现代加工技术

机械设计制造及其自动化142271336黄冬平高速切削加工技术(HSM)——现代加工技术高速切削加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5~10倍以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≧10000r/min高速切削速度范围——材料铝合金1600m/min铸铁1500m/min超耐热镍合金300m/min钛合金150~1000m/min纤维增强塑料2000~9000m/min高速切削速度范围——工艺车削700~7000m/min铣削300~6000m/min钻削200~1100m/min磨削250m/s切削速度对切削力的影响Fs=SsAc/sinΦFm=ρAcv2cosγ0/cos(Φ-γ0)Fs——剪切力Fm——切屑惯性力Ss——材料动态剪切强度Ac——切屑横截面积γ0——刀具前角切削力剪切角随切削速度变化Φ=π/4-β/2+γ0/2Φ——剪切角β——摩擦角切削速度对切削热的影响Q=Q1+Q2+Q3=q1A1+q2A2+q3A3A1,A2,A3——剪切面，前刀面，后刀面Q切屑=R1q1acawcscΦR1——热传入切屑的比例ac——切削厚度a1——材料导热系数aw——切削宽度ε——剪应变国外学者认为：机床主轴转速8000～12000r/min为准高速切削15000～50000r/min为高速切削大于50000r/min为超高速切削。国内学者认为：超高速切削加工是一种比常规切削速度高得多(10倍左右)的速度对零件进行加工的先进技术。超高速加工的研究，起源于上世纪30年代，当时德国的切削物理学家卡尔.萨洛蒙博士进行了一项研究。他用大直径的圆锯片对铝、铜等非金属材料进行了高速切削实验，提出了著名的萨洛蒙曲线。①不同材料，随切削速度的提高，切削温度的变化不同。②在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度增加而升高，但当切削速度达到某个峰值时，切削速度再提高，切削温度反而下降。1931年，德国物理学家Carl.Salomon利用已加装锯齿的大直径旋转飞轮在一定范围内模拟高速切削实验。1977年，美国第一次在数控铣床上实现了超高速切削。当时进行了主轴转速为18000r/min、30000r/min、100000r/min的三种高速切削试验。自八十年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。目前，超高速加工在不断提速的同时，正和数控领域结合。我国目前研制的超高速加工机床主轴最高转速仍处于10000r/min，与国外先进水平存在较大差距。①加工效率高;②切削力小，刀具耐用度提高;③热变形小;④加工精度高，表面质量好;⑤减少后续加工工序。航天航空汽车工业模具制造航空航天工业中许多带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件及许多镍合金、钛合金零件等。铝合金整体零件：􀂋整体零件“掏空”，切除量大􀂋零件有薄壁，要求小切削力􀂋小直径刀具􀂋较长的刀具悬伸由高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，可以实现多品种、中小批量的高效生产。经过分析提出,如能采用高速加工,将单轴加工中心的生产率提高5倍,则虽然是顺序加工,生产率仍可以达到5根主轴同时加工的组合机床。手机模具手机按键模具用高速铣削代替传统的电火花成形加工，可使模且制造效率提高3～5倍，大大缩短模具制造周期和制造费用。对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。超高速加工技术关键主轴单元主轴单元刀具刀具材料刀具与刀柄连接①滚珠轴承高速主轴①滚珠轴承高速主轴高速主轴轴承的最新发展是使用陶瓷混合球轴承。即轴承内外圈是轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷（Si3N4）制成。􀂋陶瓷滚珠密度比钢珠低大约60%，所以可大幅度降低离心力陶瓷的弹性模量E比钢高50%，所以滚珠尺寸相同的陶瓷轴承具有更高的刚度。􀂋氮化硅摩擦系数低，耐磨性好。因此可减少摩擦发热，减少磨损，提高使用轴承寿命。②磁浮轴承高速主轴②磁浮轴承高速主轴电磁铁绕组通入电流，对转子产生吸引力，使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的位移信号送至控制器，控制器将位移信号转换成控制信号，再经功率放大器变换成控制电流，通过改变控制电流，改变吸引力大小和方向，使转子重新回到平衡位置。超高速机床进给速度为60m/min以上，特殊情况可达120m/min，是普通机床进给速度的5～10倍，且能瞬时达到高速，瞬时准确停止。系统具有很好的加速和减速特性。实现上述进给单元的高性能，需要采用直线电机驱动。直线电机与传统旋转电机加丝杠结构的比较目前，用于高速切削的刀具材料主要是金刚石和立方氮化硼，其它还有硬质合金、陶瓷等。高速加工中，切削热更多流向刀具，要求抗磨损；刀具系统必须有良好的动平衡，可靠定位。天然金刚石天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵,加工、焊接都非常困难,除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工),很少作为切削工具应用在工业中。化学气象沉积CVD金刚石CVD金刚石制成两种形式:一种是在基体上沉积厚度小于30μm的薄层膜(CVD薄膜);另一种是沉积厚度达1mm的无衬底的金刚石厚层膜(CVD厚膜)。聚晶金刚石聚晶金刚石是人造金刚石的一种，硬度仅次于天然金刚石。其价格只有天然金刚石的几十分之一，具有高导热性和低摩擦系数，主要用于加工有色金属等软金属。与硬质合金相比，使用寿命可高出10～500倍。目前，已在大部分场合代替天然金刚石。1）较高的硬度和耐磨性。CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此具有仅次于金刚石的高硬度和耐磨性。2）高的热稳定性。明显优于金刚石刀具。3）良好的化学稳定性。CBN在12000C～13000C时不会与铁系材料发生化学反应。在20000C时才与碳反应，这比金刚石材料好得多，特别适合加工钢铁材料。4）良好的导热性。导热性仅次于金刚石。5）较低的摩擦系数。使得切削力和切削变形减小，提高了表面加工质量。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性其硬度达93～95HRA耐磨性好,适于加工50～65HRC的高硬度材料,如冷硬铸铁和淬硬钢高温性能好,在1200℃的高温下仍能进行切削。刀具与刀柄的连接形式，当主轴锥孔圆周速度为30～40m/s时，离心力能使锥孔外径扩张，产生夹不紧。现在超高速机床多采用冷缩型刀柄。谢谢！