新材料在数控机床上的应用

新材料与新结构在数控机床上的应用姓名：102宿舍班级：11级卓越班完成时间：2014.3.30目录一、新材料在数控机床上的应用................................................................................2（一）概述................................................................................................................3（二）新材料在数控机床上的应用........................................................................31.树脂混凝土.....................................................................................................32.复合石蜡材料.................................................................................................43.新型陶瓷材料.................................................................................................64.其他新材料.....................................................................................................7二、新结构在数控机床上的应用................................................................................8（一）概述..............................................................................................................8（二）新结构在数控机床上的应用......................................................................81.液压尾座..........................................................................................................82.新型五坐标并联机构....................................................................................113.槽轮机构........................................................................................................12一、新材料在数控机床上的应用（一）概述随着现代工程技术和科学技术对材料性能要求的不断提高，新材料的研究和应用得到迅速发展，以复合材料为代表的新材料已经广泛地应用于国民经济各个领域。在机械工业中，新材料的出现和应用使一些传统的加工工艺发生了重大变化。现代航空航天业等高新技术产业的发展对数控机床与装备的性能、精度、加工能力的要求日趋提高，带动和促进了数控机床与装备制造业的发展。（二）新材料在数控机床上的应用1.树脂混凝土由于航空航天工业产品零件具有耐高温、高强度、难加工、合金材料和复合材料多、复杂结构件多和工艺要求高等特点，要求机床加工设备朝大型（重型、超重型）、高速、精密、复合、智能化的趋势发展。如何充分地发挥新材料工艺性能等优势，把它应用于实际，成为新时期机床设计领域的重要课题。例如，在欧美等国家机床产业中，新型材料树脂混凝土得到了很大的发展，特别是在高精度机床的床身应用方面，树脂混凝土正逐渐替代传统的铸铁。树脂混凝土是一种新兴结构材料，是一种由天然矿石（不同尺寸、不同来源）和环氧树脂（作为粘合剂）为主的混合物，相对于传统的铸铁来说具有很大的优势。目前，越来越多的国际机床制造商开始设计使用树脂混凝土的机床，但对于中国市场来说，这个领域还是空白。与传统铸铁相比，树脂混凝土具有以下4项优势：（1）低能耗。相对于铸铁来说，树脂混凝土能耗少，在制作过程中节省大约30%的能量消耗。在面临电力、天然气、煤等能源短缺问题的今天，使用如树脂混凝土之类造价低廉并能回收的环保材料是最理想的选择，树脂混凝土垃圾和旧的床身可以作为建筑原料。（2）吸振性好。如今，精密数控机床越来越受重视，在高速切削时，工件和机器部件移动得越来越快。提高转速、进给速度和增加零部件重量将会产生振动，从而降低精度。树脂混凝土能消除振动，提高机床的精度。（3）高度整合性。和900℃浇铸温度的铸铁相比较，树脂混凝±45℃的浇铸温度是另一个优点。传统的方法是在床身浇铸完成以后再安装上其他的零部件，如今可以直接在铸件中铸入零部件，如管道、电缆、传感器、执行器和盛液体的内腔等。（4）高精度。传统制造床身的方式是经过铣、磨加工以后再安装线性导轨。因为传统的铸件在脱模以后的精度较低，脱模后的树脂混凝土能达到较高的精度。此外，通过再次浇铸还可以达到更高的精度水平。2.复合石蜡材料数控机床加工的材料通常是钢材，其硬度较高，特别是在首件加工时，由于程序编制及对刀的错误，零件形状和尺寸往往不容易达到图样要求，造成材料浪费。复合石蜡材料的硬度无法与钢材相比，韧性和抗冲击的能力无法与塑料对比，但其价格低廉、良好的可回收性是钢材和塑料无法比拟的，对保障数控加工产品的合格率，确保安全生产，降低生产和教学成本有着重要的意义。（1）复合石蜡材料的特点1）节约材料复合石蜡材料利用后可以对材料进行再回收，反复使用，能源消耗低，回收过程不会对环境造成危害。作为钢材的替代品，用于零件的首件试生产和教学性训练，生产和使用成本都非常低，有着非常广泛的应用前景。2）节约刀具钢材加工对刀具的磨损大，特别是初学者经常会发生刀具碰撞的事故，刀具损耗量很大。数控刀具的价格都非常高，发生碰撞后造成的损失也相当高。由于复合石蜡材料硬度低，加工过程中对刀具的磨损几乎为零，发生刀具与零件碰撞时，材料碎裂，对刀具不会产生任何影响；同时刀具可以长期使用而不用修磨和更换，节约了大量的刀具费用。3）不使用切削液复合石蜡材料硬度远低于钢材，加工过程不会产生热量，对刀具几乎没有磨损，所以不论是采取车削还是铣削方式，都不需要加注切削液，节约了切削液的费用。4）提高机床操作的安全性数控加工的首件试生产和初学者的训练性加工，经常会发生刀具中国金属加工在线版权所有与零件碰撞，造成人身伤害，刀具和材料报废。采用复合石蜡作为加工材料，即使发生碰撞，只会使材料破碎，不会飞出伤人，有效保障了操作者的人身安全，同时避免发生碰撞对数控机床造成的精度降低和损坏。5）应用范围复合石蜡材料可以在各类数控机床及普通机床上加工，坯件可以加工成圆柱体、长方体或特殊形状及尺寸，可以在机床上进行外轮廓面、内孔、螺纹、切槽及特殊型面等加工。（2）复合石蜡材料的性能1）可回收材料的选择可应用于机械加工中的回收材料，包括低熔点的金属材料如铜、铝等，非金属材料如塑料、尼龙和石蜡等。铜、铝的回收需要冶炼条件和设备，需要专门厂家集中冶炼，回收成本高。塑料、尼龙需要购置挤塑机，设备投入大，对设备的操作技术、维护等要求高，对环境也容易造成污染。石蜡的熔点低，回收再利用能源消耗少，对环境不会造成污染，是比较理想的材料。2）可回收材料的性能要求应用于数控加工的可回收材料，应当具有足够的硬度、韧性和抗拉强度，使用夹具装夹，变形不大，在高速旋转时不会发生断裂；对机床不产生腐蚀和磨损，不能堵塞润滑和冷却系统；零件加工完成，尺寸和表面粗糙度可以达到图样要求，不会发生形状及尺寸变化；对刀具的磨损和损耗小，当刀具与零件碰撞时，零件易折断，不会对机床精度造成危害，避免对操作者人身产生危害；回收及使用过程不产生有毒、有害气体，对环境和人体无危害，材料价格和回收成本低。3）复合石蜡材料的性能改善石蜡熔点和强度低，容易加工但也容易破碎，无法满足夹具装夹、刀具切削的要求。通过在石蜡中加入添加物，提高其硬度、韧性和抗拉强度，改善力学性能。首先，提高材料软化和熔化温度。石蜡是无色至白色结晶蜡状固体，无臭无味，相对密度0.82~0.90g/cm3,熔点低于45℃的石蜡称为软蜡。熔点在45~60℃之间，25℃针入度低于20（0.1mm）的石蜡称为硬蜡。加入添加材料后石蜡的熔化温度可以达到70℃以上，在35℃以下的环境使用，材料不会发生明显的软化，可以满足机床装夹及加工要求。其次，提高材料的硬度和韧性。石蜡的硬度是采用针入度来确定的，无法与钢材等金属材料的力学性能作对比，采用金属材料的检测方式对其检测，由于硬度太低，无法检测出相关数据，因此对材料的检测我们主要采用了直观判断的方式进行检测：一是在车床上可以进行三爪自定心卡盘装夹、一夹一顶、两顶尖装夹；在铣床或加工中心上用夹具装夹，材料不会发生明显变形和断裂。二是长度是直径3倍的材料在1.5m的高度掉落时，材料不发生断裂。三是刀具切削顺利，切屑不会粘附在刀具、工件和机床导轨上，零件加工表面平整，表面粗糙度值低。在石蜡中加入添加材料后，提高了石蜡的硬度，改善了石蜡黏性大、容易粘附的特点，通过调整配方，复合石蜡材料基本满足了上述三项检测要求。最后，提高材料再回收性能。石蜡坯件通常采用浇注方式，内部往往会出现空洞等缺陷，材料在反复使用过程中，会混入切屑、机油、水及灰尘等杂物，加工出来的坯件内部会出现夹层缺陷。为了解决手工制作材料坯件质量不稳定的问题，经过反复实验，研制出用于加工复合石蜡坯件的生产设备，解决坯件容易出现缺陷的难题。加工出来的坯件外表面光滑，尺寸稳定，更换模具，可以生产出不同形状和尺寸要求的坯件，同时做到了规模化生产，以满足生产和教学需要。3.新型陶瓷材料金属切削加工是工业生产中最基本、最广泛、最重水平直接关系到机械加工的效率、产品的质量和制造要的工艺，它直接影响工业生产的效率及成本消耗。金属切削刀具作为切削加工的基础装备之一，其发展的成本，对机械制造技术的发展速度起着关键性的作用。随着新刀具材料如陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等的相继出现，金属切削及刀具技术作为现代制造技术的基础工艺及装各也进入了以发展高速切削，开发新的切削工艺、加快刀具结构变革为特征的发展新阶段。陶瓷刀具具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并待续较长的时间，比用硬质合金刀具平均提高效率3～10倍。它可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”以及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削.对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。可以预见，新型陶瓷刀具对切削加工朝着高速、高效、高精度方向发展将产生很大推动作用，它的推广应用将给金属切削加工工艺带来变革，改变传统的刀具材料和切削技术，节省工时、电力、机床占用台数和生产面积30%～70%，节省战略性贵重金属，从而带来巨大的经济效益。4.其他新材料（1）新型功能材料新型功能材料是现代高新技术的先导和基础。新型功能材料主要包括稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等。其中，稀土功能材料主要包括稀土永磁体、稀土储氢材料、稀土超导材料、稀土激光材料、稀土发光材料等几大类，在风电、汽车、液晶显示等诸多信息和能源高科技领域有着广泛的应用，已成为发展新一代信息技术、节能环保、新能源、高端制造等战略性新兴产业的关键材料。（2）先进结构