2.2 超高速加工的工业应用（教案）《现代制造技术基础》同步精品课堂（苏教版·凤凰职教）

《现代制造技术基础》教案 课 题 模块2 超高速加工技术 单元2 超高速加工的工业应用 课 型 课 时 2 授课班级 授课时间 90 授课教师 教材分析 所选教材《现代制造技术基础》是职业学校机械专业新方案新课标创新实验教材，是江苏凤凰职业教育图书有限公司在江苏省教育科学研究院指导下，依据江苏省职业学校“学标、贯标、用标”的需要开发的。教材内容结合职业院校机械类学生应掌握的现代制造技术基本知识，紧扣新时代脉搏，充分挖掘思政元素，将立德树人根本任务贯穿于教材通篇，并与江苏省中职加工制造类专业技能教学标准及学业水平考试技能考纲相关联，突出知识传授与技能培养，将现代先进制造技术的基本知识与职业素养有机融入设置教学模块和单元，具体包含现代制造技术的发展、超高速加工技术、多轴加工技术、特种加工技术、增材制造技术、智能制造系统、其他先进制造技术、现代制造装备安全生产与电气基础认知8个模块。教学模块与教学单元根据学生认知规律和职业成长规律、现代制造技术的发展与分类进行设置，从而使教学内容合理序化，非常适合职业学校机械类专业使用。 学情分析 本课程主要面向中等职业教育，以培养技术技能人才为主要目标。而中等职业学校的学生普遍具有学习基础较为薄弱、缺乏学习自信心以及自控能力、自学能力较差，但动手能力较强等特点，一定程度上增加了课程教学的难度，应根据学情，以学生感兴趣的内容为切入点，选择合适的教学方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性。 学习目标 知识目标：了解超高速加工技术在航空工业、模具制造、汽车、摩托车以及特殊材料加工中的应用。 能力目标：能够精准区分超高速切削在不同行业的应用特点，能对比超高速切削与传统数控加工、电火花加工的工艺差异。 情感目标：通过本节知识学习，激发对先进制造技术的探索兴趣，培养学生敢于尝试、不断创新的科学精神。 学习重难点 重点：超高速加工技术在工业中应用的应用。 难点：区分超高速切削在不同行业的应用特点。 教学方法 讲授法、启发式教学法、合作探究教学法、案例分析法等。 课前准备 教师准备：了解学情、创设情境，明确学习任务。 学生准备：确定分组、思考讨论，完成课前预习任务。 教学媒体 纸质版教学媒体：教材、配套习题 数字化教学媒体：多媒体，中国大学MOOC（慕课）等教学网站 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 创设情境 生成问题 观看视频： 大国工匠：薄壁精雕 重器问天 1.根据视频内容，分组讨论薄壁精雕是如何实现的？ 2.小组讨论超高速加工技术在工业中的应用，并由小组代表进行发言。 观看视频，结合视频内容设置讨论任务 1.学生分组讨论，完成任务 2.小组代表发言（抢答形式，小组积分） 1.组织学生分组讨论学习，培养学生团队合作意识和沟通交流习惯。 2.积分制激发学生对本章内容学习的兴趣，调动学生的积极性。 活动二： 调动思维 探究新知 一、在航空工业中的应用 超高速切削的在航空工业中的应用首先是对轻合金的加工，飞机制造业是最早采用超高速铣削的行业。飞机制造通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，采用毛坯超高速切削加工，可不采用铆接工艺，从而降低飞机的重量。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大，这正是超高速切削的用武之地。国外许多飞机及发动机制造厂已采用超高速切削加工来制造飞机大梁、肋板、舵机壳体、雷达组件、热敏感组件、钛和钛合金零件、铝或镁合金压铸件等航空零部件产品。采用超高速加工可使效率提高7~10倍，其尺寸精度和表面质量都达到无须再光整加工的水平。 20世纪90年代中后期，飞机制造商添置了许多先进的多坐标高速数控铣库和加工中心用于铝、钛、钢等材料的各种整体结构件加工。波音 Bertsche Engineering 公司的高速加工中心，用于航空航天铝合金、复合材料零件的加工取得了很多成果，也创造了巨大的效益。F-15战斗机上一个长11m的结构薄壁零件，使用超高速加工“整体制造法”用整体加工零件代替500个零部件装配在一起，采用小的切削深度加工可使切削力比较小，工件在加工中不会变形，同时也提高了切削效率。英国 EHV 公司采用主轴转速为40000r/min的高速加工机床加工航空专用铝合金整体叶轮，单个叶片的加工精度可达5μm，整个叶轮精度为20μm。美国普惠公司与以色列叶片技术公司合作开发钛合金涡轮叶片的高速切削，选用主轴转速为20 000 r/min 的铣床加工叶片锻件，可在7 min 内完成粗加工，再经7 min精加工成叶片。用超高速铣削加工中心加工机载雷达组件，可使加工效率提高7~10倍。瑞士米克朗公司(Mikron)的 HSM系列超高速铣削柔性单元可加工薄壁至0.04mm的薄壁件，加工微孔最小直径可达0.08mm。HSM400U五轴联动超高速床则可大大提高叶轮加工效率，以120mm的小型铝制叶轮为例，用一台普通加工中心需要35 min，而使用米克朗 HSM400U 则只需10min。 国外超高速加工技术和超高速机床已打入中国市场，进入21世纪，中国的航空工业几大主机厂，如沈飞公司、成飞公司、西飞公司也相继引进了大型超高速数控加工设备，并且开始在机床应用、刀具选择、高速加工工艺软件编程等方面进行应用研究，取得了可喜的进步、宝贵的经验和巨大的效益。 采用超高速加工进行铝薄壁结构件整体制造和蜂窝复杂外形的加工取得了比较成功经验。以某飞机上的主体框类零件为例，该零件由1900mm×1700mm×200mm口铝板材加工而成，零件壁厚为2~3mm，是现代飞机广泛采用的整体结构。其结构复杂，尺寸要求高，零件加工过程中变形要求小，材料切除率达到96%以上。 国内飞机制造公司在卧式高速翻板式铣削加工设备上加工，通过几年的探索，不断优化整体加工技术，多轴高速加工取得了成功，加工效率明显提高，产品质量稳定可靠。 传统数控加工用时25天，而高速加工用时1天。简化了制造工艺，减少了加工时间，产品表面质量和加工精度都有大幅度提高，并取得了成套的整体薄壁铝件的高速加工工艺参数，已广泛应用于其他结构薄壁件的加工。 二、在模具制造领域中的应用 目前工业产品零件粗加工的70%、精加工的50%及塑料零件的90%都是用模具来完成的。没有高质量模具就没有高质量的产品，模具工业是衡量一个国家科技水平的重要指标之一。在当今的模具及成型制造中，不仅追求制造的精密性，而且出于视觉、美学及流派等方面的考虑，形面设计日趋复杂，自由形面所占比例不断增加，这对加工过程提出了更高的要求。随着超高速加工技术研究的不断深入，特别是高速旋转主轴性能的提高及耐磨刀具的发展，超高速加工在模具及成型制造中技术的应用越来越广泛，应用范围主要有以下几个方面。 (1)工具钢及铸铁模具的直接加工，特别是半精加工及精加工。 (2)铜电极、石墨电极的超高速加工。 (3)产品样件及铝制工件的超高速加工。超高速加工技术 在模具制造领域，超高速切削为模具制造行业提供了新契机。它简化了加工手段，缩短了加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本。采用超高速切削可以直接由淬硬材料加工模具，这不单单省去了过去机加工到电加工的几道工序，节约工时，还由于目前超高速切削已经可以达到很高的表面质量(Ra≤0.4μm)，因此省去了电加工后表面研磨和抛光的工序。另外，切削形成的已加工表面的压应力状态还会提高模具工件表面的耐磨程度(据统计模具寿命因此能提高3~5倍)。这样，锻模和铸模仅经超高速铣削就能完成加工。 现在国内外有许多模具制造厂家采用PCBN刀具超高速切削进行精加工，使工时减少一半多，且模具曲面形状精度提高、表面粗糙度减小。如瑞士米克朗(Mikron)公司研制的HSM系列超高速加工中心和新型XSM400超高速加工中心的主轴转速可达60000r/min，快速进给速度分别达到40m/ min和80m/ min，加速度分别达到1.7 g和2.5g，可加工铝合金、铜合金、塑料和硬度HRC62的淬硬钢，用这种机床可加工高精度冲压模具和塑料模具等。德国 Droop公司生产的FOG250铣床，主轴转速为10000~40000r/ min，可用于汽车车身冲压工具和塑料模具加工，零件的加工精度可达50μm，可取代电火花加工机床。欧洲和日本的汽车行业已使用超高速加工中心实现精加工，用以代替人工操作的汽车模具光整、压铸件人工精制及CNC 研磨加工。 上海橡胶模具厂为奥地利客户加工的铝质橡胶扶手带模具，模具型腔长达1500mm，尺寸精度要求达到±0.05 mm，表面粗糙度 Ra0.8μm，原制造工艺为：粗刨—半精刨—精刨一手工铲刮—手工抛光，制造周期为60 h，但型腔的加工精度仍无法控制。后该厂在两台引进的五轴五联动DIGIT-218高速铣床上加工，半精加工采用的主轴转速为18000r/min，吃深 2mm，进给速度5m/min；精加工时的主轴转速采用20000r/ min，吃深0.2mm，进给速度8m/ min，加工周期 6h，加工出的模具质量能满足客户的要求。 【知识拓展】 模具制造主流工艺的发展与变化 为了提高模具的加工性能和使用寿命，不论是冲压模具还是塑料模具，构成模具型腔的有关零件一般都用高强度的耐磨材料制造(如各种牌号的合金结构钢、合金工具钢和不锈钢等)。这些材料经过热处理后硬度很高，很难用常规的机械加工方法进行加工。几十年来，对付这类难加工材料的最好办法就是采用特种加工。在我国模具型腔加工方面，至今仍然是电火花加工(EDM)一统天下。电火花加工(包括成形加工和线切割)在难加工材料的加工方面一直起着重要的作用。 随着生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具生产效率和制造质量提出了越来越高的要求，于是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。电火花加工是一种靠放电烧蚀的“微切削”工艺，加工过程非常之缓慢；而且在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，工件材料表面的物理一机械性能会受到一定程度的损伤，常常会在型腔表面产生微细裂纹，导致表面粗糙度也达不到模具的要求，经过电加工后的零件一般还要进行费时的手工研磨和抛光，因此这种加工工艺的生产效率很低。在许多场合，模具已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。 超高速加工技术的出现为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。20世纪90年代以来，国外模具工业开始逐渐采用超高速切削(HSC)方法进行型腔的加工，并且取得了很好的效果。和EDM相比，超高速加工具有生产效率高、产品质量好、能加工形状复杂的硬质零件和薄壁零件等主要优点。 据统计分析，目前在工业发达国家已有85%以上的模具电加工工序被超高速加工所替代，超高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。原来一些从事电加工设备制造的著名公司(如瑞士 Agie公司)，已敏感地看到这一技术发展趋势，为了不被模具设备市场淘汰出局，已采取了与超高速机床制造厂家(如瑞士Mikron)联手合并的措施。 1.了解学习目标和任务 2.教师提出问题，在老师的引导下，打开思路进行思考讨论 3.学生代表或个人表达观点（小组或个人积分） 1、组织学生回答问题，提高学生课堂参与度，使同学们通过思考加深印象。 2.讲解教学目标，让学生明确本节课的学习任务，让学习更有针对性和目标。 3.小组或个人积分形式，更能激发学生作为学习主体，参与学习的动机和团队合作意识的树立。 活动三： 调动思维 探究新知 三、在汽车、摩托车工业中的应用 除航空模具工业外，现在也开发了针对汽车、摩托车工业等大批生产领域中铸铁和钢的超高速切削加工设备。超高速加工在汽车生产领域的应用主要体现在模具和零件加工两个方面。应用超高速切削加工技术可加工零件的范围相当广，其典型零件包括：伺服阀、各种泵和电机的壳体、电机转子、汽缸体和模具等。汽车零件铸模及内饰件注塑模的制造正逐渐采用超高速加工。 近10年来新建的汽车、摩托车生产线，多半采用由多台加工中心和数控机床组成的柔性生产线，它能适应产品不断更新的要求，但由于是单轴顺序加工，生产效率没有原来的多轴、多面、并行加工的组合机床自动线高。这又产生了“高柔性”和“高效率”之间的矛盾。超高速加工为这个矛盾的解决指出了一条根本的出路，即采用超高速加工中心和其他超高速数控机床组成超高速柔性生产线。这种生产线集“高柔性”与“高效率”于一身，既能满足产品不断更新换代的要求，又有接近于组合机床刚性自动线的生产效率。这就打破了汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了多品种、中小批量的高效生产。 例如，福特汽车公司和英格索兰机床公司合作，寻求能兼顾柔性和效率的汽车生产线方案。经过分析，如能采用高速加工，将单轴加工中心的生产率提高5倍，则虽然是顺序加工，生产率仍可以达到5根主轴同时加工的组合机床。经过多年努力，两公司研制的HVM800卧式加工中心，同时采用超高速电主轴和直线电机，主轴最高转速为20000r/min，工作台最大进给达76.2m/min。用这种超高速加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入要少40%。换产的准备时间也少得多，主要工作是编制软件，而不是大量制造夹具，现已成为一条名副其实的敏捷制造生产线。我国汽车工业近年来也开始用超高速加工中心组成柔性生产线取代组合机床刚性自动线。 四、在特殊材料加工中的应用 高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料和耐磨铸铁等难加工材料，采用常规切削时，不仅切削效率低，而且刀具寿命短。而采用超高速切削时，切削力小、切屑变形阻力小、刀具磨损小，故可加工这些难加工材料。 镍基高温合金(Inconel 718)和钛合金(Ti-6Al-4V)常用来制造发动机零件，因为它们很难加工，在常规切削中一般采用很低的切削速度。如果采用超高速切削，其切削速度可提高到100~1000m/min，不但能大幅度提高机床生产率，而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。 纤维增强复合材料切削时对刀具有十分严重的刻画作用，刀具磨损非常快。用聚晶金刚石刀具进行超高速加工时，可得到满意效果，不仅可防止出现“层间剥离”，而且效率高、质量好。 【知识拓展】 河南洛阳：以工匠精神创造未来 作为中信重工关键设备、大型数控龙门镗铣床的机长、班长，谭志强常常要在3层楼高的机床上检查加工情况、更换刀片，将零件精雕细琢出二分之一根，甚至四分之一根头发丝的精度，被称为“大块头上秀细活儿”。 2011年，中信重工承担国家“大飞机项目”生产，长8米、重200多吨、深达600毫米特大矩形件的四角倒圆弧，成了整个加工的难点。当工友都因震刀严重而束手无策时，谭志强却耗在现场，苦思冥想，尝试采用“迂回法”解决难题，即先在加工部位切个小斜槽，然后用大小刀盘交替半精加工。为确保不颤刀，他还专门自制长刀柄一点点细“磨”。最终，这个庞大活件加工尺寸公差控制在0.1mm以内，完全达到验收标准。 (来源：经济日报) 1.教师布置任务并引导学生分组探究。 2.结合课本知识思考并回答问题。（根据情况选择小组模式或个人模式，并进行小组或个人积分） 1.组织学生以个人或小组形式回答问题，提高学生课堂参与度，使同学们通过思考加深印象。 2. 个人或小组积分形式，激发学生的学习积极性和主动性。 活动四： 巩固练习 素质提升 根据分组情况，明确并分配任务： 1.以小组为单位进行知识抢答闯关 (1)福特汽车公司 HVM800 卧式加工中心主轴最高转速是多少？ (2)加工纤维增强复合材料时，采用超高速加工的优势有哪些？ (3)电火花加工是一种靠______的微切削工艺，加工过程较为缓慢。 (4)判断：超高速切削加工的模具表面会产生拉应力，降低模具耐磨性。 （ ） (5)判断：20 世纪 90 年代中后期，飞机制造商开始添置多坐标高速数控铣库和加工中心用于整体结构件加工。 （ ） (6)有人认为 “电火花加工在模具制造领域已完全被超高速加工取代，无任何应用价值”，是否赞同该观点及理由，以小组为单位进行讨论，并由小组代表发言。 (7)分析超高速加工技术对制造业产业升级的推动作用。 (8)超高速加工技术未来在模具制造领域可能面临哪些挑战，该如何应对？ (9)超高速加工在汽车工业中如何兼顾 “高柔性”与“高效率”？ 2.老师记分并点评，评出优胜小组 1.学生分组完成任务 2.以抢答形式进行知识闯关，小组积分 1.组织学生分组抢答，提高学生课堂参与度，强化知识应用，培养团队合作及集体意识。 2.积分制激发学生的学习积极性。 课堂小结 作业布置 1.课堂小结：本节课学习了超高速加工的工业应用，主要包括超高速加工技术在航空工业、模具制造、汽车、摩托车以及特殊材料加工中的应用情况。通过学习，应了解超高速加工技术在工业中的应用情况，能够精准区分超高速切削在不同行业的应用特点，能对比超高速切削与传统数控加工、电火花加工的工艺差异，领会敢于尝试、不断创新的科学精神。 2.课后作业： 以小组为单位，网上搜集资料，整理国内航空工业应用超高速加工技术取得的成果。 板书设计 2.2超高速加工的工业应用 一、在航空工业中的应用 最早：飞机制造，航空零部件，整体结构件 二、在模具制造领域中的应用 工具钢及铸铁模具，铜电极、石墨电极，产品样件及铝制工件 3、 在汽车、摩托车工业中的应用 汽车生产：模具和零件加工 4、 在特殊材料加工中的应用 难加工材料、纤维增强复合材料 教学反思 通过本节知识的学习，学生应了解超高速加工技术在航空工业、模具制造、汽车、摩托车以及特殊材料加工中的应用情况，并加强对学生知识应用能力和敢于尝试、不断创新的科学精神的培养。教学过程中，应针对学生特点，选择合适的教学方法，突出学生的主体地位，让学生全程参与整个教学过程，摆脱填鸭式灌输，引导学生主动思考，并多措并举激发学生学习的主动性和积极性，为后续知识的学习打下基础，帮助学生树立职业理想。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $