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高速加工技术

高速加工技术. 本章内容. 引言 高速加工的定义 高速加工的特点和应用 高速加工和传统加工的区别 高速加工的关键技术. 引言. 切削加工的发展方向是高速切削加工，高速加工技术 (High Speed Machining, HSM) 被认为是 21 世纪最有发展前途的先进制造技术之一 最早在飞机制造业受到重视 近几年高速加工技术已广泛用于模具工业 可广泛用于汽车工业和国防工业. 高速加工的定义. 高速加工和 Salomon 曲线 高速加工的定义 高速加工的切削速度范围 高速加工中心的技术参数. 高速加工和 Salomon 曲线.

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高速加工技术

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Presentation Transcript

  1. 高速加工技术

  2. 本章内容 • 引言 • 高速加工的定义 • 高速加工的特点和应用 • 高速加工和传统加工的区别 • 高速加工的关键技术

  3. 引言 • 切削加工的发展方向是高速切削加工，高速加工技术(High Speed Machining, HSM)被认为是21世纪最有发展前途的先进制造技术之一 • 最早在飞机制造业受到重视 • 近几年高速加工技术已广泛用于模具工业 • 可广泛用于汽车工业和国防工业

  4. 高速加工的定义 • 高速加工和Salomon曲线 • 高速加工的定义 • 高速加工的切削速度范围 • 高速加工中心的技术参数

  5. 高速加工和Salomon曲线 • 1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了“Salomom曲线” • 被加工材料都有一个临界切削速度，在临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5-6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损亦减小

  6. 高速加工定义 • 以主轴转速界定：主轴转速≥8000r/min • 以切削速度和进给速度界定：切削速度和进给速度为普通切削的5-10倍 • 转速特征值(Dn=轴径(mm)×转速(r/min))达到0.5-200×106 • 采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术

  7. 高速加工的切削速度范围 • 高速加工切削速度范围随加工方法不同有所不同 ◎车削：700-7000 m/min ◎铣削：300-6000 m/min ◎钻削：200-1100 m/min • 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异

  8. 高速加工的切削速度范围 2000-9000 1000-7000 1000-4000 800-3000 500-2000 100-1000 300

  9. 高速加工中心的主要技术参数 • 主轴最高转速：10000-150000r/min • 主轴功率从0.5kW到80kW、转矩从0.1N.m到300N.m • 坐标轴加工最高速：30-60m/min，快速移动：70-80m/min,最高120m/min • 换刀时间：3-5s，最快0.7-1.5s

  10. 德国ROEDERS,42000rpm,适合如手机模具加工 西班牙 EURO2000高速立式龙门加工中心,8000r/min,可用于大型模具等

  11. 成都宁江机床 NJ-5HMC40五轴联动加工中心 , 40000r/min ,可用于叶片、叶轮、模具等加工 日本Mori Seiki(森精机)公司的立式加工中心NV5000, 14,000rpm

  12. 铝合金的高速切削

  13. 主轴高速转动示例

  14. 坐标轴快速移动示例

  15. 坐标轴高速加工示例

  16. 高速加工的特点和应用

  17. 高速加工的特点 • 加工效率高，材料去除率是常规的3-5倍 • 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低大概30%-90% • 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度 • 刀具寿命长（高速切削刀具）。刀具受力小，受热影响小，破损的机率很小，磨损慢

  18. 高速加工的特点 • 工件表面质量好。轴向和径向切深小，工件粗糙度小;切削度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，系统振动很小，表面质量好 • 横向切削力很小，有利于加工细筋和薄壁，壁厚甚至可<1mm • 高速切削刀具热硬性好，且切削热大部分被切屑带走，可进行高速干切削，实现绿色加工 • 可完成高硬度材料和硬度高达HRC40-62淬硬钢的加工， Ra0.4，加工效率是EDM的3-6倍

  19. 瑞士FraisaHX铣刀加工高硬度材料

  20. 10 1 0.1 0.01 0.001 粗加工 传统加工方法 精加工 与最终尺寸差值/mm 手工精修 高速切削 少量手工精修 加工时间 100 % 高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司） 高速加工的加工时间 ★ 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

  21. 高速加工的应用 • 航空航天 • 汽车工业 • 模具制造 • 其它

  22. 高速加工在航空航天业中的应用 • 带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。 • 镍、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min

  23. 高速铣削客机机舱地板桁条

  24. 高速加工在汽车工业中的应用 • 应用于汽缸体、汽缸盖、差速器壳、连杆、变速箱壳、转向节及其它多种零件的生产流水线 • 采用高速加工中心和专用机床组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产 • 平面加工：铝件—高速加工中心；铸铁件、钢件—数控铣床 • 中、小孔系，螺孔—高速加工中心；不规则及小型平面铣削—高速加工中心。重要的特殊表面加工（镗缸孔、曲轴孔、凸轮轴孔、长油孔）—柔性专机或组合机床

  25. 高速加工在汽车工业中的应用 1 2 3 4 钻孔 表面倒棱 内侧倒棱 铰孔 高速钻孔 表面和内侧倒棱 高速加工中心 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） 1台1轴1工序（3万件/月） 柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变） 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）

  26. 1硬化毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4精铣 → 5手工磨修 高速模具加工的过程 高速加工在模具制造中应用 电极制造 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 传统模具加工的过程

  27. 汽车车门外覆盖件模具的高速加工 • 模具尺寸：1400x1200 x600mm • 模具重量：2500kg • 毛坯材料：GGG30(相当于HT300) • 材料硬度：HB240 • 高速加工与传统数控加工的时间比较： • 传统加工：50H.，钳工修复：90H.，总计；140H. • HSM：16H.5M.，手工修复：15H.，总计：37.5H.

  28. 高速加工塑料模具 按纽 勺子 照相机 反射镜

  29. 高速加工塑料模具型腔

  30. 高速加工锻造模具 钳子 连杆

  31. 高速加工橡胶轮胎模 加工场景

  32. 高速加工其他模具 吸塑模 压铸模

  33. 高速加工的应用—电极加工 石墨电极 薄壁铜电极

  34. 高速加工在复杂曲面加工中的应用 钛合金人造关节 气轮机叶片

  35. 高速加工与电火花加工的比较 • 高速加工的加工精度高、表面质量好，生产效率很高，在模具工业中的应用效果非常好，符合现代制造技术“高效率、高精度和高度自动化”的发展方向，有广阔的应用前景 • 电火花成形加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工还是有用的 • 高速加工还不能完全代替电火花成形加工，两者应该扬长避短，相辅相成

  36. 高速加工与电火花加工的比较 • 高速加工的一次性设备投资比较大，并不是所有企业都能承受 • 高速加工以其巨大的优势冲击传统的电加工工艺，特别是对模具工业而言,大规模设备更新的时代即将到来

  37. 高速加工的关键技术 • 高速主轴单元制造技术 • 高速进给单元制造技术 • 高速加工刀具技术 • 高速加工的机理研究 • 高速加工在线检测与控制技术 • 高速加工的加工工艺 • 其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等

  38. 高速主轴单元的要求 • 回转精度高，刚性好 • 动平衡性很高 • 能传递足够的力矩和功率 • 能承受高的离心力 • 有良好的热稳定性，带有准确的测温装置和高效的冷却装置 通常采用主轴电机一体化的电主轴部件，实现无中间环节的直接传动

  39. 电主轴概述 • 电主轴省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的“零传动”，提高了传动效率 • 电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C轴控制），调速范围宽 • 电主轴的基本参数： 套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等

  40. 高速主轴系统 • 世界上著名的电主轴生产厂家： • 瑞士：Fisher公司，IBAG公司，Step-up公司 • 德国：GMN公司，FAG公司 • 美国：Precise公司 • 意大利：Gamfior公司，Foemat公司 • 日本：NSK公司，Koyo公司 • 瑞典：SKF公司

  41. 电主轴 单元 适合小孔钻削

  42. 电主轴的高速轴承技术 • 精密滚动轴承 • 精密角接触陶瓷球轴承 • 精密圆柱滚子轴承 • 静压轴承 • 液体静压 • 空气静压 • 磁浮轴承

  43. 精密角接触陶瓷球轴承 角接触陶瓷球轴承 滚动轴承电主轴

  44. 密封圈 电主轴 陶瓷球轴承 陶瓷球轴承 冷却水出口 旋转变压器 冷却水入口 陶瓷轴承高速主轴 陶瓷角接触球轴承高速电主轴结构

  45. 陶瓷轴承高速电主轴结构特征 • 采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似 • 采用“小珠密球”结构，滚珠材料Si3N4, GCr15钢圈 • 与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： • 陶瓷球密度减小60%，可大大降低离心力； • 陶瓷弹性模量比钢高50%，轴承刚度更高； • 热膨胀系数只有轴承刚的25%；摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失； • 陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。

  46. 陶瓷轴承高速电主轴特点 • 采用电动主轴（电机与主轴作成一体）； • 轴承转速特征值（= 轴径（mm）×转速（r/min））较普通钢轴承提高1.2 ～2倍，可达2×106。 • 回转精度可达0.5μm

  47. 瑞士IBGA公司的水介质静压电主轴 静压轴系高速电主轴

  48. 静压轴承工作原理

  49. 静压轴承对轴颈圆度误差的均化作用

  50. 静压轴系特点 • 轴承间隙内介质压强由外部供给，忽略主轴旋转时的动压效应，承载能力不受主轴转速的影响，实现任何转速下液／气体摩擦，具有设计所需的承载能力；适应性好，寿命长 • 主轴浮起后是纯液／气体摩擦，起动摩擦阻力小，主轴旋转后轴线偏移量比轴颈轴套的加工误差小得多 • 具有很高而且稳定的刚性，运转精度比较高 • 需要一套压力供油/气装置，所以设备成本高，体积大。适合于调速范围和载荷变化大的精密设备

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