第九章超高速加工技术

第九章其他先进制造技术超高速加工技术：采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。超高速切削（SuperHigh-speedCutting）:采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。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。1超高速加工技术高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异◎车削(Turing)：700-7000m/min◎铣削(Milling)：300-6000m/min◎钻削(Drilling)：200-1100m/min◎磨削(Grinding)：50-300m/s◎镗削（Boring）：35-75m/min高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同1.高速加工切削速度的范围◎铝合金(AluminumAlloy)：1000-7000m/min◎铜(Cu)：900-5000m/min◎钢(Steel)：500-2000m/min◎灰铸铁(Graycastiron)：800-3000m/min◎钛(Ti)：100-1000m/min德国切削物理学家CarlSalmon博士1929年进行了超高速模拟实验。2.切削理论的提出切削适应区图1Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃16001200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属图2切削速度变化和切削温度的关系在1931年4月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。切削力低切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件；3.高速加工的特点材料切除率高单位时间内切除率可提高3-5倍；图3加工零件高精度切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小；减少工序工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（Onepassmachining）。A为高速切削加工时的热传导过程B为传统加工的热传导过程图4热传导对比图热变形小温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；图5HSM600U型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士Mikron主轴转速：最高42000rpm主轴功率：13KW进给速度：最高40m/min定位精度：0.008mm重复定位精度：0.005mm高速加工技术的发展与应用图6HSM系列高速五轴联动小型立式加工中心图9HSM400加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件图7HSM800图8HSM600高速切削加工应用（1）航空航天领域。大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。图10波音公司的F15战斗机的起动减速板铝合金整体零件：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较长的刀具悬伸图11高速铣削典型工件（2）汽车制造。专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）图12汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）（3）模具制造。图13采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修b）高速模具加工的过程图14两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造生产剃须刀的石墨电极生产球形柄用的铜电极图15高速切削加工电火花加工用工具电极（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。（5）超精密微细切削加工领域。粗铣整体铝板；•精铣去口；•钻680个直径为3mm的小孔。时间为32min。图16高速切削加工医用药盒高速切削加工的关键技术1.高速主轴高速化指标：dmn值，至少达到1×106电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气体静压轴承、液体静压轴承。陶瓷球轴承图17陶瓷轴承高速主轴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陶瓷轴承高速主轴结构前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图18磁浮轴承高速主轴磁浮轴承主轴结构2.快速进给系统伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副；直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。3基座4磁性轨道5直线电机6直线导轨7直线光栅8平台9接口电缆10防护罩图20结构图3.高性能的CNC控制系统图21六杆机床（并联机床结构）4.先进的机床结构超精密加工是指被加工零件的尺寸精度为0.1～0.01µm，加工表面粗糙度达Ra0.03～0.0051µm数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。一般加工：精度10μm左右，Ra0.3～0.8μm；精密加工：精度10—0.1μm左右，Ra0.3—0.03μm；超精密加工：精度0.1—0.01μm左右，Ra0.03—0.05μm；纳米加工：精度高于0.001μm，Ra小于0.005μm。超精密加工的主要方法有：1）金刚石刀具超精密切削；2）精密和镜面磨削；3）精密研磨和抛光；第2节超精密加工技术1.金刚石刀具超精密切削金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。2.精密和镜面磨削磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为1~10-2μm）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.1～0.05μm的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到Ra0.01～0.002μm的镜面。3.精密研磨和抛光精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.01～0.02μm的镜面。超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。纳米（Nanometer）,是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3μm=10-9m。纳米技术是20世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。1.纳米技术的含义纳米技术是指纳米级（0.1~100nm）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。2.纳米技术的主要内容纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。4、纳米加工技术纳米级加工是指：加工精度高于10-3μm，表面粗糙度Ra小于0.005μm，达到纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工等。纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。切削在晶粒内进行；切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）；刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。金刚石超精密加工技术◆机理、特点用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）；加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等加工有机玻璃和各种塑料；典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等。镜片及光学元器件为主。◆应用◆应用实例棱镜加工光学玻璃加工摄像头：要求下表面能够很好的反光成像◆应用实例后视镜室外广角镜◆金刚石刀具超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石性质用途无色透明、正八面体形状的固体，加工后有夺目光泽。经仔细琢磨后，成为装饰品——钻石。划玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，装在钻探机的钻头钻凿坚硬的岩层。自然界中存在的最硬物质,熔点高。金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损——∵机械摩擦、非常微小；破损——∵本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定）金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图金刚石车床及其加工照片精密切削加工精密加工：加工精度为0.1~1um，表面粗糙度为0.02~0.1um。3、增强互换性、促进自动化装配应用。提高加工精度的好处：1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；2、促进产品的小型化；（集成线路、磁盘容量）精密加工技术涉及内容广泛的综合性技术：精密机床设备和工具、稳定的加工环境、运用计算机技术的实时检测和反馈补偿等。精密加工的关键技术：1、精密加工机床2、金刚石刀具3、精密切削机理5、误差补偿4、稳定的加工环境6、精密测量技术精密加工机床研究方向：提高机床主轴的回转精度、工作台的直线运动精度以及刀具的微量进给精度。（主轴轴承和导轨）超精密级滚动轴承——液体静压或空气静压轴承。金刚石刀具金刚石晶面选择、金刚石刀具刃口的圆弧半径。先进国家达到纳米级，我国0.1~0.3um。精密切削机理积屑瘤的形成、毛刺的产生、切削参数及加工条件等。需深入研究以掌握其变化规律。稳定的加工环境恒温（加工空间和机床本身）、防振、净化（高效过滤器）。误差补偿消除或抵消误差本身的影响。同时防止误差累计。（一直靠提高机床制造精度来提高工件精度会使成本大大增加）精密测量技术高一个数量级、显微镜和激光干涉仪等。隧道显微镜分辨率达到0.1nm。精密切削研究最早从金刚石车削开始——金刚石铣削——金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料——立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性：过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。第3节快速成型技术一、RP技术概述1、RP技术的发展历史快速成型(RapidPrototyping,简称RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的,是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。1986年美国3DSystems公司率先推出了称为StereolithographyApparatus（简称SLA）的激光快速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得到了异乎寻常的迅猛发展。目前美国在RP领域处于