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第七講高速切削機床與工藝,機碩1007班陳琛,一.高速切削加工的定義,高速切削加工技術中的“高速”是一個相對概念。對于不同的加工方法和工件材料與刀具材料，高速切削加工時應用的切削速度并不相同。如何定義高速切削加工，至今還沒有統(tǒng)一的認識。目前沿用的高速切削加工定義主要有以下五種：,1）1978年，CIRP切削委員會提出以線速度（500~700）m/min的切削速度加工為高速切削加工。2）對銑削加工而言，從刀具夾持裝置達到平衡要求時的速度來定義高速切削加工。根據ISO1940標準，主軸轉速高于8000r/min為高速切削加工。,3）德國Darmstadt工業(yè)大學生產工程與機床研究所提出以高于（5~10）倍的普通切削速度的切削加工定義為高速切削加工。4）從主軸設計的觀點，以沿用多年的DN值（主軸軸承孔直徑D與主軸最大轉速N的乘積）來定義高速切削加工。DN值達（5~2000）xmm．r/min時為高速切削加工。,5）從刀具和主軸的動力學角度來定義高速切削加工。這種定義取決于刀具振動的主模式頻率，它在ANSI/ASME標準中用來進行切削性能測試時選擇轉速范圍。,因此，高速切削加工不能簡單地用某一具體的切削速度值來定義。根據不同的切削條件，具有不同的高切削速度范圍。目前，加工鋁合金已達到2000－7500m/min；鑄鐵為900－5000m/min；鋼為600－3000m/min；耐熱鎳基合金達500m/min；鈦合金達150－1000m/min；纖維增強塑料為2000－9000m/min。,二.高速切削的歷史,美國于1960年前后開始進行高速切削實驗。1977年美國在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進行了高速切削實驗，其主軸轉速可以在1800~18000r/min范圍內無級變速，工作臺的最大進給速度為7.6m/min。,在德國，1984年國家研究技術部組織了以Darmstadt工業(yè)大學的生產工程與機床研究所為首，包括41家公司參加的兩項聯(lián)合研究計劃，全面而系統(tǒng)地研究了高速切削機床、刀具、控制系統(tǒng)以及相關技術。他們取得了國際公認的高水平研究成果，并在德國工廠廣泛應用，獲得了好的經濟效益。,日本與20世紀60年代就著手高速切削機理的研究，日本廠商現(xiàn)已成為世界上高速機床的主要提供者。我國早在20世紀50年代就開始研究高速切削，但由于各種條件限制，進展緩慢。,三.高速切削加工基礎,高速切削加工切屑形成根據工件材料和切削條件的不同，切削時通常形成四種類型的切屑：連續(xù)切屑、節(jié)狀切屑、單元切屑、崩碎切屑。高速切削時，特別是自動化加工中，切屑的類型非常重要，長的連綿不斷的連續(xù)切屑，纏繞工件或刀具，損壞工件和刀具表面，傷害操作者，無法正常切削，甚至損壞機床。周期性的節(jié)狀或單元切屑，會造成高速切削力的高頻變化，從而影響加工精度與表面粗糙度和刀具壽命。,四.高速切削的優(yōu)點,1、隨切削速度的大幅度提高，進給速度也相應提高5~10倍。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～6倍，甚至更高。同時機床快速空程速度的大幅度提高，也大大減少了非切削的空行程時間，從而極大地提高了機床的生產率。2、刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區(qū)窄，變形系數減小，切削力降低大概30%~90%。同時，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質量。,3、刀具和工件受熱影響小。切削產生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。4、工件表面質量好。工件粗糙度好，其次切削線速度高，機床激振頻率遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動很小，十分容易獲得好的表面質量。5、高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走，可進行高速干切削，不用冷卻液，減少了對環(huán)境的污染，能實現(xiàn)綠色加工。,6、可完成高硬度材料和硬度高達hrc40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層的硬質合金刀具，在高速、大進給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工的3~6倍，而且獲得十分高的表面質量，基本上不用鉗工拋光。7、降低成本。,五.高速切削機床的技術,高速電主軸單元機電一體化的主軸，即所謂電主軸?，F(xiàn)代化的主軸是電機與主軸有機地結合成一體，采用電子傳感器來控制溫度，自有的水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使得主軸在高速下成為“恒溫”；又由于使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術，使得主軸可以免維護、長壽命、高精度。由于采用了機電一體化的主軸，減去了皮帶輪、齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，其主軸轉速就可以輕而易舉地達到0～42000r/min，甚至更高。不僅如此，由于結構簡化，造價下降，精度和可靠性提高，甚至機床的成本也下降了。噪聲、振動源消除，主軸自身的熱源也消除了。,電主軸是通過交流變頻調速和矢量控制來實現(xiàn)主軸的寬調速的.它的優(yōu)點不僅是簡化了主傳動結構,減少主傳動系統(tǒng)的轉動慣量,而且降低了功耗,提高了實現(xiàn)更高主軸速度和加減速度的能力,從而也可實現(xiàn)定角度的快速準停功能,這對高速加工機床是十分重要的。,六.高速切削加工工藝技術,高速切削工藝是成功進行高速切削加工的關鍵技術之一。選擇不當，會使刀具磨損加劇，完全達不到高速加工的目的。高速切削工藝技術包括切削參數、切削路徑、刀具材料及刀具幾何參數的選擇等。,1.切削參數的選擇在高速切削加工中，必須對切削參數進行選擇，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移動的方向和切削過程（順銑還是逆銑）等．,2.切削路徑的優(yōu)化選擇①走刀方向的優(yōu)化在走刀方向的選擇上，以曲面平坦性為評價準則，確定不同的走刀方向選取方案；對于曲率變化大的曲面以最大曲率半徑方向為最優(yōu)進給方向，對曲率變化小的曲面，以單條刀軌平均長度最長為原則選擇走刀方向。②刀位軌跡生成按照刀位路徑盡可能簡化，盡量走直線，路徑盡量光滑的要求選擇加工策略，選擇合適的插補方法，保證加工面殘留高度的要求，采用過渡圓弧的方法處理加工干涉區(qū)，這樣在加工時就不需要減速，提高加工效率。③柔性加減速和斷刀的幾率。選取合適的加減速方式，減少啟動沖擊，保持機床的精度，減少刀具顫振。,3.刀具材料的選擇①切削刀具材料與加工對象的力學性能匹配，主要指刀具與工件材料的強度、韌性和硬度等力學性能相匹配。②切削刀具材料與加工對象的物理性能匹配，土要是指刀具與工件材料的熔點、彈性模量、導熱系數、熱膨脹系數、抗熱沖擊能力等物理參數要相匹配。③切削刀具材料與加工對象的化學性能匹配主要是指刀具材料與工件材料化學親和性、化學反應、擴散和溶解等化學性能相匹配。,4.干式（準干式）切削技術高速加工中不采用切削液或采用微量的切削液可以帶來大量的好處,降低切削過程對環(huán)境的危害、提高切屑的回收利用率等降低切削成本、降低切削過程對環(huán)境的危害、提高切屑的回收利用率等。,5.加工誤差綜合動態(tài)補償技術高速切削加工中誤差產生的主要原因有伺服系統(tǒng)的滯后、加減速引起的滯后、插補周期引起的形狀誤差、數控系統(tǒng)的輪廓誤差等。目前采用的補償技術有：溫度補償、象限補償、絲杠誤差補償、使用非均勻有理B樣條插補、納米插補、加減速預測及控制伺服電機最佳加減速轉矩、進行前瞻性控制、刀具長度補償、刀具中心點及半徑補償、沖擊控制等。,七.高速機床,1.高速車床高速車床需要有相當的大功率覆蓋粗加工范圍。所以，必須采用新觀念設計機床，以滿足高速加工時機床的剛性要求，特別重要的是直接驅動和較松的支撐頂尖，以消除巨大的軸向力。高速車床的卡盤/工作區(qū)應該完全被罩起來，保護罩應該使用彈性的和能夠吸收能量的夾層結構。在設計或選擇車床主軸時采用結構緊湊的主軸結構，在主軸轉速允許的條件下盡量選大直徑。高速車削加工中的一個技術難點是工件的夾緊方法，要開發(fā)用于高速車床的專用卡盤。,2.高速鉆床高速鉆床屬于粗加工。具有立式和臥式主軸的工作臺式和龍門式鉆床都可以用做高速鉆床。高速鉆削要求主軸有足夠高的轉速，切削速度大于100m/min；穩(wěn)定性好，特別是動剛度高?？焖俟ヂ菁y還要求快速反轉、定位和速度控制。在高速鉆削加工中，內冷鉆頭需要高壓、大流量切削液以及很細的過濾器。,3.高速銑床,4.高速車銑床車銑床是集車、銑功能于一體的機床，或者說是在車床上加上高速銑頭而形成的具有車、銑功能的機床，使機床具有更大的加工范圍。這種機床可以車削為主，也可以以銑削為主。,5.高速虛擬軸機床虛擬軸機床與傳統(tǒng)機床相比，還有很多優(yōu)異的性能。虛擬軸機床實際上是一個空間并聯(lián)桿機構，用了基于Stewart平臺原理的并聯(lián)閉鎖多自由度驅動機構，其六根桿即六個并聯(lián)連桿。它的運動誤差不會像串聯(lián)機床那樣相互疊加，因此在理論上講，虛擬軸機床的精度應高于傳統(tǒng)機床。,6.加工中心加工中心是數控機床進一步發(fā)展的產物，是現(xiàn)代機械車間柔性化生產最重要的加工設備之一。加工中心上在數控機床出現(xiàn)后，為了進一步提高加工效率，減少輔助時間，將更換刀具的動作與功能和數控機床集成而形成的一類自動化程度和生產率更高的新型數控機床。,OVER~~ThankYou!,