加工费用可节省50%以上。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion航空、航天领域采用高速切削后,切削速度达到了100~1000m/min,不仅大幅度提高生产率,还能有效减少刀具磨损,提高工件表面的加工质量。飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。图7-2所示为采用“整体制造法”制造的铝制螺旋片;壁厚最薄处只有0.05mm,壁高20mm。采用超高速切削技术后,在保证质量的基础上,加工效率还会大大提高。图7-2铝制螺旋片尺寸:80×80×40PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion超高速切削机床机床结构要求功能描述主轴组件结构高速主轴,采用电动机和主轴一体化结构—电主轴单元,满足大功率、高刚性要求可获得很高的加、减速度,从而实现快速起、停和高速运转进给驱动部件电动机和进给驱动系统一体化结构—直线电动机单元获得高的加、减速度,以实现快速定位和高速移动主轴轴承陶瓷轴承、非接触式液体动、静压轴承及磁浮、气浮轴承高刚性、高承载能力和高寿命;高PV值数控及伺服系统高速、高精、多CPU结构高速处理数据和快速反应决策冷却和润滑系统高效、高压冷却及润滑装置。如采用高压喷射装置、主轴专门的内冷和润滑装置实现高效冷却和润滑,防止机床过热和过度磨损床体结构高强度、高刚性、高康振星和高的阻尼特性-整体结构床身,大理石床身具有高刚性,优良的吸振和隔热特性,优良的静、动态特性安全机构设置安全装置和实时监控系统监控和防护切屑飞溅和刀具意外崩刃或断裂“刀-机-工”接口采用HSK和KM新型刀柄结构和高刚性夹具,动平衡精度要求高保证高转速下刀具和工件装夹可靠、传递转矩大、刚性好、重复定位精度高表7-2对超高速切削机床的要求PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion主轴转速:12000/20000/42000转/分工作行程:X轴:600/530mmY轴:450mmZ轴:450mm快移速度:22米/分工作进给:15米/分刀库容量:30把VCP/UCP710主轴转速:12000/20000/42000转/分工作行程:X轴:710mmY轴:550mmZ轴:500mm快移速度:30米/分工作进给:20米/分刀库容量:30把VCP/UCP1000/1350主轴转速:12000/15000/24000转/分工作行程:X轴:1000/800mmY轴:1000mmZ轴:875mm快移速度:30米/分工作进给:20米/分刀库容量:30/46/60/92把几种常见(超)高速加工中心的技术数据:PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion章现代制造工艺石家庄铁道大学主要技术包括以下几个方面:1)超高速主轴单元电机和机床主轴合二为一,构成了所谓的“电主轴单元”;采用高速精密轴承,主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气轴承等;采用大功率、宽调速交流变频电机直接驱动;结构设计上保证主轴单元具有良好的动刚性、抗振性、热特性和良好的动平衡性能;配有高效冷却与润滑系统;采用先进的控制技术。超高速电主轴结构如下图所示:图7-3陶瓷轴承高速主轴陶瓷球轴承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PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion章现代制造工艺石家庄铁道大学◆电磁铁绕组通过电流I0,对转子产生吸力F,与转子重量平衡,转子处于悬浮平衡位置(图3-32)。转子受扰动后,偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移,将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号,经功放变换为控制电流,改变吸力方向,使转子重新回到平衡位置磁浮轴承高速主轴◆位移传感器通常为非接触式,其数量一般为5-7个,对其灵敏度和可靠性要求均较高。◆控制器设计较复杂,使磁悬浮轴承成本较高(一套磁悬浮轴承售价约1万美元)。放大器电磁铁(定子)传感器转子图7-4磁悬浮轴承工作原理控制器PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion)快速进给系统要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止,还要具有很高的定位精度。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件重量以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠,或采用直线电机,省去了中间传动件。3)支承及辅助单元用人造花岗岩来制作机床基础支承件;材料的阻尼特性为铸铁的7~10倍,密度却只有铸铁的1/3。夹具的要求是高刚度、高精度动平衡、轻量化、高效自动化和柔性化。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion对刀具和刀柄的要求刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外,还要求:①可靠性;②高耐热性和抗热冲击性;③良好的高温力学性能;④适应各种难加工材料和新型加工材料的要求。目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具等几种。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion机械超精密加工技术包括金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等一些传统加工方法精密加工是指加工精度达到1~0.1mm,表面粗糙度Ra在0.1~0.01mm的加工工艺。而超精加工则是指加工尺寸精度高于0.1mm,表面粗糙度Ra小于0.025mm的精密加工方法。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion加工方法及加工精度(mm)加工方法加工工具加工精度粗糙度Ra加工材料应用举例切削精密、超精密车削天然金刚石、人造聚晶金刚石、立方氮化硼、陶瓷、硬质合金刀具1~0.10.05~0.008金刚石刀具:有色金属及合金其他刀具:各种材料球、磁盘、反射镜精密、超精密铣削多面棱体精密、超精密镗削活塞销孔微孔钻削硬质合金、高速钢钻头20~100.2低碳钢、铜、铝、石墨、塑料印刷电路板、石墨、模具
本文标题:第七章现代制造工艺[兼容模式]
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