77机械制造基础论文

重庆大学超高速切削及其关键技术年级:2011级学号:20112365姓名:鞠梦超专业:机自二零一三年十一月×××大学本科毕业设计（论文）I-I-摘要介绍高速切削加工的定义，高速切削加工中机床的选择，高速切削加工刀具材料的介绍及高速切削加工工艺的有关知识。关键词：高速切削加工；刀具材料；加工工艺；关键技术××大学本科毕业设计（论文）-II-AbstractItintroducesthedefinitionofthehighspeedcutting,highspeedcuttingmachinetoolselection,therelevantknowledgeofhigh-speedcuttingtoolmaterialsandhighspeedcuttingprocessKeywords:high-speedcutting;cuttingtool;processingtechnology;thekeytenology××大学本科毕业设计（论文）-III-目录摘要.................................................................................ⅠABSTRACT.................................................................................Ⅱ第1章概述.........................................................................11.1超高速加工技术内涵、范围及技术地位.......................................11.2超高速加工技术产生发展及现状趋势..........................................11.3超高速加工技术的优越性.......................................................2第2章超高速切削相关技术.......................................................32.1超高速切削、磨削机理...........................................................32.2超高速切削关键技术.............................................................52.2.1高速切削的主轴系统…………………………………………………………………………42.2.2高速切削的进给系统………………………………………………………………………52.2.3高速切削的刀具夹持系统………………………………………………………………………52.3超高速加工用刀具................................................................6参考文献..................................................................................7机自2班20112365鞠梦超机械制造技术基础-1-第1章概述1.1超高速加工技术内涵、范围及技术地位提高切削、磨削加工效率一直是切削、磨削领域所十分关注并为之不懈奋斗的重要目标。超高速切削和磨削加工就是近年来发展的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠的实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切削率、加工精度和加工质量的先进加工技术。其显著标志是被加工塑型金属材料在切除过程之中的剪切滑移速度到达或者超过某一阀值，开始趋向最佳切削条件，是的切除被加工材料所消耗能量、切削力、工件表面温度、刀具和磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率远远超过传统切削下的效率。目前各国尚未统一对超高速切削速度范围的认识，但通常把切削速度比常规速度高出5~10倍以上的切削加工称为超高速切削。德国darmstadt工业大学的研究给出了七种材料的超高速加工的速度范围：铝合金2000~7500m/min；铜合金900~5000m/min；铸铁800~3000m/min；钢600~3000m/min；超耐热镍基合金80~500m/min；钛合金150~1000m/min；纤维增强塑料2000~9000m/min。此外也可按工艺方法划分，分别是车削700~7000m/min；铣削3000~6000m/min；钻削200~1100m/min；磨削150m/min以上。超高速加工目前已可覆盖大多数工程材料，可加工各种表面形状材料，可由毛坯一次加工成成品，并实现精密甚至超精密加工。超高速磨削可实现小的磨粒切深，使陶瓷等硬脆材料不再以脆性断裂形式产生切屑，使磨削表面质量提高。对镍基合金、钛合金等难加工材料也会在高应变率的作用下而改善切削加工性能，从而得到高的加工质量。国外有权威杂志宣称：如果把数控技术堪称现代加工技术第一个里程碑，那么超高速加工技术就是现代制造技术第二个里程碑；超高速加工技术与精密超精密加工、高能束加工和自动化加工共同构成了当代四大先进加工技术。1.2超高速加工技术产生发展及现状趋势在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航机自2班20112365鞠梦超机械制造技术基础-2-空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。超高速切削目前主要用于如下几个领域：1.大批生产领域如汽车工业，如美国福特（Ford）汽车公司与Ingersoll公司研制的HVM800卧式加工中心及镗气缸用的单轴镗缸机床以实际用于生产线；2.工件本身刚度不足的加工领域，如航空航天工业产品或其他某些产品，如Ingersoll公司采用的超高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚仅为1mm；3.加工复杂曲面系统，如模具制造；4.难加工材料领域，如Ingersoll公司的“高速模块”所用的切削速度为：加工航空航天铝合金2438m/min，汽车铝合金1829m/min，铸铁1219r/min，这均比常规速度高出几倍甚至几十倍；5.超精密微细切削加工领域，如日本的FANUC公司和电气通信大学合作研究了一种超精密铣床，其主轴转速达55000rpm，可用切削方法实现自由曲面的微细加工，据称，其生产率和相对精度均为目前光刻技术领域中的微细加工所不及。超高速切削技术的发展趋势应符合加工中心或柔性制造技术的发展方向及高效高速化、实用廉价化、多功能（复合化），最主要是高速高效化方向。1.3超高速加工技术的优越性与常规切削加工相比，超高速切削加工在提高生产率，降低生产成本，减少热变形和切削力以及实现高精度、高质量加工等方面具有明显优势。其优越性主要表现在下面几个方面：1.随着切削速度的大幅提高，进给速度也相应提高5~10倍，这样，单位时间材料切除率可提高3~6倍，因为加工时间通常可缩减到原来的1/3.同时非切削的空行程时间也大幅减少，从而提高了加工效率和设备使用率，缩短了生产周期。2.在超高速切削速度范围内，随着切削速度的提高，切削力平均可降低30%以上，这对于加机自2班20112365鞠梦超机械制造技术基础-3-工刚性较差的零件来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。同时有利于延长刀具寿命。3.由于切屑可以很高的速度被排除，带走了大量的热量。可达90%。因此传给工件热量大幅减少，有利于工件的热变形和内应力，有利于加工精度。4.高速切削不仅可以极大的减小切削力，削减激震源，而且由于高转速时的切削系统的工作频率远远偏离了机床的低阶固有频率，使得加工过程平稳，有利于提升加工表面质量。5.高速切削可加工硬度高达HRC45~HRC65的淬硬钢铁件，因此对淬硬后的模具等复杂零件，可直接铣成，省区后续的传统加工。这就是所谓的“一次过”技术。第2章超高速切削相关技术2.1超高速切削、磨削机理超高速切削和磨削机理研究主要指对超高速加工条件下切削磨削过程以及产生的各种切削磨削现象的理论研究，其实超高速加工技术中的最基本的技术支持。其设计的关键技术有：超高速切削磨削的加工过程研究，超高速切削加工现象及切削工艺参数优化的研究，各种材料的超高速切削机理的研究，超高速磨削技术中各种磨削现象及各种材料磨削的机理研究，超高速切削磨削的虚拟实际的磨削技术的开发研究，以及超高速磨削加工智能数据库的开发等。超高速加工技术的理论研究可追溯到20世纪30年代，即1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙发表的著名超高速切削理论，即“萨洛蒙曲线”,超高速切削概念可用下图示意。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内（A区），切削温度随切削速度增大而提高，但是当切削速度增大到某一数值时vξ之后，切削速度增加，切削速度反而降低；vξ之值与工件材料种类有关，对每种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围以内（B区），由于切削温度太高，任何刀具无法承受，切削加工不可能进行，这个范围被称之为”死谷”，由于受当时实验条件限制，这一理论未能严格区分切削温度和工件温度的界限，但是他的思想给后来的研究者一个非常重要的启示：如果能越过这个死谷而在超高速区（C区）进行工作，则有可能用现有刀具进行超高速切削，从而大幅度减少切削工时，成功提升机床生产率。然而后继很多研究者对死谷产生了怀疑，现在大多数学者认为：在该苏切削铸铁、钢以及难加工材料时，即使在很高的切削速度范围内也不存在死谷，刀具耐用值总是随切削速度增加而降低的；而在硬质合金刀具高速铣削时，尽管切削速度v的提高，切削温度随之升高，刀具磨损逐渐加剧，刀具耐用度T继续下降，且T-v规律仍遵循Taylor方程，但在较高切削速度段，Taylor方程中m值大于较低速度段的m值，这意味着较高速度段的刀具耐用度T随v提高而下降的速率减缓，这一结论对超高速切削技术的实际运用十分有意义。机自2班20112365鞠梦超机械制造技术基础-4-超高速切削切屑的形成实验研究表明，依照被加工材料的类型和工艺条件，对切削力和切屑变形的影响是不同的，存在着连续切屑和断续切屑两种类型，在超高速切削高导热性、低硬度合金金属时易形成连续切屑，而在超高速切削低导热性、密排六方多晶体结构、高硬度材料时易产生断续切屑。美国于20世纪70年代前后用爆炸射击法实现的1200m/s的超高音速切削实验表明：在超高速切削条件下的切屑形成过程和普通的切削不同，随着v的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变，单位切削力初期呈上升趋势，而后急剧下降塑性变形区变浅，残余应力及硬度变化减小。一系列实验表明，在通过切削素的来降低机加工时间同时还具有一系列优点如：单位时间材料切除率大大提高；切削力可降低30%左右，基于此可利用超高速切削加工薄壁零件；超高速切削加工特别适合那些对于温度特别敏感的零件加工；由于机床架构改善和超高速切削激振频率提高；刀具耐用度提高70%左右，加工成本降低。但是超高速切削加工加工一些难加工材料，切削速度提高会受到刀具极具磨损的限制。2.2超高速切削关键技术随着这几年超高速加工技