高速切削报告-国内外现状
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系列化、规模化和专业化。
3 ) 电主轴的核心技术
轴承技术
滚动轴承:钢制轴承、陶瓷球混合轴承,润滑 方式有油脂润滑、油雾润滑和油气润滑。 动、静压液(气)浮轴承:近年来,IBAG公司 推出水静压电主轴。 磁悬浮轴承
电动机及其驱动模块
交流异步感应电动机:普通变频器驱动与控制、 矢量控制驱动器的驱动与控制。 直流永磁同步电动机
高速切削加工与机床
研讨主题
高速切削的基础理论研究 高速切削的优势 高速切削的应用领域 高速切削加工系统 高速切削加工的关键技术 我室在高速切削加工方面开展的工作 结束语
1、超高速切削加工理论
1.1 萨洛蒙高速切削假设和实验
高速切削(High Speed machining,HSM),源于德国的 Carl Salomon 博士1924-1931 年间开展一系列高速切削实验, 并提出的假设:对应一定的工 件材料有一个临界切削速度, 其切削温度最高。在常规切削 范围内(图A区),切削温度随 着切削速度的增大而提高;当 切削速度达到临界切削速度后, 切削速度再增大时,切削温度 反而降低见图示。
5) 我国电主轴技术的现状及与国外差距
国家“九五”“十五”科技攻关计划指标
转速 功率 转矩
20000rpm 2.5-29kW 4-86Nm
现状与差距
低速大扭矩方面:国外300Nm,甚至600Nm;国内在100Nm 以内; 高速方面:加工中心国外50000r/min,国内20000r/min; 其它用途260000r/min,国内150000r/min;
满足汽车产品更新速度很快的市场需求,柔性 的高速加工生产线能够取得更大的效益。
高速加工在我国汽车生产线上应用
20世纪80年代以来,我国引进了多条较先 进的轿车数控高速加工生产自动线。 较典型的是来自于德国的一汽大众捷达轿 车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线,技术上 处于国际20世纪90年代中期水平。
提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理;
从理论上证实了高速切削的可行性与高速切削的优 越性。 特别值得一提的是:他们的研究不用枪和大炮, 而是使用了真正的机床。美国Bryant Grinder公司 为他们提供了高速五轴铣床,机床的主轴转速为 20000r/min,功率15kW。
图2
高速铣削材料加工范围
主要结论:
1)高速切削方面
在超高速条件下,高强度材料可以切削,切削速度可高 达1220m/s;
高速钢刀具可在这一速度下切削高强度材料;
加工合金材料的脆性失效现象在高速下并没有发生; 高速下的实验结果和通常的加工曲线计算的结果不一样; 超高速切削可提高工件的表面质量; 高速切削的金属加工切除率可高达普通切削的240倍。
1.2 从假设到现实 --高速切削理论的早期研究
1960年美国洛克希德飞机公司(lockheed aircraft) 的工程师沃汉(Robert L. Vaughan)用“弹道切削”实 验(即用枪或炮打出一个工件,以4500-11000m/min的 速度通过一个单刃刀具,微型摄像机拍下弹道切削过程)
3.2 航空航天
提高切削效率 -飞机机械零件采用薄壁、细肋结构,刚性差。 整体高速加工代替组件
-整体制造法
难加工材料的高速切削
-镍基合金和钛合金
波音公司生产15ft长结构件,通常500个零部件组装,很多地方 厚度只有1mm。
3.3 高速切削模具
机械制造四大发展方向
高速加工技术 精密和超精密加工技术 高能束加工技术 制造自动化技术
润滑方面:国外油气润滑;国内油脂润滑和油雾润滑;
功能和性能方面:国外多功能、高性能;国内常规产品; 支承技术方面:动、静压液(气)浮轴承、磁悬浮轴承 已成熟商品,我国仍处于实验室阶段。 相关配套技术、产品品种、数量及制造规模方面。
国内主要研究现状
磁悬浮轴承电主轴 动、静压液(气)轴承电主轴 滚动轴承(氮化硅陶瓷轴承)电主轴
大多数情况下,垂直力比水平力大,这和理论分析的 结果相反;
峰值切削力只增加了33%-70%,而不是预计的500 %,而且使用的平均力还会减小; 在高速切削下,剪切角增大而导致剪切力减小。
超高速切削加工 与传统的切削加工相比发生了质变
1.3 高速切削逐渐成熟
在20世纪70年代中期,美国科学家罗伯特·金 (Robert I.king)和麦克唐纳(Mcdonaid.J)着手 验证和发展沃汉(Vaughan)的研究结论。
存在的问题
1)刚度低、惯量大,难以获得高进给速度和高加速度 (速度很难超过60m/min、加速度很难超过1.5 g)。
2)非线性严重,不易实现闭环控制。
3)传动误差较大,影响机械加工精度。
4)机械传动链结构复杂,特别是在重型机和多坐标机 床中这个问题尤为突出。
5)机械噪声大。
6)传动效率低,一般0.6。
2)在刀具磨损方面
在切削速度达到610m/s,切削经过热处理的材料时, 刀具的磨损率最小;
切削速度变化对退火钢的加工影响不大;
在切削速度从150m/s增加到760m/s时,每切除单位金 属的刀具磨损率下降75%到95%;
切削铝合金的速度达到760m/s时,没有测量到刀具磨 损。
3)在切削力方面 水平力和垂直力虽然比理论值大,但是仍在可控制的 范围内;
在切削速度达到一定值后,切削力可降低30% 以上,尤其是径向切削力的大幅度减小,特别有利 于提高薄壁细肋件等刚性差零件的高速精密加工。
切削温度降低
在高速切削时,95%-98%以上的切削热来 不及传给工件,被切屑飞速带走,工件可基本上 保持冷态,因而特别适合于加工容易热变形的零 件。
工作平稳振动小
4、高速切削加工系统
表面完整性 装卸 定位加紧 加工特征 工件材料 刀具材料 加工寿命 切 削 加工工件 切 削 刀体结构
切削热
机 理 切削力 切屑机理 刀 具
刀刃形状
刀柄结构 动平衡
高速切削
CAD/CAM 温控系统
技术
NC编程 加工 加工参数 高 速 基本结构 换刀装置
工艺
工艺优化 数据库 稳定性 安全防护
1 ) 电主轴的结构和系统组成
“高频电机主轴单元” 简称“电主轴” 又称 “内装式电机主轴单元” “内装式电机主轴” 主要特点是将主轴电机 内置于机床主轴单元内 部直接驱动主轴,实现 主轴、电机一体化的功 能。
2 ) 电主轴的优点
结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特 点; 采用交流变频,额定转速范围内实现无级变速; 利用内装电机的闭环矢量控制、伺服控制技术,不仅满 足低速重切削时大扭矩、高速精加工大功率要求,还可 以实现停机角向准确定位(即准停)及C轴传动的功能; 易于高速化,动态精度与稳定性更好; 运行平稳,精度寿命长;
滚珠丝杠的新发展
针对上述问题国际上采用新设计、新 工艺、新材料等手段,构成新一代“旋转 伺服电动机+滚珠丝杠”的高速进给系统。
2)直线电动机进给驱动系统
1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威国际 机床博览会展出了世界上第一台带有直线 电动机驱动工作台的HSC-240型高速加工 中心。 工作台最大进给速度60m/min。
例如,航空和动力部门大量采用的镍基合金和 钛合金,这类材料强度大、硬度高、耐冲击、加工 中容易硬化,切削温度高,刀具磨损严重。 在普通加工中一般采用很低的切削速度,如采 用高速切削,则其切削速度可提高到100- 1000m/min,为常规切削的10倍左右,不但可大幅 度提高生产率,而且可有效地减小刀具磨损,提高 零件加工的表面质量。
5.1.2 高速机床进给系统
高速机床对进给系统的要求 高速度:60m/min以上, 特殊情况可达 120m/min。 高加速度: 一般要求1g-2g,某些要求2g-10g。 高精度 高可靠性和高安全性 合理的成本
1)高速滚珠丝杠副传动系统
1958年美国K&T公司生产世界第一台加工 中心以来,“旋转电动机+滚珠丝杠”至 今仍是“一统天下”。 传统的进给系统存在的许多问题。
2、超高速切削加工优势
极大地提高了机床的生产率
随着切削速度的大幅度提高,进给速度也相应提 高5-10倍。这样,单位时间内的材料切除率可大大增 加,可达到常规切削的3-6倍,甚至更高; 同时机床快速空程速度的大幅度提高,也大大减 少了非切削的空行程时间,从而极大地提高了机床的 生产率。
降低切削力
2)高移速加工中心-HVM型
特征:主轴转速多为8000-15000r/min,快速移动 速度多约60m/min以上,甚至80-120m/min,加速 度要求高,0.6-1.0g ,甚至1.5g。 用途:汽车零部件(辅助时间占整个加工时间的大 部分,高达70%)。
3.1 汽车与摩托车
以高速加工为基础的敏捷柔性汽车生产线
监控与测试
机 床
冷却系统
高速主轴
进给机构
CNC控制
5、高速机床的关键技术
高速主轴部件(电主轴) 高速进给驱动和传动系统 能够提供高速进给控制的机床数控系统 包括安装、夹紧、快速交换以及实现动平衡的高速刀具系 统 适用于高速切削的工件装夹装置 高效冷却和排屑装置
可靠的安全防护和监测装置
进一步向高精度、高可靠性和长寿命方向发 展 电主轴内装电机性能和形式多样化 向快速启、停方向发展 轴承及其预紧载荷施加方式、润滑方式多样 化 刀具接口逐步趋于HSK刀柄技术
向多功能、智能化方向发展
多功能: 如轴向定位精度补偿、低速扭矩放大和换刀自动动平 衡技术等等。
智能化:各种安全保护和故障监测诊断措施。
降低加工成本
零件的单件加工时间缩短; 在同一台机床上,一次装夹中完成零件所有的 粗加工、半精加工和精加工,此即高速加工用于模 具制造的“一次过”技术。 虽然高速机床的价格高于普通机床,但综合上 述因素,仍可大幅度降低加工成本。
高速切削加工的自身局限性
如切削加工大部分铝合金时,切削速度的提高 不受刀具耐用度的限制;但是在切削一些难加工材 料时(如超耐热不锈钢、钛合金、高强韧高硬度合 金钢等),切削速度的提高仍会受到刀具急剧磨损 的制约。
42000r/min, 75000r/min
向低速大转矩、高速大功率方向发展
在低速大扭矩方面:意大利CAMFIOR、瑞士StepTec、德国的GMN电主轴低速扭矩200Nm,德国CYTEC 生产数控铣床和车床电主轴630Nm;
在高速大功率方面:一般10-50kW;瑞士Step-Tec 公司用与航空和模具领域电主轴达65kW;更有80kW。
3、超高速切削加工的应用
汽车与摩托车 航空航天 模具制造 轻工与电子工业 光学与精密机械
ຫໍສະໝຸດ Baidu
高速加工中心分类
1)高转速加工中心(高速铣)-HSM型
特征:主轴转速多为20000-40000r/min,快速移动速度、 加速度要求不很高,一般不低于30m/min、0.3g即可。 用途:模具工业及飞机工业(用于复杂空间曲面加工, 切削时间占整个加工时间的大部分,飞机加工中甚至高 达90%)。
动、静、热特性好的床身、立柱和工作台等支承部件。
5.1 高速切削机床
重点介绍:
高速主轴系统和电主轴
高速机床的进给系统
静、动、热特性优良的支承部分
NC系统技术
5.1.1 高速主轴系统和电主轴
传统高速主轴系统的局限性
传统的带和齿轮传动主轴部件虽然具有大功率、 大切削转矩特点,但不能满足主轴高速旋转的要求。 最高转速只能达到10000r/min左右,最多不超过 12000-15000r/min。
高速切削时,机床的激振频率特别高,它远远 离开了“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率 范围,工作平稳、振动小。 因而能加工出非常精密、非常光洁的零件,零 件经高速车、铣加工的表面质量常可达到磨削的水 平,残留在工件表面 上的应力也很小,故常可省 去铣削后的精加工工序。
以铣代磨
可以加工各种难加工材料
电主轴转子-轴承动力学分析与设计软件
滚动轴承 主轴转子动力学
4) 国外电主轴技术的发展趋势
继续向高速化、高刚度方向发展
磨削用电主轴:
瑞士IBAG的HF42 日本SEIKO SEIKI
加工中心用电主轴: 瑞士的FISCHER 意大利CAMFIOR
140000r/min, 260000r/min;