畢業(yè)論文--超高速切削加工技術(shù)及其應(yīng)用

1、<p>　　超高速切削加工技術(shù)及其應(yīng)用的研究</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　0．前言…………………………………………………………………10</p><p>　　1．超高速切削概念、內(nèi)容及特點(diǎn)……………………………………11</p><p>　　1．1 超高速切削概念…………………

2、…………………………………………11</p><p>　　1．2 超高速切削的研究內(nèi)容……………………………………………………11</p><p>　　1．3 超高速切削特點(diǎn)……………………………………………………………12</p><p>　　2. 超高速切削的技術(shù)體系 …………………………………………13</p><p>　　3． 超高速

3、切削的技術(shù)關(guān)鍵及目前解決方案………………………13</p><p>　　3．1超高速切削的技術(shù)關(guān)鍵……………………………………………………13</p><p>　　3．2超高速切削關(guān)鍵技術(shù)解決方案……………………………………………15</p><p>　?。?）超高速切削機(jī)床…………………………………………………………15</p><p>　

4、?。?）超高速切削刀具…………………………………………………………17</p><p>　?。?）CAD／CAM…………………………………………………………………17</p><p>　?。?）超高速切削的數(shù)控編程…………………………………………………17</p><p>　　4． 超高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用……………………………………17</p>&l

5、t;p>　　4.1 超高速切削在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用……………………………………17</p><p>　　4.2 超高速切削在纖維增強(qiáng)塑料中的應(yīng)用……………………………………18</p><p>　　4.3 超高速切削在模具制造業(yè)中的應(yīng)用………………………………………18</p><p>　　4.4 超高速切削在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用………………………………………

6、18</p><p>　　5. 超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展前景與展望………………………18</p><p>　　6. 答謝辭……………………………………………………………20</p><p>　　7. 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………20</p><p>　　超高速切削加工技術(shù)及其應(yīng)用</p><p

7、>　　摘要：高速切削加工技術(shù)是一種用比常規(guī)切削高得多的切削速度進(jìn)行切削加工的高效新技術(shù)，高速切削加工可用于加工有色金屬、鑄鐵、鋼、纖維強(qiáng)化復(fù)合材料等，還可以用于切削加工各種難加工材料．現(xiàn)在，高速切削技術(shù)已漸趨成熟，并開始在制造領(lǐng)域中大顯身手。高速機(jī)床的單元技術(shù)和整機(jī)水平正在逐步提高。技術(shù)基礎(chǔ)雄厚的機(jī)床廠推出了多種高速、高精度的機(jī)床產(chǎn)品，并且在航空航天制造、汽車工業(yè)和模具制造、輕工產(chǎn)品制造等重要工業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造了驚人的效益。高速切削技術(shù)

8、和高速加工機(jī)床越來越多地受到工業(yè)部門的青睞。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超高速切削 切削刀具 切削機(jī)床</p><p>　　Ultra—high speed cutting technology and its application</p><p>　　Abstract: The high speed slices to pare processing t

9、echnology is a kind of use to compare the normal regulations to slice to pare high have to have another of slice and pare the speed carry on slice to pare to process of efficiently and lately technique, the high speed sl

10、ice to pare to process and can used for processing the color metals, iron casting, the steel, fiber enhance compound material etc., can also used for slice to pare to process various difficult process the material. now,

11、the high</p><p>　　Key words: Ultra high speed cutting Cutting tool Machine tools</p><p><b>　　0．前言　</b></p><p>　　超高速切削(High Speed Cutting)以下簡稱HSC技術(shù)是國際上70～80年代以來迅速發(fā)展起來

12、的一項(xiàng)先進(jìn)的機(jī)械加工技術(shù)，它是在機(jī)床結(jié)構(gòu)材料、刀具材料、機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、測量測試技術(shù)等飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上， 由機(jī)械加工自身的發(fā)展規(guī)律和需要產(chǎn)生和發(fā)展的。由于HSC的特殊規(guī)律，它具有切削速度高、進(jìn)給速度大，加工效率高、加工成本低、加工精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)極有前途的新技術(shù)。</p><p>　　近十年來，由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、CAD／CAM、FMS、CLMS技術(shù)在機(jī)械加工中大量應(yīng)用，生產(chǎn)加工中的輔

13、助時(shí)間得以大量節(jié)約，在總加工時(shí)間中所占的比例愈來愈小，而切削加工時(shí)間所占的比重相應(yīng)地增大，因此要進(jìn)一步提高加工效益，勢必要把降低切削加工時(shí)間，亦即提高切削速度列入議程。這樣，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展和應(yīng)用超高速切削技術(shù)顯得十分重要，與此相對(duì)應(yīng)，對(duì)超高速機(jī)床的需求量也逐年提高。據(jù)估計(jì)，超高速機(jī)床的世界市場需求量每年為七億美元，且每年按數(shù)億美元的速度增長。</p><p>　　在我國， 目前航空工業(yè)急需配置超高速銑床

14、(整體壁板銑床)。此外，根據(jù)調(diào)查，目前我國模具制造行業(yè)(火花集團(tuán))迫切需要超高速機(jī)床， 由于尚無這方面的技術(shù)和裝備，每年約有數(shù)億美元的模具制造業(yè)務(wù)不能承接。其它行業(yè)的潛在需求量也相當(dāng)之大。正因?yàn)槿绱?，德國法蘭克福Bettle研究所1988年在關(guān)于機(jī)床工業(yè)發(fā)展前景的研究報(bào)告中指出，超高速切削加工隱藏著巨大的發(fā)展?jié)摿?，機(jī)床工業(yè)界要使自己在尖端加工技術(shù)方面所花的投資轉(zhuǎn)化為競爭力，就應(yīng)在實(shí)際中加倍重視超高速加工。目前國際上對(duì)HSC技術(shù)的研究正方

15、興未艾，有關(guān)HSC機(jī)理的研究也在不斷進(jìn)行，HSC機(jī)床也不斷推出， 并在實(shí)際運(yùn)用中產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1．超高速切削概念、內(nèi)容及特點(diǎn)</p><p>　　1．1 超高速切削概念</p><p>　　超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。超高速加工是實(shí)現(xiàn)高效率制造

16、的核心技術(shù)，工序的集約化和設(shè)備的通用化使之具有很高的生產(chǎn)效率。可以說，超高速加工是一種不增加設(shè)備數(shù)量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術(shù)。超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認(rèn)為，超高速加工各種材料的切削速度范圍為：鋁合金已超過1600m／min，鑄鐵為1500m／min，超耐熱鎳合金達(dá)300m／min，鈦合金達(dá)150～1000m／min，纖維增強(qiáng)塑料為2OO0～9000m／min。各種切削工藝的切速

17、范圍為：車削700～7000m／min，銑削300～6000m／min，鉆削200～1100m／min，磨削250m／s以上等等。</p><p>　　1．2超高速切削的研究內(nèi)容</p><p>　　(1)超高速切削機(jī)理研究。對(duì)超高速切削加工過程、各種切削現(xiàn)象、各種被加工材料的超高速切削性能以及超高速切削的工藝參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行系統(tǒng)研究。</p><p>　　(2)超高

18、速主軸單元制造技術(shù)研究。主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)研究；主軸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)研究。</p><p>　　(3)超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)研究。高速位置芯片環(huán)的研制；精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機(jī)參數(shù)匹配關(guān)系的研究；機(jī)械傳動(dòng)鏈靜、動(dòng)剛度研究；加減速控制技術(shù)研究；精密滾珠

19、絲杠副及大導(dǎo)程絲杠副的研制等。</p><p>　　(4)超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究開發(fā)各種超高速加工(包括難加工材料)用刀具磨具材料及制備技術(shù)。</p><p>　　(5)高速CNC控制系統(tǒng)：超高速加工要求CNC控制系統(tǒng)具有快速數(shù)據(jù)處理能力和高功能化特性，以保證加工復(fù)雜曲面輪廓時(shí)，具有良好的加工性能。還要具有高速插補(bǔ)及超前處理能力，防止刀具軌跡偏移和突發(fā)事故。</p>

20、;<p>　　(6)超高速加工在線檢測與控制技術(shù)研究。對(duì)超高速加工機(jī)床主軸單元、進(jìn)給單元系統(tǒng)和機(jī)床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部位和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，對(duì)超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過程中工件加工糖度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究。</p><p>　　1．3 超高速切削特點(diǎn)</p><p>　　高速切削速度較之常規(guī)切削速度幾乎高出一

21、個(gè)數(shù)量級(jí)，其切削機(jī)理異于常規(guī)切削。由于切削機(jī)理的改變，使得高速切削技術(shù)具有如下特點(diǎn)：</p><p><b>　　(1)切削力小</b></p><p>　　由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力減少，切削變形減小，從而使切削力比常規(guī)切削降低30％ 以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少，特別適合于加工薄壁類剛性差的工件，如飛機(jī)上的機(jī)翼壁板

22、等。</p><p><b>　　(2)工件熱變形小</b></p><p>　　在高速切削時(shí)，90％以上的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，工件積累熱量少，工件溫升不會(huì)超過3℃ ，基本保持冷態(tài)，不會(huì)由于溫升導(dǎo)致熱變形，特別適合于／Jam細(xì)長易熱變的工件。</p><p><b>　　(3)材料切除率高</b>&

23、lt;/p><p>　　隨切削速度的提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高5～10倍，單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率可達(dá)常規(guī)切削的3～6倍，適用于材料切除率要求大的場合，在航空航天、汽車和模具制造等領(lǐng)域，高速切削技術(shù)已成為加工整體構(gòu)件最理想的制造技術(shù)。在2001年德國漢諾威舉辦的歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)上展出的荷蘭Unisign公司制造的Unipro-5型五軸立式加工中心(X行程1000 mm、Y行程800mm)，電主軸功率100kW，最

24、高轉(zhuǎn)速25，000r／min，最大扭矩90N·m，其銑削鋁合金的材料切除率已達(dá)8,000～10，000cm ／min。</p><p>　　(4)工藝系統(tǒng)振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工</p><p>　　在高速切削時(shí)，機(jī)床的激振頻率很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了“機(jī)床一刀具一工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍(50～300Hz)，使得加工過程平穩(wěn)，振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工。高速切~U

25、／；tl工獲得的表面質(zhì)量?？蛇_(dá)磨削水平，因此?？墒∪ャ娤骱蟮木庸すば?。例如，瑞士DIXI機(jī)械公司生產(chǎn)的DHP50高精度臥式加工中心，工作臺(tái)500×500mm，雙托盤，行程為700×700×700mm，主軸轉(zhuǎn)速為12，000r／min，功率為25kw，刀庫容量65把，換刀時(shí)間4s(T-T)，6s(C-C)，定位精度4gm，重復(fù)定位精度2Bm(按ISO230—2g準(zhǔn))，測量分辨率0．5btm。高速切削尤其適合

26、于光學(xué)等領(lǐng)域的加工。</p><p>　　(5)可加工難加工材料</p><p>　　難加工材料如高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復(fù)合材料和耐磨鑄鐵等的切削加工不僅切削效率低，而且刀具壽命短。高速切削時(shí)，由于切削力小，切屑變形阻力小，刀具磨損小，故可加工一些難加工材料。例如，航空制造業(yè)中大量采用的鎳基合金、鈦合金材料強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊、易加工硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，在常規(guī)切削中一

27、般采用很低的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到10o～1000m／min，不但能大幅度提高機(jī)床生產(chǎn)率，而且能有效減少刀具磨損，提高工件表面加工質(zhì)量。</p><p>　　(6)高速干切削可以實(shí)現(xiàn)加工過程的綠色制造</p><p>　　高速干切削就是在切削加工過程中不使用任何切削液的工藝方法，是對(duì)傳統(tǒng)切削方式的一種技術(shù)創(chuàng)新。它相對(duì)于濕切削而言，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清

28、潔制造工藝，它消除了切削液的使用對(duì)外部系統(tǒng)造成的負(fù)面影響。目前，能實(shí)現(xiàn)高速干切削的工件材料有鑄鐵、鋁合金、滾動(dòng)軸承鋼等。</p><p>　　2.超高速切削的技術(shù)體系</p><p>　　超高速切削技術(shù)是一項(xiàng)綜合性高技術(shù)，按其內(nèi)容、特點(diǎn)和相互關(guān)系可分為技術(shù)原理、基礎(chǔ)技術(shù)、單元技術(shù)和總體技術(shù)4個(gè)層次，見圖1。其中技術(shù)原理是通過超高速切削、磨削實(shí)驗(yàn)和 理論分析所揭示出的加工機(jī)理，加工過程的變形

29、、力、溫度、摩擦和磨損規(guī)律，超高速條件 下加工系統(tǒng)各部分的穩(wěn)定性、可靠性及彈性擴(kuò)展特性分析。為超高速切削技術(shù)提出基本要求 和提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。基礎(chǔ)技術(shù)和單元技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超高速切削的關(guān)鍵所在，包括材料技術(shù) ，構(gòu)件、元件及部件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，控制和監(jiān)測方法。應(yīng)用了許多技術(shù)領(lǐng)域(如機(jī)械、 電氣、軸承、控制等)的最新成果，集中體現(xiàn)了超高速切削技術(shù)高性能、高精度、高可靠性 和高速度的特點(diǎn)。超高速切削的總體技術(shù)是各單元技術(shù)按應(yīng)用特征和技術(shù)性能的進(jìn)

30、一步集成 。</p><p>　　圖1　超高速切削技術(shù)體系</p><p>　　3．超高速切削的技術(shù)關(guān)鍵及目前解決方案</p><p>　　3．1超高速切削的技術(shù)關(guān)鍵</p><p>　　(1)超高速切削機(jī)理</p><p>　　在超高速切削機(jī)理研究方面，特別需要進(jìn)行的工作是：通過對(duì)各種材料的超高速切削加工機(jī)理、各種新

31、型刀具的超高速加工性能以及超高速切削工藝參數(shù)優(yōu)化的系統(tǒng)性研究，將實(shí)驗(yàn)研究與計(jì)算機(jī)仿真方法相結(jié)合，最終建立完善的基礎(chǔ)理論體系和加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，還要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)超高速切削的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、視覺及預(yù)測仿真軟件，以揭示超高速切削的內(nèi)在規(guī)律。</p><p>　　(2)超高速主軸單元制造技術(shù)</p><p>　　目前，超高速加工機(jī)床的主軸的變速范嗣完全由新型的變頻調(diào)速交流主軸電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，并

32、電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一，構(gòu)成“電主軸”。在高速主軸部件上必須采用高速精密軸承。現(xiàn)在有2種適宜用于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的新型軸承一陶瓷滾動(dòng)軸承和磁浮軸承。</p><p>　　(3)超高速加工進(jìn)給單元制造技術(shù)</p><p>　　目前，高速加工中心和NC銑床工作臺(tái)的進(jìn)給速度和快速空行程速度都已很高，因而對(duì)進(jìn)給部件的動(dòng)態(tài)特性提出了非常高的要求。其主要措施是大幅度減輕移動(dòng)部件重量以及采用新開發(fā)的多頭螺紋行

33、星滾珠絲杠，有的甚至采用了直線電機(jī)，省去了中間傳動(dòng)件。</p><p>　　(4)超高速加工用刀具</p><p>　　超高速切削刀具是實(shí)現(xiàn)超高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。超高速加工用刀具單元技術(shù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：超高速加工用刀具材料及制備技術(shù)，超高速加工用刀具結(jié)構(gòu)及刀具幾何參數(shù)的研究等。超高速加工刀具必須與工件材料有較少的化學(xué)親和性，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊和熱疲勞特性。常用

34、的材料主要有超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、氮化硅(si，N )陶瓷材料、混合陶瓷和碳(氮)化鈦基硬質(zhì)合金以及用氣相沉淀法的超硬材料涂層刀具等。對(duì)于超高速切削用刀具，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和刀具的裝夾結(jié)構(gòu)是非常重要的。為了使刀具具有足夠的使用壽命和低的切削力，刀具的幾何角度必須選擇最佳數(shù)值。超高速切削各種工件材料時(shí)刀具最佳前角、最佳后角的推薦值如表3所示。</p><p>　　超高速切削加工用刀

35、具要有可靠的刀體結(jié)構(gòu)和刀片夾緊結(jié)構(gòu)。為此，刀體與刀片之間的聯(lián)結(jié)配合要封閉，刀片夾緊機(jī)構(gòu)要有足夠的夾緊力，同時(shí)對(duì)超高速回轉(zhuǎn)刀具還應(yīng)提出動(dòng)平衡的要求，其次裝夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有利于迅速換刀并有廣泛的互換性和較高的重復(fù)精度。</p><p>　　(5)超高速加工機(jī)床的支承及輔助單元制造技術(shù)</p><p>　　實(shí)踐證明，超高速機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鑄鐵材料已不能作支承基礎(chǔ)，而要改用人造花崗巖作機(jī)床基礎(chǔ)支承件。

36、這種材料是用大小不等的石英巖顆粒作填料，用熱固性樹脂做粘結(jié)劑，在模型中澆鑄后通過聚合反應(yīng)成型，并采用預(yù)埋金屬構(gòu)件的方法，形成導(dǎo)軌和連接面。這種材料的阻尼特性為鑄鐵的7--l0倍，比重只有鑄鐵的1／3。</p><p>　　(6)超高速加工測試技術(shù)</p><p>　　超高速加工測試技術(shù)主要指在超高速加工過程中通過傳感、分析、信號(hào)處理等，對(duì)超高速機(jī)床及系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測和控制，其涉

37、及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：基于監(jiān)控參數(shù)的在線檢測技術(shù)，超高速加工的多傳感信息融合檢測技術(shù)，超高速加工機(jī)床中各單元系統(tǒng)功能部件的測試技術(shù)，超高速加工中工件狀態(tài)的測試技術(shù)以及超高速加工中自適應(yīng)控制技術(shù)及智能控制技術(shù)等。</p><p>　　3．2 超高速切削關(guān)鍵技術(shù)解決方案</p><p>　?。?）超高速切削機(jī)床</p><p><b>　　1）高速電主軸<

38、;/b></p><p>　　電主軸是將電機(jī)直接放在主軸前后軸承之間使之成為一體的主軸形式，它較好解決了傳統(tǒng)機(jī)床主軸通過皮帶、齒輪或通過聯(lián)軸節(jié)直連等傳動(dòng)所存在的振動(dòng)、發(fā)熱大和慣量大而導(dǎo)致的角加(減)速度低的問題。</p><p>　　支承件的結(jié)構(gòu)形式和精度是影響主軸精度、剛度及機(jī)械效率等的主要因素。超高速主軸主要有以下幾種形式的軸承：空氣軸承、靜動(dòng)壓軸承、磁浮軸承及滾動(dòng)軸承?？諝忪o壓

39、軸承所能承受的切削載荷較小、過載能力較差，多用于高速、輕載和超精密的場合。動(dòng)靜壓混合軸承采用流體動(dòng)力及靜力相結(jié)合的方法．使主軸在油膜支撐中旋轉(zhuǎn)。這種軸承徑向和軸向跳動(dòng)精度高、剛度好、阻尼特性好、軸承壽命高。美國Ingersoll公司已將采用動(dòng)靜壓混合軸承的電主軸商品化。磁懸浮軸承是用電磁力將主軸無機(jī)械接觸地懸浮起來的新型軸承，它無磨損、不需潤滑、精度高、易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷和再線監(jiān)控，是未來超高速主軸軸承的一種選擇。目前這種軸承價(jià)格昂貴，且還

40、有一些技術(shù)上的問題，如冷卻要求高，軸承耗能、發(fā)熱較大、過載后會(huì)燒壞主軸等。目前有瑞士IBAG、德國GMN、日本Seiko Seiki曲等公司提供這種類型的電主軸。采用硬度高、耐磨性好、密度小的陶瓷材料做滾珠，內(nèi)外滾道采用鋼制并進(jìn)行涂層或表面處理的混合陶瓷軸承是目前使用最廣泛且經(jīng)濟(jì)的軸承、它具有高速、高剛度、溫升低及壽命長的特點(diǎn)，隨著技術(shù)發(fā)展，純陶瓷軸承將進(jìn)一步提高滾動(dòng)軸承的使用性能。</p><p>　　超高速切

41、削機(jī)床的電主軸一般要求從靜止到最高轉(zhuǎn)速1—2秒，加速度1g甚至更高，這些參數(shù)要求主軸控制器具有極高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、精度、可靠性及可維護(hù)性。采用矢量控制的PWM交流變頻系統(tǒng)是這種控制的最佳選擇。</p><p>　　主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的同時(shí)，也有一部分轉(zhuǎn)化為熱能。在超高速主軸系統(tǒng)中，多將電機(jī)與主軸合二為一．故這部分熱量不易散發(fā)．所以必須對(duì)電機(jī)冷卻。冷卻多采用含添加劑的冷卻水在一定的管路中循環(huán)，兼顧電機(jī)及支

42、承的冷卻。</p><p>　　主軸支承潤滑一般有：油脂潤滑、油霧潤滑、噴油潤滑、油氣潤滑。油脂潤滑為一次性永久潤滑。不需復(fù)雜的潤滑裝置和管路．維修簡便．但允許的最高速度較低，一般dm ·n<1．2×103m／min；油霧潤滑會(huì)污染環(huán)境，一般較少采用；噴油潤滑是將油柬以較大速度射在軸承內(nèi)圈和保持架之間，通過回油裝置迅速將加熱后的潤滑油帶出去，這種方式需對(duì)潤滑油進(jìn)行噴油、回油、過濾、冷卻等

43、操作，裝置的投資成本昂貴，但其dm·n可達(dá)2．7-3．0×106m／min；油氣潤滑是將油滴定時(shí)注射到一個(gè)管路中并由氣流將它沿管壁帶到軸承處，使軸承各部分都得到適量的潤滑，油滴量和氣流壓力通過軸承的溫度傳感器信號(hào)自動(dòng)加以調(diào)節(jié)，采用油氣潤滑后，軸承dm·n比油脂潤滑提高30％-50％ 。</p><p><b>　　2)快速進(jìn)給系統(tǒng)</b></p>

44、<p>　　與高速電主軸相適應(yīng)的是快速進(jìn)給系統(tǒng)。目前用于高速切削的進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置主要有兩種形式：改進(jìn)的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置與直線電機(jī)。改進(jìn)的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置所能達(dá)到的加速度為0．5— 1g，定位精度20—25m，為提高加速度其采用的措施主要有提高滾珠絲杠剛度、選用大額定扭矩的伺服電機(jī)等。當(dāng)加速度超過1g后，直線電機(jī)是唯一的選擇，直線電機(jī)是無接觸直接驅(qū)動(dòng)，沒有滾珠絲杠的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足的缺點(diǎn)。加速度可達(dá)到2．5g

45、以上，定位精度0．5— 0．05m，甚至更高。直線電機(jī)的高加、減速特性，使切削過程穩(wěn)定，易達(dá)到較高的機(jī)床軌跡精度，刀具磨損少。除上述優(yōu)點(diǎn)外直線電機(jī)還存在一些缺點(diǎn)，如發(fā)熱問題、其磁場對(duì)周圍灰塵及鐵屑的吸附等．但隨著直線電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題將最終被解決。目前直線電機(jī)已廣泛用于超高速機(jī)床，如HyperMach的機(jī)床采用直線電機(jī)后．進(jìn)給速度最大達(dá)60m／min，快移速度100m／min，加速度2g。</p><p&g

46、t;　　3)高性能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)</p><p>　　高速機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須滿足高運(yùn)算速度及精度的要求。為此控制系統(tǒng)采多用32位CPU、64位CPU。并采用多CPU形式，以減少伺服循環(huán)時(shí)間,如Fanuc- 15B 32位控制器執(zhí)行梯形圖程序的速度達(dá)0．1s。為提高被加工零件的形狀及尺寸精度。高速機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用精簡指令集(RISC)系統(tǒng)及GT(Geometric Intelligence)控制

47、等技術(shù)．保證系統(tǒng)具有多程序段預(yù)讀、零軌跡跟蹤誤差、前饋控制、回沖加速、平滑插補(bǔ)、鐘形加減速等功能。全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使伺服控制具有靈敏度高，并可實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制。</p><p>　　4)適合高速加工的刀夾系統(tǒng)</p><p>　　當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過10000r／min后，由于離心力的作用。傳統(tǒng)的采用7：24錐柄的BT型刀夾，由于錐口的擴(kuò)張，使刀具的連接精度及剛度下降．并出現(xiàn)顫振，同時(shí)刀具及

48、夾緊機(jī)構(gòu)的可靠性下降．是主軸的動(dòng)平衡受到影響。針對(duì)上述問題，出現(xiàn)了新型的刀夾系統(tǒng)。如德國的HsK系列、美國的KM系列及7／24的改進(jìn)型。HSK采用錐度部分和端面同時(shí)與主軸面接觸的結(jié)構(gòu)，它的錐體部分7／24型短且為薄壁結(jié)構(gòu)，主軸與刀柄的配合精度高，這種刀夾系統(tǒng)具有很高的接觸剛度和定位重復(fù)精度(定位重復(fù)精度可達(dá)0．OOlmm)，并且夾緊可靠。KM系列與Hf 系列類似。7／24的改進(jìn)型主要有Kemet公司的ABSK結(jié)構(gòu)及WSU一1、WSU-2

49、結(jié)構(gòu)等。</p><p>　?。?）超高速切削刀具</p><p>　　針對(duì)不同的材料，選用的超高速切削刀具材料不同。對(duì)于易切削鋁合金．可采用的刀具材料為K10、K20、PCD；鑄鋁合金，當(dāng)Si含量小于12％ ，可采用的刀具材料為K10、SiN，當(dāng)Si含量大于12％。可采用的刀具材料為PKD、PCD、CVD金剛石涂層刀具；鑄鐵，可采用的刀具材料為涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、SiN陶瓷、CBN刀

50、具；普通鋼?？刹捎玫牡毒卟牧蠟橥繉佑操|(zhì)合金、金屬陶瓷．非金屬陶瓷、CBN刀具；高硬度鋼，可采用的刀具材料為TiC涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、PCBN刀具；高溫鎳基合金，可采用的刀具材料主要為陶瓷、CBN刀具；復(fù)合材料，可采用的刀具材料有硬質(zhì)合金、PCD、陶瓷。</p><p>　　高速切削下，刀具結(jié)構(gòu)主要考慮：刀具切削角度。為提高切削刃的強(qiáng)度及散熱能力、減少刀具磨損，相對(duì)普通切削刀具，高速切削刀具前角小。后角大

51、；刀刃形狀。為提高刀具耐用度，刀尖處采用圓弧過渡刃。另外研究表明，采用曲面前刀面和空間曲線刃可提高刀具排屑性。超高速加工中，刀具的平衡尤為重要。目前瑞士Fischer公司推出了一種在線自動(dòng)動(dòng)平衡裝置，該裝置可在一秒鐘內(nèi)。消除80—90％ 的由動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)。</p><p>　?。?）CAD／CAM</p><p>　　由于機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的內(nèi)存相對(duì)較少，而加工復(fù)雜曲面時(shí)。NC代

52、碼文件非常大，必須快速的將CAM 系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳人機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。普通的DNC的數(shù)據(jù)傳輸速度為11O一384O0波特率之間，最常用的為9600波特率，難以滿足高速加工的需要。直接CNC網(wǎng)絡(luò)(DCN)的傳輸速度是DNC的一千倍，可很好的解決上述問題。即使加工精密零件時(shí)，NC代碼定義的位移為0．0025mm，也可滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。</p><p>　?。?）超高速切削的數(shù)控編程</p>

53、<p>　　超高速切削的數(shù)控編程要充分考慮到超高速切削的特點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要注意以下方面：</p><p>　　(1)刀具進(jìn)入材料的狀態(tài)，盡量避免加工方向的突然改變，對(duì)拐角采用多把刀具單獨(dú)加工，效果更好。</p><p>　　(2)減少刀具退出和重新進(jìn)人材料的次數(shù)，維持刀具的穩(wěn)定切削狀態(tài)。保持切削厚度的均勻，以減少刀具變形、提高壽命及加工質(zhì)量。</p><p&g

54、t;　　(3)對(duì)工件輪廓的復(fù)雜部分進(jìn)行預(yù)處理，粗加工時(shí)要考慮到形狀的準(zhǔn)確性，不能僅考慮材料去除，因?yàn)檫^大的余量造成切削負(fù)載加大，對(duì)于精加工的小直徑刀具不利。</p><p>　　(4)用圓弧連接相鄰的直線段，可減少加／減速程序的頻繁調(diào)用及轉(zhuǎn)換。</p><p>　　(5)避免高速進(jìn)給加工時(shí)遇到溝槽。這方面經(jīng)驗(yàn)還很多，有待進(jìn)一步整理。</p><p>　　4．超高速切

55、削加工技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　4.1 超高速切削在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　航空航天工業(yè)中許多零件采用薄壁、細(xì)筋結(jié)構(gòu)，由于剛度差，不允許有較大的吃刀深度，因此，高速切削成為此類零件加工工藝的唯一選擇。飛機(jī)上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來由多個(gè)鉚接或焊接而成的部件，改用整體實(shí)心材料制造，此即“整體制造法”。有的整體構(gòu)件的材料去除率高達(dá)9O％，采用高速切削可

56、大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，這也是高速切削技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。例如，波音公司在生產(chǎn)波音F／15戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，采用“整體制造法”，飛機(jī)零件數(shù)量減少了42％ ，用高速銑削代替組裝方法得到大型薄壁構(gòu)件，減少了裝配等工藝過程。</p><p>　　航空和動(dòng)力工業(yè)部門還大量采用鎳基合金(如inconel 718)和鈦合金(如TiAI6V4)制造飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)零件。這些材料強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊，加

57、工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，屬于難加工材料，至今一般仍采用很低的切削速度進(jìn)行加工。如采用超高速切削，剛其切削速度可提高到100～1 000 m／min，為常規(guī)切速的l0倍左右．不但可大幅度提高生產(chǎn)效率，而且可有效地減少刀具磨損，提高加工零件的表面質(zhì)量。</p><p>　　4.2 超高速切削在纖維增強(qiáng)塑料中的應(yīng)用</p><p>　　纖維增強(qiáng)塑料是機(jī)械工業(yè)常用的新型復(fù)合材料，分

58、碳素纖維和玻璃纖維兩大類，切削這種材料時(shí)，對(duì)刀具有十分嚴(yán)重的刻劃作用，刀具很容易磨損。當(dāng)用金剛石刀具對(duì)這種材料進(jìn)行超高速切削時(shí)(切速V=2 OOO～5 000 m／min，進(jìn)給量S=l0～40 m／min)，上述問題都可避免，加工精度和效率將明顯提高。</p><p>　　4.3 超高速切削在模具制造業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　模具型腔加工過去一直為電加工所壟斷，但其加工效率低。而超高

59、速加工切削力小，可淬硬HRC60的模具鋼，加工表面粗糙度值又很小，淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速銑削來代替電加工；對(duì)深腔小曲率的，可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工，電加工只作為精加工。這樣可使生產(chǎn)效率大大提高，周期縮短。</p><p>　　4.4 超高速切削在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　以高速加工技術(shù)為基礎(chǔ)的敏捷柔性自動(dòng)生產(chǎn)線被越來越多的國內(nèi)外汽車制造廠家使用。國內(nèi)如一

60、汽大眾捷達(dá)轎車自動(dòng)生產(chǎn)線，由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)器等高速生產(chǎn)線組成，年產(chǎn)轎車能力15萬輛，制造節(jié)拍1．50分／輛；上海大眾桑塔納轎車自動(dòng)生產(chǎn)線等。國外如美國GM發(fā)動(dòng)機(jī)總成工廠的高速柔性自動(dòng)生產(chǎn)線、福特汽車公司和Ingersoll機(jī)床公司合作研制的以HVM800臥式加工中心為主的汽車生產(chǎn)線等。</p><p>　　5．超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展前景與展望</p><p>　　雖

61、然超高速切削技術(shù)日漸成熟，取得了許多令人矚目的成就，但隨著制造觀念更新和制造技 術(shù)的全面進(jìn)步，超高速切削將在如下幾個(gè)方面取得新的發(fā)展：</p><p>　　(1)在干切削或準(zhǔn)干切削狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)綠色的超高速切削</p><p>　　通常在超高速切削時(shí)必須噴注足夠的切削液，其主要目的在于對(duì)刀具和工件加工表面進(jìn)行冷 卻和對(duì)第二、第三變形區(qū)進(jìn)行潤滑。然而在切削液的整個(gè)生命周期都有一定程度的環(huán)境污染

62、和資源耗費(fèi)。尤其超高速切削的切屑溫度很高，切屑量很大，切削液更易蒸發(fā)和分解造成較 大的污染。采用干切削或最小量霧化潤滑（MQL）的準(zhǔn)干切削方式，會(huì)從根本上改善切削的 環(huán)境狀態(tài)，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的有關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（ISO14000系列）要求，同時(shí)節(jié)省對(duì)切削液的直接 投資和廢液處理及環(huán)保費(fèi)用。刀具技術(shù)是達(dá)到這一目的的關(guān)鍵。德國在這方面的研究處于領(lǐng) 先地位?！　?2) 在重切削工藝中進(jìn)行超高速切削</p><p>　　重切削

63、(Heavy-duty)是指對(duì)大型或重型零件的切削加工，它的特點(diǎn)是切深大、切削負(fù)荷重、 功率高、切削 時(shí)間長、加工效率低。在重切削加工中進(jìn)行超高速切削的技術(shù)難度更大，但對(duì)提高我國大中 型設(shè)備制造的生產(chǎn)效益有十分重要的作用，如新日本工機(jī)SNK的某車床超高速加工大型軋輥 ，比普通加工的效率提高5倍?！　?3) 開發(fā)和完善各種超高速切削工藝方法</p><p>　　目前，超高速切削的研究和應(yīng)用主要針對(duì)銑、鏜工藝。而孔

64、加工（鉆、鉸和攻絲）工藝約占 切削總量的30%以上，切削處于半封閉狀態(tài)的惡劣條件。車削則是一種更為普遍的切削工藝 。研究和開發(fā)這兩類加工中的超高速切削技術(shù)特別是對(duì)黑色合金的高速孔加工技術(shù)，將有利 于機(jī)械加工效益的全面提高?？准庸さ碾y點(diǎn)在于刀具和孔區(qū)材料的加工溫度都很高，孔內(nèi)高 速排屑困難，特別在孔徑方向的速度梯度很大時(shí)，有一些特殊的規(guī)律，因此開發(fā)出耐高溫磨 損、排屑效率高的刀具系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)超高速孔加工的關(guān)鍵。車削是工件旋轉(zhuǎn)，不同工件的尺

65、寸、重量和不平衡質(zhì)量都會(huì)在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，并且這些參數(shù)在切削過程還將發(fā)生變化，這 就要求超高速車床的主軸系統(tǒng)有更高、更可靠的動(dòng)態(tài)特性和自平衡能力。這也是超高速車床 或車削中心至今很少的一個(gè)主要原因。　　(4) 難加工材料的超高速切削</p><p>　　難加工材料的切削加工性極低，如鐵基高溫合金的相對(duì)加工性僅為0.2左右。由于材料的導(dǎo) 熱性差，切削溫度高，刀具磨損快，普通切削時(shí)受刀具材料的限制，只能采用很低的切

66、削速 度。如今，難加工材料使用愈來愈廣泛，特別在國防工業(yè)中難加工材料占有很大的比例。這 類材料的超高速切削依然是一個(gè)久攻難克的問題。通過深入研究難加工材料的切削特征，提 高超硬刀具材料穩(wěn)定性、研制新型刀具材料及新型制作工藝（如基于高溫固體潤滑原理的納 米復(fù)合涂層工藝），開發(fā)出適合于難加工材料超高速切削的刀具系統(tǒng)，將使其速度范圍有較 大的提高。到“十五”末，可使鈦合金的超高速銑削速度達(dá)到200 m/min左右?！　?5) 基于新型檢測技

67、術(shù)的加工狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的極大提高，一方面使工況監(jiān)控比以往更為必要，監(jiān)控內(nèi)容除傳統(tǒng)的加 工質(zhì)量外還增加了加工過程的穩(wěn)定性和安全性。另一方面對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏性、瞬時(shí)響應(yīng)性 和可靠性提出了更高的要求，需要改進(jìn)檢測方法或采用新的檢測原理，例如加工中心通常用 裝在主軸的扭矩軸承監(jiān)測刀具工作是否正常。若超高速機(jī)床繼續(xù)采用這種方法，顯然主軸的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由此而增加，要求扭矩軸承必須經(jīng)過高精度

68、的動(dòng)態(tài)平衡，且其材料也應(yīng)保證在高轉(zhuǎn) 速條件下有足夠的耐磨性。但要實(shí)現(xiàn)這些要求，工藝技術(shù)方面有較大的難度。另一種基于主 軸功率變化的檢測方法因?qū)崟r(shí)性不夠而難以達(dá)到要求。因此必須研究采用質(zhì)量輕、體積小、 靈敏度高的新型傳感器（如Z元件）和開發(fā)具有多項(xiàng)檢測功能的超高速切削監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　超高速切削技術(shù)是當(dāng)今世界制造業(yè)中一項(xiàng)快速發(fā)展的高新技術(shù)，是繼數(shù)控技術(shù)之后給機(jī)械制造業(yè)帶來的又一次革命性變化的高新技術(shù)。

69、該技術(shù)以其切削力小、切削熱少、零件變形小、變質(zhì)層薄及加工質(zhì)量效率高，成為最有前途的制造方法之一。超高速切削技術(shù)的應(yīng)用，將使我國的制造業(yè)具有快速反應(yīng)能力，在13趨激烈的市場競爭中，能以高效率、高質(zhì)量贏得市場，極大地提高產(chǎn)品的競爭力。</p><p><b>　　答謝辭</b></p><p>　　在畢業(yè)論文即將完成之際，我想向曾經(jīng)給我?guī)椭椭С值娜藗儽硎局孕牡母兄x！首先

70、要感謝我的論文指導(dǎo)老師周老師，他在學(xué)習(xí)方面給了我大量的指導(dǎo)，讓我學(xué)到了知識(shí)，掌握了科研的方法，也獲得了實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、對(duì)我的嚴(yán)格要求以及為人處世的坦蕩將使我終身受益。感謝培養(yǎng)我的學(xué)校常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，在論文資料的搜集過程中，學(xué)校給予了我最大的空間，讓我能夠順利的寫完初稿。還要感謝我的同學(xué)，我們?cè)谝黄鸹ハ鄮椭?，互相勉?lì)，有了你們我才會(huì)充實(shí)而又愉快的完成這次的論文。再次謝謝大家！</p><p>

71、;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　(1)于信匯,趙仲義,諸乃雄.超高速切削技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展過程[J].上海機(jī)床,1993,第3期:3</p><p>　　(2)劉 悅,劉英舜.超高速加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].機(jī)床與液壓,2O03,第5期:6～7 </p><p>　　(3)席俊杰,徐穎.高速切削技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].制

72、造業(yè)自動(dòng)化,2005,第12期:26～27,62</p><p>　　(4)蘇發(fā),李文雙,孫洪江,胡金平.超高速切削加工及其關(guān)鍵技術(shù)[J].煤礦機(jī)械, 2004,第7期:81～82</p><p>　　(5)周延佑．電主軸一最新穎的機(jī)床功能部件[J].機(jī)械制造，1998,第7期:4～6</p><p>　　(6)陳華.超高速數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2

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