现代制造技术____高速切削论文

现代制造技术____高速切削论文 西安石油大学2012~2013年第二学期 《现代制造技术》考察 大作业 姓名:王晶 班级:机械1004班 学号:201006080121 高速切削技术的发展现状及其在工业领域的应用 摘要:本文首先介绍了高速切削技术的基本概念、特点和主要设备，然后简述了高速切削技术的发展现状，依次分析说明了高速切削技术在工业各个领域的应用。 关键字:高速切削 设备 发展现状 各领域应用 1.概述 1.1高速切削技术概念 高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。他指出，在常规温度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。高速切削的核心是速度与精度 由于刀具材料、工件材料和加工 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速J0000r/min以上视为高速切削。高速切削技术的发展经历了高速切削理论的探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广应用。特别是20世纪80年代以来，各工业发达国家投入了大量的人力和物力，研究开发了高速切削设备及相关技术，20世纪90年代以来发展更为迅猛。 1.2高速切削的特点 高速切削(Hisn Speed Cutting 简称HSC)主要针对车削与铣削，它与普通切削的首要区别在于主轴的转速。通常情况下，高速切削时主轴的转速要比普通切削时高5到10倍。假如把切削力维持普通切削的水平，则提高主轴转速就能提高材料的切削率达到降低切削时间的目的。高速切削的另一个内涵在于高的进给速度。如果进给速度维持在普通切削水平，则提高主轴转速就可降低切削力，从而可以加工在普通切削时无法加工的薄壁复杂工件。 除了上述两个特点外，高速切削还可简化工艺流程和改善工件质量。在模具制造业中，采用高速切削后可以提高进给速度，降低工时来减少制造费用。如果保持切削时间不变，则可减少进给量，从而降低 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面粗糙度，使原需通过手工 来清除切削后残留的表面沟纹的加工可以全部省去或减少到最低的工作质量。又如孔加工时，通常对每一个孔径需配置相应的刀具，当孔的种类很多时，就需要大的刀库容量，增加了机床和刀具的购置费用。采用高速切削，可以使刀具的种类大大减少，因为对较大的孔可以用小直径的刀具通过数控插补铣削的方式加工，而能保持较高的孔加工率，减少购置费用。 高速切削之所以得到工业界越来越广泛的应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点: (1)提高进给速度从而提高生产率和降低生产周期。据称，由于主轴转速和进给的高速化，加工时间减少了50%，机床结构也大大简化，其零件的数量减 少了25%，而且易于维护。 (2)提高切削速度和进给速度以减少进给量，改善工件的形状精度和表面粗糙度。由于切削力可减少30%以上，工件的加工变形减小，切削热还来不及传给工件，因而工件基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高。特别对大型的框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效率加工，超高速铣削则是目前惟一有效的加工方法。 (3)减少切削时间，降低机床需求和简化工艺流程，从而达到降低生产成本的目的。，有时机加后还需要手工打磨，而使用高速切削常可集中在一道工序中完成。【1,2】 1.3高速切削的主要设备 高速切削机床高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。在现代机床制造中，机床的高速化是一个必然的发展趋势。在要求机床高速的同时，还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。 为了适应粗精加工，轻重切削和快速移动，同时保证高精度(定位精度?0.005mm)，性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。其关键技术有以下几项: (1)高速主轴 高速主轴是高速切削的首要条件，对于不同的工件材料，目前的切削速度可达5至100m/s。 1)滚动轴承高速主轴 高速主轴单元的性能取决于主轴的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮———皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求，取而代之的是一种新颖的功能部件———电主轴，它将主轴电机与机床主轴合二为一，实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成，除此之外，主轴转动时，还必须配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置。 高速主轴的轴承大多用压力角为15?或25?的角接触滚动轴承，其精度等级以精密级和超精密机为主。滚动轴承高速主轴的最高回转精度可达0.5um。 2)液体静压轴承高速主轴【3】 液体静压轴承为减少高速运转发热，轴径不宜过大，因而与滚动轴承主轴相比，其径向刚度较低，但轴向刚度远超于滚动轴承。另外，液体静压轴承的油膜有很大的阻尼，动态刚度很高，特别适合于像铣削的断续切削过程。 液体静压轴承主轴的最大特点是运动精度高，回转误差一般在0.2um以下。因而不但可以提高刀具的使用寿命，还可以达到很高的加工精度和低的表面粗糙度。由于液体静压轴承的液体摩擦损失，故驱动功率损失比滚动轴承大。 3)混合陶瓷轴承 用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r/min，它的标准化程度高，便于维护，价格低。 4)磁悬浮轴高速主轴 磁悬浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，其转速可达45000r/min，功率为20kW，精度高，易实现实时诊断和在线监控，是理想的支承元件，但其价格较高。 (2)高速伺服系统 高速伺服系统为了实现高速切削加工，机床不但要有高速主轴，还要有高速的伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件。 1)直线电机伺服系统。 直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1g的情况下，是伺服系统的唯一选择。 2)滚珠丝杠驱动装置。 滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置，用AC伺服电机直接驱动，并采用液压轴承，进给速度可达40,60m/min，其加速度可超过0.6g，成本较低。 (3)高速切削的刀具系统 1)刀具材料 • 金刚石 • 天然金刚石 • 聚晶金刚石(PCD) • 人工合成单晶金刚石 • 金刚石涂层 • 立方氮化硼(PCBN) • 陶瓷刀具:有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类 • TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷) • 涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。 a)硬涂 ; TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3和TiCN、层:CVD的TiCN+Al2O3+TiN;TiCN+Al2O3 TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等 b)软涂层:硫族化合物(MoS2，WS2)涂层的高速钢刀具 • 超细晶粒硬质合金:细晶粒(0.2-0.5um)的WC基硬质合金， 、NbC等 • 粉末冶金高速钢(PM HSS)和高性能高速钢HSS,E 添加TaC 2)刀柄系统 刀柄是高速切削的关键件之一，它的一端是机床主轴，另一端是刀具。高速切削时既要保证加工精度又要保证高的生产效率，故刀柄要满足一下几点要求，一是高的几何精度和装夹重复精度;二是高的装夹刚度;三是高速运转时安全可靠。 刀柄系统常用系统: BT系统 :刀柄锥度7:24,单面接触 HSK系统:刀柄锥度1:10，双面接触【4】 不同刀柄系统，高速加工时，离心力有很大影响。 3)接装刀具的模块 刀柄与刀具间的接装有多种形式，根据刀具的直径不同，常用的有锥形夹头，收缩夹头，液压膨胀夹头，力膨胀夹头。 2.高速切削技术的发展现状与展望 切削加工是机械加工应用最广泛的加工方法之一，而高速是它的重要发展方向，其中包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。高速切削能够大幅度提高生产效率和单位时间内材料切除率，改善加工表面质量降低加工费用。 (1)高速切削技术在国内的发展现状 高速切削在国内的研究及应用起步较晚，但进入20世纪90年代以来已普遍引起关注。目前全国大约有300多万台机床，大部分还是通用机床，数控机床包括经济型在内大致占10%左右，在航空、航天、汽车、模具、机床和工程机械等行业进口数控机床和加工中心占了较大比例。现在国内10000,15000r/min的立式加工中心和18000r/min的卧式加工中心已开发成功并生产问世，生产的高速数字化仿形铣床最高转速达到了40000r/min， 3500,4000r/min的数控车床和车削中心已成批生产，8000r/min的数控车床也已问世。高速机床的高档数控系统和开放式数控系统正在深入研究中，但目前主要还是依赖进口。目前国内正逐步开始推广应用高速切削技术，主要是应用在航空航天、模具和汽车工业， 加工铝合金和铸铁较多，但采用的刀具以进口为主。 国内刀具材料目前仍以高速钢、硬质合金刀具为主，先进刀具材料(如涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)虽有一定基础，但应用范围不够广泛。总的来说，切削速度普遍偏低，切削水平和加工效率较低。高速切削基础理论研究起步较晚，80年代以来，国内对陶瓷刀具高速硬切削时的切屑形成、切削温度、切削力、刀具磨损与破损、刀具寿命和加工表面质量等规律进行了系统研究，并已在生产中得到较多应用。自90年代以来，对高速切削铝合金、钢、铸铁、高温合金、钛合金等的切削力、切削温度、刀具磨损与破损和刀具寿命进行了一定研究和探讨，但还没有进行全面系统的研究。对切削加工过程的监控技术研究较多，但投入生产使用的较少。 各种加工方法的高速切削速度范围加工方式 :切削速度(m/min) 车削 700,7000 铣削 300,6000 钻削 200,1100 拉削 30,75 铰削 20,500 磨削 5000,10000 (2)高速切削在国外的发展现状 从高速切削的概念提出并于同年申请了专利以来，高速切削技术的发展经历了高速切削的理论探索阶段、高速切削应用探索阶段、高速切削的初步应用阶段、高速切削的较成熟阶段等四个阶段，现已在生产中得到推广应用。特别是20世纪80年代以来各工业发达国家相继投入大量人力、财力，研究开发高速切削技术及相关技术，发展迅速。 国外近几年来高速加工机床发展迅速，美国、法国、德国、日本、瑞士、英 国、加拿大、意大利等国家相继开发了各自的高速切削机床。高速主轴是高速切削技术最重要的关键技术，通常采用主轴、电动机一体化的电主轴部件，实现无中间环节的直接传动，主轴支承一般使用陶瓷轴承、静压轴承、动压轴承、空气轴承以及油0气润滑、喷射润滑等技术，也有使用磁力轴承的。进给系统则开始采用直线电动机或小导程大尺寸高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠，以提供更高的进给速度和更好的加、减速特性，最大加速度可达2,10g。CNC控制系统则使用多片32位或64位CPU，以满足高速切削加工对系统快速数据处理能力的要求，并采用前馈和大量超前程序段处理功能，以保证高速加工时的插补精度。采用强力高压、高效的冷却系统以解决极热切屑问题。采用温控循环水(或其它介质)来冷却主轴电动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。采取更完备的安全保障措施保证机床操作者及机床周围现场人员的安全，避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤;识别和避免可能引起重大事故的工况;保证产品产量与质量。 研究工件的材料特性对加工方法的影响，一些难加工材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等，在高速条件下变得易于切削。另外，不同材料最佳切削速度也不同，工件材料还是选择刀具及加工参数的重要依据，一般在高速加工中，宜采用高转速、中小切深、快进给、多行程，但是在高速加工的工艺参数选择方面，目前国际上没有面向生产实用的数据库可以参考。 高速切削机理的研究主要包括高速切削过程中的切屑成形机理、切削力、切削热变化规律及刀具磨损机理对加工效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律。目前对铝合金的高速切削机理研究，已取得了较为成熟的结论，并已用于指导铝合金的高速切削生产实践。但对黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理研究尚在探索阶段，其高速切削工艺规范还很不完善，是目前高速切削生产中的难点，也是切削加工领域研究的焦点。另外，高速切削已进入铰孔、攻丝等的应用中，其机理也都在不断研究之中。就目前而言，对高速切削时的切削力、切削温度、刀具磨损与刀具寿命、加工表面质量与加工精度的变化规律还需要做更加深入的研究和探讨。 (3)高速切削技术的发展趋势 机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。主要可以归纳为以下几点::(1)新一代高速大功率机床的开发与研制;(2)高速切削动态特性及稳定性的研究;(3)高速切削机理的深入研究;(4)新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究;(5)进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围;(6)开发适用于高速切削加工状 态的监控技术;(7)建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术;(8)基于高速切削工艺，开发推广干式(准干式)切削绿色制造技术;(9)基于高速切削，开发推广高能加工技术。 3.高速切削技术在工业领域的应用 高速切削加工是面向21世问纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 (1)在航空、汽车工业中的应用 高速切削最早是在飞机制造业和汽车制造业得到了成功的应用。首先在加工以铝合金为主的轻合金过程中，飞机上的零件通常采取在整块板料或毛坯上直接铣削出大型构件，不仅材料的去除量较大，而且有时需要加工出壁厚小于1mm的薄壁。高速切削由于切削力小，加工效率高，非常适合这类零件的加工，采用高速切削加工飞机或汽车上的铝合金零件比传统的 加工工艺效率提高3倍以上。其次，在航空工业中，经常也会用到一些耐高温的材料制造发动机零件， 如镍基合金和钛合金，这类材料强度大、硬度高、切削温度高，刀具磨损快，通常属于难加工材料。用传统的方法不仅加工效率低，而且也容易造成工件表面烧伤。如果采用高速切削工艺加工这类材料，不仅加工效率比传统的方法提高lO倍以上，还可以延长刀具使用寿命，改善零件的加工质量。另外，航空发动机叶片的加工，采用高速切削加工工艺，不仅使叶片的制造费用降低一半，而且减少了零 件的热负荷，降低了内应力，提高了发动机叶片的使用寿命。 (2)在模具制造领域的应用 大量的模具有复杂的三维几何形状，传统的加工方法要把时间和费用花费在将结构数据转化成模型、模型样品和生产用模型中，而且后道工序基本上要靠手工进行铲刮和抛光。高速切削在模具型腔制造领域的应用不仅针对于一些软材料，还可以用于一些硬材料的表面加工，代替通常的电火花加工。 (3)在特殊材料加工领域的应用 随着石墨电极在工业生产中越来越广泛的应用。与金属材料不同，石墨在加工时不会产生从工件剥离出的连续切屑。但是，它却容易产生挤压和剥落，在工件表面留下加工缺陷。能否加工出表面光洁的石墨电极是石墨加工的技术关键。石墨的超高速切削，虽然比硬模具铣削的切削力要小，但机床仍需要较高的刚性和转速，并且要考虑专门的除尘装置。【5】 参考文献: 【1】张永强. 高速切削及其关键技术的发展现状[J] . 航空精密制造技术, 2001, 37(2): 10—14. 【2】 李彦光. 高速切削关键技术发展现状综述[J] . 机械工程师,2011,(4) 【3】刘占海，彭勇.现代制造技术2002.08.20 【4】 林明山(高速切削加工与刀具技术[J](机电技术，2007，(4):33-36. 【5】杨得一 高速切削加工技术及其应用[J] . 现代制造技术，2007，(8):53—55