高速加工技术

高速加工技术2020/3/102内容4.1高速加工绪论4.2高速加工基础理论4.3高速加工机床4.4高速加工刀具4.5高速加工质量2020/3/1034.1高速加工绪论4.1.1高速切削加工的概念1）高速加工技术发展历程1930’s,德国CarlSalomon博士申请的专利“类似于切削刀具加工的一种加工金属或材料的新方法”，首次提出高速切削/加工（HighSpeedCutting/Machining）概念。他发现：“超过某一切削速度，切削温度开始下降。”Salomon的基础研究表明：在某一速度范围内，由于切削温度太高，切削加工不可能进行（这个范围称为“死谷”）。高速加工2020/3/10精密与超精密加工4高速加工1）高速加工技术发展历程Salomon最初的研究目标是提高单位时间的金属切除率。大约20年后，20世纪50年代初期，又在世界范围内开始了高速切削技术的研究。因为机床转速限制，采用了“弹道切削”方法，将刀具射向工件或将工件射向固定的刀具进行实验。20世纪60年代，M.Kronenberg建立了切削力和动态切削力的关系方程。此外还发现，在超高速切削时，塑性材料的特性发生变化，由于脆性断裂而形成切屑。1977年美国研制出第一台高速铣床。70年末德国达姆斯塔特工业大学生产工程与机床研究所（PTW）开始进行HSM研究。2020/3/105HSM发展的重大历史事件1931Salomon圆锯切削实验，发现超过某一切削速度，切削温度开始下降1950‘sUSA弹道切削试验1960‘sM.Kronenberg建立了切削力和动态切削力的关系方程，由脆性断裂而形成切屑1977USA高速铣床，切削速度可高达约2000m/min1980D.PTW主动磁轴承支承的高速主轴1984~1988D.PTW滚珠轴承支承的高速主轴，高速切削的基础理论1990‘sD.PTW开始工程应用高速加工2020/3/1062）高速加工定义高速切削为切削速度超过一定范围（死谷）的切削。德国达姆斯塔特工业大学生产工程与机床研究所（PTW）将高速加工定义为：超过常规切削速度5~10倍的切削。由于不同的材料性质不同，高速加工的切削速度范围也不同。高速加工2020/3/1074.1.2高速加工的特点1）高速切削的主要优点切削力小；切削温度低，工件热变形小；有利于保证零件的尺寸、形位精度（±1μm）；在远离临界振动区加工，工艺系统振动减小；表面质量高Ra0.2~0.8μm；显著提高材料切除率；但刀具寿命随材料硬度增加而下降。高速铣削可加工多种类型材料：铝合金、铜合金、钛合金、镍基合金、不锈钢、淬硬钢、石墨、石英玻璃、塑料等。高速加工2020/3/1081）高速切削的主要优点切削速度vc切除率表面质量切削力刀具寿命高速加工2020/3/1092）高速切削应用存在的主要问题高速铣削机床较昂贵，固定资产投资较大，刀具费用也会提高，目前主要依赖进口；加减速度加速度较大，主轴启动、停止及高速运行时磨损严重，高速主轴寿命短，维修费用高；需要特别的工艺知识，较高的编程要求，如工艺参数合理选择、高速加工编程软件应用（如UG、CimatronCAD/CAM）；缺乏高级的操作人员。高速加工2020/3/10104.1.3高速加工影响因素高速加工2020/3/10114.1.4应用领域高速加工的应用在于如何利用它的优点。特别值得一提的是模具、航空航天、光学和精密机械以及汽车和日用品工业等领域。高速加工是典型的高速高效加工方法，尽管高速加工不一定是生产高精零件的方法，它也可归入高精加工的范畴。技术优点应用领域事例高去除率轻合金，钢和铸铁航空航天产品，工具、模具制造高表面质量精密加工，特殊工件光学零件，精细零件，旋转压缩机小切削力薄壁件航空航天工业，汽车工业，家用设备高激振频率避共振频率加工精密机械和光学工业切屑散热热敏感工件精密机械，镁合金加工高速加工2020/3/10124.2高速加工基础理论4.2.1切屑形成过程1）切削速度高速加工是高的切削线速度。min/1000mdnvc球头刀高速加工时的有效切削速度。高速加工2020/3/10132）切屑形成随着切削速度的提高,切削类型由连续性切屑向集中剪切滑移切屑过渡,切削变形集中在很窄的滑移带中。切削变形过程(连续切屑)：SeSS,v=4.9m/min低速切削不锈钢连续切屑高速加工2020/3/1014切屑形成机理切屑的形成是基体材料变形的结果，塑性变形使切屑从工件基体上被切下来。刀刃切入材料时，在被切材料和刀刃的接触点前面一点的地方产生高温和应力，应力和温度足够高时，就产生工件材料的塑性变形。金属容易变形的区域称为基本剪切区。当材料到达屈服点时，切屑从基体材料上分离出来，沿基本剪切面滑移，并把材料推向刀具。第二剪切区出现在沿着刀具大面的位置。随着切屑在这个区域与刀具前刀面滑移、摩擦，产生温升。研究显示，在切削钢时，第二剪切区的温度高达1200°C。当刀刃继续移动通过材料时，材料变形被切下，形成切屑，同时在后刀刃下面出现材料反弹，这就是图中所示的第三剪切区。高速加工2020/3/1015切屑形成机理切削温度随切削速度增加而逐渐上升，但切削力呈下降趋势。切削机理的研究集中在切屑成形理论、金属断裂、突变滑移、绝热剪切以及各种材料的切屑成形方面。切屑断裂发生在加工过程中不稳定的初始阶段，导致初始剪切区金属的热软化和应变硬化。剪力集中带的形成是由于这些材料的导热性能差而引起的剪切带热能量的集中。延展材料随着塑性变形而发生应变硬化，当变形缓慢时，这个过程是等温的。开始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区。在这个区里，应变硬化强化了材料、而应变区在材料上扩散，使切削力增加。这是传统速度切削时切利力的情况。然而，如果切削速度足够快，使应变硬化来不及发生，变形只发生在小范围内，会使切削力小于传统速度的切削力。高速加工2020/3/10精密与超精密加工16切屑形成机理在快速塑变过程中，局部发热产生温度梯度，最大的温度出现在发热最大的点。如果被切削材料应变强化速率下降，会导致切削点局部温度升高，当下降速率等于或大于应变硬化材料的速率时，金属将继续保持局部变形而不扩散。这个不稳定过程导致突变条件产生，称为绝热滑移。高速加工2020/3/10精密与超精密加工173）切屑的显微硬度高速加工2020/3/10精密与超精密加工184）切屑形成的影响因素工件材料及其性能对形成切屑类型起着决定性作用，但工件材料及其性能决定后，切削速度对切屑的形成特征则有主要影响。进给量（切削厚度）对形成锯齿状切屑也有重要影响，而且随着进给量的增加，切削速度对局磁化程度影响也越明显。刀具前角对切屑形成也有重要作用，相同切削速度和进给量，随着前角减小，切屑逐渐锯齿化。切削速度对形成锯齿状切屑的作用：A）速度提高，应变速度加大，已导致脆性增加，易于形成锯齿状切屑；B）切削速度提高，起始切削温度增加，致使脆性减少。提高速度对形成锯齿形切屑的倾向具有综合作用。锯齿形切屑形成机理有绝热剪切理论和周期脆性断裂理论。高速加工2020/3/10精密与超精密加工194.2.2高速切削加工的切削力1）理论切削力所有作用的切削力和普通切削相同，剪切面上发生变形所需的力必须由刀具的前刀面通过切屑传递到剪切面上，其中主要剪切力Fs，切削层材料经过剪切面时，沿着剪切面滑移，以致造成动量的改变，只是需要增加一个高速切削时（1500m/min）切屑动量改变所需的作用力Fm。)cos(/cos002vAvvAFcscmFs=SsAs=SsAc/sinфSs—剪切面上的剪切应力，As—切削层截面积，ρ—工件材料的密度高速加工2020/3/10精密与超精密加工201）理论切削力一般情况下，切削速度低于1500m/min时，与Fs相比，Fm很小，可视为0，作用在前刀面上的摩擦力F0和法向力N0，作用在后刀面上的摩擦力Ff和法向力Nf。由于Fm=0，则作用在前刀面上的力与作用在剪切面上的力必须保持平衡。切削速度〉1500m/min时，总切削力理论公式：fsmcFFFF)sin(cos)sin()cos()]tan(cossin[cos000002高速加工2020/3/10精密与超精密加工212）切削力测量采用单向或三向测力仪，通过切削试验可检测个方向切削力的大小。高速加工2020/3/10精密与超精密加工224.2.3切削热和切削温度切削时的热量主要来自剪切变形功、刀－屑和刀－工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1％。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。高速加工2020/3/10精密与超精密加工234.2.4高速加工刀具磨损和破损1）刀具磨损与破损特征前、后刀面磨损、微崩刃和前刀面剥落与刀尖碎断等破损。高速加工2020/3/10精密与超精密加工242）损坏机理主要是粘结磨损、化学磨损（扩散、溶解、氧化等）、塑性变形和脆性破损。随速度增加，机械磨损减少，粘结和化学磨损增加。高速加工2020/3/10精密与超精密加工253）刀具寿命刀具以磨损为主，可按传统泰勒公式求出刀具磨损寿命与切削用量之间的关系。刀具以破损为主，则按破损寿命规律（对数正态分布和威布尔分布）求出对数正态分布的均值与方差或威布尔参数评价刀具破损寿命。高速加工2020/3/10精密与超精密加工264.3高速加工机床冷却和润滑刀柄安装卡紧高速主轴排屑进给驱动装置CNC控制安全防护减轻运动零件的重量导轨机床的床身4.3.1高速加工机床的要求高速加工2020/3/10精密与超精密加工27功能要求1）要有一个适合高速运转的主轴单元和驱动系统。2）要有一个快速反应的进给系统单元部件和数控伺服驱动系统。3）要有一个高效、快速的冷却系统。4）高刚性的床体结构。5）安全装置和实时监控系统。6）要有方便可靠的换刀装置。7）优良的热态特性和静、动态特性。高速加工2020/3/10精密与超精密加工284.3.2国内外发展形状高速加工2020/3/10精密与超精密加工294.3.3高速机床的动力学特性1.伺服系统的数学建模和性能分析伺服系统的特性主要是伺服系统的静态特性以及在指令与负载作用下的动态特性。高速机床的主轴转速高达10000~150000r/min直线进给运动速度高达30~120m/min加减速加速度达1~4g（重力加速度g=9.81m/s2）建立机床动力学模型的方法1）子结构法：即理论建模法，由机床设计图纸从理论上进行建模。2）系统识别法：即试验建模法，应用机床的动态实验数据来建模。高速加工2020/3/10精密与超精密加工30数控伺服系统的建模伺服系统和机床结构复杂，建模时须忽略一些次要因素，对系统进行简化。工程上常用的简化包括：用集中参数代替分布参数，用定常参数代替时变参数，用等效的线性特性代替非线性特性，用单自由度力学系统代替多自由度力学系统等。伺服闭环控制系统的数学模型框图：位置调节器速度调节器功率放大器直流伺服电机机械传动装置速度检测器位置检测器RC1+-B2CfC2B1高速加工2020/3/10精密与超精密加工31数控伺服系统的建模数控伺服系统的数学模型首先根据各环节特性分析其传递函数，最后可利用方块图化简法或梅逊公式到出系统的传递函数。典型的伺服机械传动装置（电机—齿轮（带轮）——丝杠）为二阶振荡环节。利用直接驱动的零传动伺服系统可将普通系统的五阶动力学模型降为三阶，从而可简化控制系统计算和数据处理，提高系统的响应速度。高速加工2020/3/10精密与超精密加工32高速电主轴高速电主轴有两种：交流同步伺服电机：通过三相对称电枢绕组产生旋转磁场，驱动永久磁极转子旋转，通过电流闭环控制，利用PWM型逆变器快速跟踪，使同步电机的实际电流接近