2.1 超高速加工技术概述（课件）《现代制造技术基础》同步精品课堂（苏教版·凤凰职教）

江苏凤凰教育出版社 同步精品课程（中职专业课） 《现代制造技术基础》 模块2 超高速加工技术 单元1 超高速加工技术概述 知识目标 了解超高速加工技术的发展与现状，超高速切削刀具常用材料的应用范围；熟悉超高速切削设备；掌握超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构。 能力目标 能够区分超高速切削刀具的材料、结构等不同，并根据实际需求选择合适的刀具，运用所学超高速加工技术的特点及其关键技术分析解决实际问题。 情感目标 通过本节知识体会科学探索的重要性，培养学生不断创新的学习精神和勇攀高峰的科学精神。 0000 模块1 现代制造技术概论 学习目标 导入：高速加工 01 1.根据视频内容，分组讨论如此坚硬的金属加工是如何实现的？ 2.在2分钟的时间内各组结合视频，分别写下关于超高速加工的2~5个词语。 导入 01 新知学习 02 CONTENTS 目录 01 超高速加工技术的概念 02 超高速加工技术的发展与现状 03 超高速加工技术的特点及其关键技术 04 超高速加工切削设备 05 超高速切削刀具 超高速加工技术的概念 01 一、超高速加工技术的概念 超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具，磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。 新知学习 02 其显著标志是使被加工塑性金属材料在被切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，使得切除被加工材料所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具和磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。 二、显著标志 三、超高速加工的切削速度范围 新知学习 02 表1 不同加工工艺的切削速度范围 加工工艺 切削速度范围|/(m·min⁻¹) 车削 700~7000 铣削 300~600 钻削 200~1100 拉削 30~75 铰削 20~500 锯削 50~500 磨削 5000~10000 表2 各种材料的切削速度范围 加工材料 切削速度范围/(m·min⁻¹) 铝合金 2000~7500 钢合金 900~5000 铸铁 800~3000 钢 600~3000 耐热合金 >500 钛合金 150~1000 纤维增强塑料 2000~9000 新知学习 02 【知识拓展】超高速加工技术的历史背景 20世纪80年代，计算机控制的自动化生产技术的高速发展成为国际生产工程的突出特点，工业发达国家机床的数控化率已高达70%~80%。随着数控机床加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用，使机床空行程动作的速度和零件生产过程的连续性大大加快，机械加工的辅助工时大为缩短。在这种情况下，再一味地减少辅助工时，不但技术上有难度、经济上不合算，而且对提高生产率的作用也不大。这时辅助工时在总的零件单件工时中所占的比例已经较小，切削工时占去了总工时的主要部分，成为主要矛盾。只有大幅度地减少切削工时，即提高切削速度和进给速度等，才有可能在提高生产率方面出现一次新的飞跃和突破。这就是超高速加工技术得以迅速发展的历史背景。 新知学习 02 四、超高速加工技术的分类 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。 磨削速度在150m/s以上，即磨削速度是常规速度5倍以上的高速磨削。 超高速切削 超高速磨削 切削速度超过传统切削速度5~10倍的切削加工。 德国著名磨削专家将其誉为“现代磨削技术的最高峰”。 1931年4月，德国切削物理学家萨洛蒙根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线”，提出了超高速切削的理论。超高速切削的概念可用图2-1-1示意。 新知学习 02 【知识拓展】萨洛蒙曲线 如图2-1-2所示，是对应于一些金属材料的萨洛蒙曲线，它们各自有一个切削温度的转折点。萨洛蒙博士据此提出可以在切削温度下降区进行高速切削加工，该项研究于1931年在德国申请专利。 新知学习 02 【知识拓展】萨洛蒙曲线 超高速加工技术的发展与现状 02 （一）国内发展 20世纪80年代末和90年代初 ，中国开始关注超高速切削技术并进行了相关研究。 2003年，中国科学院金属研究所首次开展了“中国超高速切削技术研讨会”，这是国内超高速切削技术研究的重要里程碑。 新知学习 02 （二）国外发展 20世纪60年代，瑞典的一家刀具制造公司山特维克首次提出了超高速切削的概念 ，并开发了相应的切削工具。 此后，日本成为超高速切削技术研究的重要推动者。 一、超高速切削技术的发展与现状 （一）国内发展 新知学习 02 二、超高速磨削技术的发展与现状 20世纪80年代初 20世纪90年代 2000年代初 21世纪后 引进和消化 自主研发 逐渐扩大应用 得到长足的发展 新知学习 02 （二）国外发展 二、超高速磨削技术的发展与现状 2 1 3 20世纪80年代初期 20世纪60年代末至70年代初 20世纪90年代以后护 日本开始研究并开发超高速磨削技术 美国和欧洲的一些国家也开始研究超高速磨削技术 在国外得到了广泛的应用和发展 超高速加工技术的特点及其关键技术 03 一、超高速切削加工技术的特点 新知学习 02 超高速切削加工优势 超高速切削加工与常规切削加工相比，在提高生产率、降低生产成本、减少热变形和切削力 ，以及实现高精度、高质量零件加工等方面具有明显优势。 一、超高速切削加工技术的特点 新知学习 02 1.切削力小 4.工艺系统振动小 2.切削效率高 3.加工工件的热变形小 和常规切削加工相比，超高速切削加工切削力至少可降低30%，可减少刚性较差零件的加工变形，提高零件加工精度。 单位时间材料切除率可提高3~6倍，切除率显著增大，生产效率大幅度提高。 在超高速切削加工中，由于机床主轴转速很高，激振频率远离机床固有振动频率，因此可使工艺系统振动减小、加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。 超高速加工温升不超过3℃，且90%以上的切削热被切屑带走，零件不会由于温升导致弯翘或膨胀变形，故超高速加工工件的热变形小。 特点 一、超高速切削加工技术的特点 新知学习 02 7.加工成本低 6.减少工序 5.加工精度高，表面粗糙度低 由于超高速切削加工的切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性。 另外，由于切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影响小，从而使工件表面的残余应力小，达到较好的表面质量。 超高速切削加工工件可在一道工序中完成，被称为“一次过”技术。加工获得的工件，表面质量几乎可与磨削相比，因而可以直接作为最后一道精加工工序，实现高精度、低粗糙度加工。 采用超高速切削加工将减少加工成本，如缩短加工时间、降低加工能耗、提高刀具耐用度和机床利用率、节省换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。 二、超高速磨削加工技术的特点 新知学习 02 特点 B E C D A 大幅度提高磨削效率 磨削力小，零件加工精度高 获得低粗糙度表面 改善加工表面完整性 大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工自动化 三、超高速加工的关键技术：1.超高速切削刀具技术 新知学习 02 超高速切削刀具技术是实现超高速加工的关键技术之一。由于超高速切削加工时受离心力和振动的影响，刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的。刀具系统必须有良好的平衡状态和安全性。 超高速切削刀具要求 对超高速切削使用的刀具材料有特殊的要求，在刀具的耐磨性、强硬度、高韧性、化学稳定性、耐高热性等性能方面具有其超出一般切削刀具的特有属性。 刀具材料技术发展重点 在具有比较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上，再加上高热硬性和耐磨性镀层的刀具是刀具技术发展的重点。 三、超高速加工的关键技术：2.超高速切削工艺 新知学习 02 超高速切削作为一种新的切削方式，目前，尚没有完整的加工参数表可供选择，也没有较多的加工实例可供参考，还没有建立起实用化的超高速切削数据库，在超高速加工的工艺参数优化方面，也还需要做大量的工作。 超高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。 零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。 三、超高速加工的关键技术：3.超高速切削机理 新知学习 02 目前对于铝合金的超高速切削机理研究，已取得了较为成熟的结论，并已用于指导铝合金超高速切削生产实践。 而关于黑色金属及难加工材料的超高速切削加工机理研究尚在探索阶段，是目前超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，超高速切削已进入铰孔、攻丝、滚齿等应用中，其机理也都在不断研究之中。 超高速加工切削设备 04 新知学习 02 超高速切削机床是实现高速、超高速切削必不可少的设备。 包括超高速切削的主轴系统、高速进给系统、高性能的CNC 控制系统等。 包括机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。 超高速机床技术 高速单元技术 高速单元技术 新知学习 02 一、主轴系统 超高速主轴单元是超高速加工机床最关键的基础部件。高速主轴单元的设计是实现超高速加工最关键的技术领域之一。 主轴 机架 轴承 M1 M2 M4 M3 主轴动力源 超高速主轴单元 新知学习 02 一、主轴系统 超高速主轴性能要求如下： 高转速范围 足够的刚性 良好的热稳定性 大功率 可靠的刀具装夹性能 先进的润滑和冷却系统 可靠的主轴监测系统 新知学习 02 二、超高速进给系统 超高速切削的高速进给系统是超高速加工机床的重要组成部分，是评价超高速切削机床性能的重要指标之一，不仅对提高生产率有重要意义，而且也是维持超高速切削中刀具正常工作的必要条件。 目前超高速切削进给速度已高达50~120m/ min，要实现并准确控制这样高的进给速度，对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。由于机床上直线运动行程一般较短，超高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。 新知学习 02 二、超高速进给系统 为了适应进给运动高速化的要求，在超高速加工机床的进给系统上主要采用如下措施： (1)采用新型直线滚动导轨。 (2)超高速进给机构采用大螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度。 新知学习 02 二、超高速进给系统 (3)超高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化。超高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电动机和控制技术。 (4)为了尽量减少工作台重量但又不降低刚度，超高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料。 (5)为提高进给速度，直线电动机传动已经在超高速机床进给系统中得到应用。 新知学习 02 三、高性能的CNC 控制系统 01 超高速加工CNC控制系统要求 用于超高速加工的CNC控制系统必须具有很高的运算速度、运算精度及快速响应的伺服控制，以满足高速及复杂型腔的加工要求。 02 超高速CNC数控系统数据处理能力的重要指标 一是单个程序段处理时间。二是插补精度。 03 加减预插补、前馈控制、精确矢量补偿、最佳拐角减速控制等功能。 超高速切削加工CNC 系统的功能特征 新知学习 02 四、先进的机床结构 (1) (2) (3) 机床的基本结构有床身、底座和立柱等 机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。 机床在总体结构上将进给机构全部或大部分移出工作台，以最大限度减小运动惯量。 先进的机床结构 新知学习 02 五、超高速切削机床安全防护与实时监控 超高速切削安全保障 机床操作者及现场人员的安全保障，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。 在机床结构方面，机床设有安全保护墙和门窗。 刀片，特别是由抗变强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上须防止由于离心力作用产生飞离外 ，还要进行极限转速的测定。 刀具夹紧、工件夹紧，须绝对安全可靠。 机床及切削过程的监测 切削力监测、机床主轴功率监测、主轴转速监测、刀具破损监测、主轴轴承状况监测、电器控制系统过程稳定性监测等，以确保操作人员和设备的安全可靠。 超高速切削刀具 05 新知学习 02 超高速铣削刀具必须具备可靠的安全性和高耐用度。 超高速切削刀具的安全性须考虑： 刀具强度 刀具夹持 刀片压紧 刀具 动平衡 新知学习 02 一、刀具材料 金刚石 硬质合金 立方氮化硼 金属陶瓷 陶瓷 涂层 刀具材料 新知学习 02 二、刀具几何角度 为了使刀具具有足够的使用寿命和低的切削力 ，刀具的几何角度必须选择合理数值。 表3几种材料超高速切削时刀具的前角、后角推荐值 工件材料 前角 后角 铝合金 12°- 15° 13°- 15° 钢材 0°- 5° 12°- 16° 铸铁 0° 12° 铜合金 0° 16° 纤维强化复合材料 20° 15°- 20° 新知学习 02 三、刀具结构 超高速切削刀具结构要求 由于超高速铣刀是在1000~10000 m/min的切削速度下工作 ，在这样高的回转速度下工作的机夹可转位铣刀刀体和可转位刀片均受很大的离心力作用，故要求设计十分可靠的刀片夹紧结构和刀体结构。 超高速铣刀设计要点 从安全性考虑，刀体的设计应减轻质量、减小直径、增加高度，选用比重轻、强度高的材料。 铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽，减少尖角 ，防止应力集中。 刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线。 超高速铣削刀具分类 超高速铣削刀具分为整体式和机夹式两类。 目前在超高速铣削加工中 ，应用最多的是整体式硬质合金刀具，其次是机夹式硬质合金刀具。 新知学习 02 三、刀具结构 小直径铣刀一般采用整体式。 大直径铣刀采用机夹式。 超高速机床对刀具直径有一定限制，整体式超高速铣刀在出厂时经过动平衡检验，使用时比较方便，而机夹式铣刀需要在每次装夹刀片后进行动平衡。机床在转速比较低、能提供较大扭矩时 ，可采用机夹式铣刀。 新知学习 02 四、刀柄结构 超高速切削的刀柄装夹要求 在超高速切削条件下，刀具与机床的连接界面结构装夹要牢靠，工具系统应有足够的整体刚性，同时，装夹结构设计必须有利于迅速换刀，并有最广泛的互换性和较高的重复精度。 一般切削最常用的是BT 刀柄，高速加工机床通常需要采用 HSK 刀柄。 刀柄夹紧主要采用热膨胀式装夹方式。 新知学习 02 五、刀具动平衡 刀具系统不平衡会缩短刀具寿命、增加停机时间、增大加工表面粗糙度、降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命。 轴承受到方向不断变化的径向力作用而加速磨损并引起机床振动，甚至可能造成事故。 选用刀具时首先应选用经过动平衡的高质量刀柄与刀具，应尽量选用短而轻的刀具，并定期检查刀具与刀柄的疲劳裂纹和变形征兆。 新知学习 02 五、刀具动平衡 1 2 3 4 引起超高速切削刀具系统不平衡的主要因素有： 刀具的平衡极限和残余不平衡度 刀具结构不平衡 刀柄不对称 刀具及夹头的安装不对称 新知学习 02 五、刀具动平衡 刀具动平衡的分类 须专用机外动平衡机，由动力装置提供旋转运动，测量出动不平衡的质量和相位，再通过调整平衡环或在特定位置去掉部分材料，使刀具系统达到要求。 机外动平衡 机上动平衡 用机床主轴提供旋转运动，其余与机外动平衡相同。 课堂小结 03 通过本节课超高速加工技术基础知识的学习，同学们应了解超高速加工技术的发展与现状，超高速切削刀具常用材料的应用范围；熟悉超高速切削设备；重点掌握超高速加工技术的特点及其关键技术，超高速切削刀具的常用材料、刀具几何角度、刀具结构、刀柄结构；并能够区分超高速切削刀具的材料、结构等不同，根据实际需求选择合适的刀具，运用所学超高速加工技术的特点及其关键技术分析解决实际问题。 小试牛刀 (1)根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，超高速切削通常指切削速度超过传统切削速度的( )倍数。 A. 1~2 B. 3~4 C. 5~10 D. 10~15 (2)超高速加工的切削进给速度是( )。 A. 10~20m/min B. 20~40 m/ min C. 40~50 m/ min D.50~60m/ min (3)超高速磨削是指磨削速度超过( )。 A. 80m/s B. 100m/s C. 120m/s D. 150m/s 1.知识抢答闯关 小试牛刀 (4)采用超高速加工使切削力降低( )。 A. 5%~10% B. 15%~20% C. 25%~30% D. 35%~40% (5)机床及切削过程的监测包括( )。 A.切削力监测 B.主轴功率监测 C.主轴转速监测 D.刀具破损监测 (6)超高速加工机床刀杆夹紧刀具采用热膨胀式装夹方式的原因是( )。 A.结构简单 B.夹紧可靠 C.同心度高 D.传递轴向力大 1.知识抢答闯关 小试牛刀 (7)刀具过大的动不平衡将影响( )。 A.刀具寿命 B.机床精度 C.加工表面质量 D.机床刀杆夹紧刀具方式 (8)刀具动平衡有( )。 A.机外动平衡 B.机内动平衡 C.机上动平衡 D.机下动平衡 1.知识抢答闯关 小试牛刀 判断题： (9)高速 CNC 数控系统的数据处理能力有两个重要指标：单个程序段处理时间和插补精度。 (10)在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜的目的是获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。 1.知识抢答闯关 2.点评计分 小组 名次 小试牛刀 作业布置 04 以小组为单位，网上搜集资料，了解超高速加工技术的工业应用并选择一种进行介绍。 感谢观看 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $