<4D F736F F F696E74202D20B8DFCBD9C7D0CFF7BCBCCAF5D7A8CCE D31>

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F F696E74202D20B8DFCBD9C7D0CFF7BCBCCAF5D7A8CCE D31>"

临卓
5 years ago
Views:

1 技工院校金属切削教材教法师资培训班高速切削技术专题清华大学 ( 精密仪器与机械学系 ) 冯平法 2010 年 5 月 9 日

2 冯平法, 清华大学教授 / 博士生导师清华大学本科硕士柏林工业大学博士课程 : 制造工程基础, 生产实习研究领域 : 高效精密加工技术 ( 高速切削, 超声加工 ) 数控加工精度原位检测技术制造装备性能分析与优化设计

3 目录切削技术的新发展高速切削的概念与发展高速切削动态物理仿真研究高速切削的基理特征和应用领域面向高速切削的制造装备技术面向高速切削的刀具技术面向高速切削的夹紧及安全防护技术

4 切削技术的新发展切削加工是产品制造过程中的关键基础工艺

5 切削技术的新发展目标提高加工质量切削加工提高柔性提高切削速度提高精度手段柔性制造系统 FMS 高速切削精密与超精密加工提高加工效率降低加工成本扩大加工材料范围减少消耗硬材料切削干切削与微切削切削新技术高速切削 --- High Speed Cutting 硬切削 --- Hard Cutting 干切削 --- Dry Cutting 微切削 --- Micro Cutting

6 切削技术的新发展干切削高速切削硬切削边界条件机床与装备 + 机床新概念 + 驱动系统 + 控制系统 + 夹紧系统刀具 + 刀具材料 + 刀具涂层 + 标准化与多功能化刀具

7 高速切削的概念根据主轴转速定义 : 主轴转速高于 6,000rpm 为高速切削加工 ( ISO1940-1) 根据主轴最高转速 (rpm) 与轴承孔径 (mm) 的乘积值 DN 衡量 : DN 值为 (5-2,000) 10 5 为高速主轴根据切削速度定义 : 相对与常规切削而言, 用高出很多的切削速度对工件进行切削 ; 通常把切削速度是常规切削速度的 5~10 倍的切削称为高速切削 ( 有时也称为超高速切削 )

8 高速切削的概念高速切削是一个相对的概念, 高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关工件材料纤维增强塑料铝合金青铜, 黄铜普通切削过渡区高速切削铸铁钢钛合金镍基合金 m/min 切削速度 v c ( 铣削 ) 高速铣削的速度范围

9 高速切削的概念高速切削的速度范围与加工方法密切相关高速钻削 (HSD):200~1100 m/min; 高速铣削 (HSM):300~6000 m/min; 高速车削 (HST):700~7000 m/min; 高速磨削 (HSG):150 m/s 以上例如 : 在切削灰铸铁时,1000 m/min 以上才是高速车削, 而 400 m/min 就定义为高速钻削

10 高速切削技术的发展 1931 年, 德国切削物理学家 Carl. J. Salomon 提出著名的高速切削的理论 T cr 切削温度 T a v 1 v cr v 2 切削速度

11 高速切削技术的发展美日在 20 世纪 60 年代开始高速切削实验和高速切削机理研究 ; 德国自 1984 年开始系统研究高速切削技术验证 Salomon 高速切削理论切屑成形机理发生变化 ( 逐渐形成不连续切屑 ) 切削力下降表面质量提高

12 高速切削技术的发展 20 世纪 80 年代以来, 新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件切削速度 v c 2000 m/min 铸造硬质合金立方聚晶氮化錋 CBN 金属陶瓷硬质合金氧化陶瓷聚晶金刚石 PCD Si N 3 4 高速钢涂层硬质合金工具钢年

13 高速切削技术的发展近年来, 美日德法瑞士意等国开发高速切削机床, 并用于实际生产用于模具制造的 MIKROMAT 高速铣床高速电机主轴 : r/min 进给速度 24 m/min

14 高速切削机理研究常规切削的剪切角高速切削的剪切角高温区前刀面刀具后刀面工件温度效应 : 切屑和前刀面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力, 使剪切角增大 ; 突变滑移 : 应变硬化来不及发生, 变形只发生在小范围内 ; 绝热剪切 : 热量限定在一个特定的滑移区, 产生很小的熔化区 ;

15 高速切削机理研究进给量 : 0.06mm/r 0.09mm/r 0.12mm/r 0.15mm/r 剪切角 φ ( ) 切削速度 V(m/min) 剪切角随着切削速度的提高而逐渐提高

16 高速切削机理研究摩擦系数 μ 摩擦速度 v (m/min) 在高速摩擦阶段, 摩擦系数随着摩擦速度的提高逐渐下降对高速切削机理仍需加强研究

17 高速切削动态物理仿真研究与切削实验研究方法相比, 仿真方法具有节省时间和降低材料消耗的优点为更深入研究被切金属材料在剪切变形区的变形过程刀具与切屑之间的相互作用以及切削热的传递过程提供新手段快速地改变材料特性和切削过程参数, 预测高速切削性能

18 高速切削动态物理仿真研究美国 Third Wave Systems 公司开发的 AdvantEdge FEM 切削力切削温度磨损后刀具轮廓新刀具轮廓表面残余应力刀具磨损

19 高速切削动态物理仿真研究关键技术材料本构关系模型 : 高速切削材料在变形区域具有很高的应变率 ( sec-1 或更高 ) 和温度, 必须考虑温度应变率对材料特性的影响例如 Johnson/Cook 实验材料模型 : m ( ) = + n T T + amb σ A Bε 1 C lnε 1 Tmelt Tamb 摩擦特性模型 : 由于刀具 / 切屑之间的高压高温作用, 传统的库仑 (Coulomb) 摩擦模型已经不适于描述刀具与切屑之间的摩擦特性 Stick-slip 摩擦模型 : F t = μf 材料分离准则 : 几何准则 ; 物理准则 n 2 ν t arctan π C t

20 高速切削动态物理仿真研究提高物理仿真精度 Hopkinson 冲击杆实验与基于切屑滑移距的高速直角切削实验相结合, 构建材料本构方程基于因素效应的高速切削摩擦方程考虑速度强化效应温度软化效应面积效应和载荷效应仿真误差 (%) old Fc new Fc old T new T 主切削力切削温度

21 高速切削物理特征单位时间切除量表面质量切削力刀具寿命切削速度

22 高速切削物理特征切削速度对刀具寿命的影响 ( 刀具寿命内的切削长度 ) 工件材料 : X100CrMoV51 (2363),60 HRC 刀具 : 球头刀 :d = 6 mm 刀刃数 :2(CBN 时 1) ( 切削速度 ) 刀具材料 : HM: 硬质合金,TiN 涂层 CBN: 立方氮化錋 Cermet: 金属陶瓷

23 高速切削物理特征提高单位时间的切除量, 降低产品的制造时间后续工作精加工半精加工粗加工工艺设计产品设计 ( 常规铣削 ) ( 高速铣削 )

24 高速切削物理特征降低切削力进给量 : mm/r 0.09mm/r 0.12mm/r 0.15mm/r 400 由于切削机理的变化, 使切削力降低 ; 主切削力 Fc (N) 切削速度 V(m/min) 由于采用小进给量, 降低切削力进给抗力 Ft (N) 进给量 : mm/r 0.09mm/r 0.12mm/r 0.15mm/r 切削速度 V(m/min)

25 高速切削物理特征切削速度对切削温度的影响前刀面最高温度位置随切削速度的提高逐渐远离切削刃切削热大部分由切屑快速带走, 减少传递给工件的热量避免积屑瘤的产生

26 高速切削物理特征提高加工表面质量加工余量要求轮廓行距行距实际轮廓行距

27 高速切削的优势高单位时间切除率, 缩短制造时间高加工表面质量, 提高产品质量低切削力, 降低加工系统力变形高激励频率, 避免自激振荡切削热由切屑快速带走, 减少工件热变形减少后续工序, 降低加工成本

28 高速切削的应用领域航空航天工业轻合金的加工 : 飞机上的零件通常采用整体制造法, 其金属切除量相当大 ( 一般在 70% 以上 ), 采用高速切削可以大大缩短切削时间模具制造业 : 型腔加工同样有很大的金属切除量, 过去一直为电加工所垄断, 其加工效率低汽车工业 : 对技术变化较快的汽车零件, 采用高速加工 ( 过去多用组合机加工, 柔性差 ) 难加工材料的加工 ( 如 :Ni 基高温合金和 Ti 合金 ) 纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工

29 高速切削的应用领域高速铣削典型工件铝合金整体零件 : 整体零件掏空, 切除量大零件有薄壁, 要求小切削力小直径刀具较长的刀具悬伸

30 实现高速切削的关键技术 Tools CAD/CAM Optimised HSC High Speed Cutting Machine Control

31 面向高速切削的制造装备对高速切削机床要求床身等固定部件的高刚度和高抗振性主轴的高转速和高加速度进给系统的高进给速度和高加速度主轴轴承的高刚度和高抗振性优化的切屑下落及运送系统可靠的安全防护系统

32 面向高速切削的制造装备龙门式高速加工中心的设计特征直线电机 (Z 轴 ) 焊接结构横梁高速电机主轴焊接结构 XY 工作台直线电机驱动混凝土聚合物床身框架

33 面向高速切削的制造装备驱动电机与主轴的一体化高速电机主轴转速至 r/min, 用于小直径刀具的高速切削大转速范围内的高扭矩输出首选球轴承液压轴承气压轴承或磁轴承

34 面向高速切削的制造装备高速切削对进给系统的要求高进给速度 :>20 m/min 高进给加速度 :>0.5g 进给速度 v f HSC 加工常规加工主轴转速 n

35 面向高速切削的制造装备直线进给电机导轨初级线圈机床滑台技术指标 : v f > 75 m/min a = 1-7g 位置测量系统次级线圈

36 面向高速切削的制造装备 HALLER HILLE Specht 500 L 高速铣床焊接的钢机架直线电机进给驱动 Z 滑台 : 钢 -CFK 三明治体箱中箱结构全封闭结构刀卡 :HSK63 最大进给 :100m/min 主轴转速 :24.000r/min 加速度 :20 m/s 2

37 面向高速切削的制造装备用于航空航天业的 ACM 高速加工中心 5 轴联动高速切削切削轻金属和钛合金水平装卡垂直加工, 便于排屑

38 面向高速切削的制造装备用于模具制造的 DROOP & REIN 加工中心框架结构加工板材冲压模具单件小批量生产主轴转速 : r/min 难加工材料加工

39 面向高速切削的制造装备德国 DMG 公司的 HSC Linear 系列高速加工中心龙门框架单体结构, 坚固减振的矿物铸造底座主动冷却方式的电主轴带 HSK-32 刀柄, 转速可达 42,000 rpm 5 轴联动加工所有直线轴采用直线电机, 加速度可达 2g, 快移速度达 40m/min A 轴双直线电机专为高速切削加工开发的 DMG 控制软件 ATC ( 应用调整循环 ) 和 AAC ( 自动加速度监控 )

40 面向高速切削的制造装备高速铣削性能测试标准零件

41 面向高速切削的制造装备高速车床 (PTW Darmstadt) 聚合混凝土斜床身宽调速交流电机直接带动主轴滚动轴承, 气体冷却主轴的大内孔, 降低转动惯量单独支承的尾架最高转速 : r/min

42 面向高速切削的制造装备高速车铣复合加工中心平行轴垂直轴工件驱动刀具驱动运动轴工件驱动刀具驱动运动轴车床和铣床的组合一个主运动, 两个进给运动回转体零件的硬切削

43 面向高速切削的制造装备高速机床新概念 : 并联机构优点 : 高刚度 ( 每根杆只受拉力和压力, 无弯曲载荷 ) 设计制造简单运动部件质量小, 适用高速切削缺点 : 工作范围受限制 (+/- 15 度 ) 控制复杂测量系统复杂

44 面向高速切削的制造装备高速机床新概念 : 并联机床 INGERSOLL 公司清华大学

45 面向高速切削的制造装备高速机床新概念 : 绳拉并联机床

46 面向高速切削的刀具技术面向高速切削的刀具材料抗磨损强度, 热硬性, 允许切削速度 Oxidkeramik v c = m/min CBN v c = m/min GG: m/min PKD v = m/min c Nitridkeramik beschichtete Cermets v c = m/min Cermets v c = beschichtete Hartmetalle v = m/min c Hartmetalle auf Wolframkarbid-Basis v = m/min c 理想刀具材料 Feinkorn-Hartmetalle v = m/min c TiN/TiCN-besch. HSS v = m/min c HSS v = m/min c 脆韧性与抗弯强度适用与高速切削的刀具材料 : 涂层硬质合金刀具陶瓷聚晶金刚石 PCD 立方氮化硼 CBN

47 面向高速切削的刀具技术面向高速切削的刀具结构高效率高精度高可靠性和专用化以高强度铝合金做基体的 HSC 端面铣刀带内部冷却的钻头在基体上焊接刀片 ( 材料 CBN,PCD) 的 HSC 刀具

48 面向高速切削的刀具技术高速切削刀具几何参数优化硬盘驱动架

49 面向高速切削的刀具技术高速切削刀具几何参数优化切削力 (N) 从减少切削力的角度考虑, 应选择较大的刀具前角前角 ( )

50 面向高速切削的刀具技术高速切削刀具几何参数优化 500 从减少切削热的角度考虑, 应选择较小的刀具前角切削温度 ( ) 前角 ( )

51 面向高速切削的刀具技术高速切削刀具几何参数优化综合评价值刀具前角有较为明显的优化范围 : 在 20 ~26 之间的综合评价值变化不大, 均可采用 26 最优前角 ( )

52 高速切削夹紧技术技术高速旋转刀具夹紧系统要求最小的动不平衡量最小的径向偏差高刚性传递高扭矩高精度换刀时的高重复精度高转速下的安全性刀柄方案用空心短锥柄 (HSK 系列 ) 取代传统的快换锥柄 (SK 系列 ) ( 主轴 - 刀柄 - 夹头 )

53 高速切削夹紧技术技术快换锥柄 (SK 系列 ) 7:24 锥度 ; 实心结构 ; 单独的锥面定位空心短锥柄 (HSK 系列 ) 1:10 锥度 ; 空心结构 ; 锥面与端面同时定位

54 高速切削夹紧技术技术回转刀具夹紧系统的刚度特性比较

55 高速切削夹紧技术技术离心力作用下夹紧系统的变形特征 SK40 主轴与刀柄变形对比 HSK-A63 主轴与刀柄变形对比

56 高速切削夹紧技术技术高速回转工件夹紧系统 ( 车削 ) F sp0 初始夹紧力夹紧力 F sp F sp,min 所需最小夹紧力有效夹紧力夹紧力降低夹紧力不足, 工件甩出卡盘转速 n 爪式卡盘用于高速切削存在的问题

57 高速切削夹紧技术技术带离心力补偿的爪式卡盘带离心力补偿的楔面卡盘转速为 min -1 时, 离心力补偿装置使夹紧力损失由 71 kn 降低到 53 kn, 减小了 25%

58 高速切削夹紧技术技术炭纤维加强复合材料 CFK 轻型卡爪临界使用转速由 3200 min -1 增大为 5900 min -1

59 高速切削夹紧技术技术 CFK 绷带式卡盘转速为 min-1 时,CFK 绷带式卡盘夹紧力损失仅仅为普通卡盘的 30%

60 高速切削的安全防护技术高速卡盘的防护墙 PTW 外钢板 ( 机床 ) 聚氨酯泡沫塑料内钢板 ( 卡盘 ) 可移动防护墙 10 mm 50 mm 1,5 mm 失效卡盘零部件具有可达 30kNm 的能量, 应尽可能在事故地点防护

61 高速切削夹紧技术技术高速车床防护墙 PTW 外钢板 ( 工人 ) 聚氨酯泡沫塑料内钢板 ( 机床 ) 可移动内侧门机床防护墙 20 mm 50 mm 1,5 mm 薄弱点是机床的防护窗口

62 高速切削的安全防护技术机床防护门性能实验 IWF

63 谢谢听讲欢迎讨论

nm 8 nm nm nm nm 8 nm 8 IC IC

nm 8 nm nm nm nm 8 nm 8 IC IC 100 100nm 8 nm 8 130 130-100 100nm nm 6 147 147 135 135 6 103 103 54 54 9 45 45 7 100 100nm 8 nm 8 IC IC 5 60 60 40 40 3500 3500 5 1600 1600mm mm X/Y/Z X/Y/Z 2200/400/400 2200/400/400mm mm 15 15m/min m/min