先进切削加工技术PPT格式课件下载.ppt

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高速切削理论是德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）1931年4月提出的。

萨洛蒙曲线高速切削概念高速切削的速度范围,萨洛蒙曲线,在常规切削速度范围内（见图2-1中A区），切削温度随着切削速度的提高而升高。

但是当切削速度提高到某一数值之后，切削速度再提高，切削温度反而降低，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，在这个速度范围内（图2-1中B区），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”。

萨洛蒙曲线,萨洛蒙曲线带来的启示：

若能越过这个“死谷”，在高速区（见图2-1中C区）进行切削加工，则有可能用现有刀具材料进行高速切削，其切削温度与常规切削时基本相同，从而可大幅度提高生产效率。

萨洛蒙曲线图,高速切削概念,高速切削是个相对概念，目前尚无统一定义，一般指采用超硬刀具材料，通过大幅度的提高切削速度和进给速度来提高材料切除率和加工质量的现代切削加工技术。

高速切削的速度范围,一般认为是常规切削速度的510倍。

目前铝合金材料的高速切削速度范围为20007500m/min，铸铁为9005000m/min，钢为9005000m/min，钛合金达1501000m/min，纤维增强塑料为20009000m/min。

2.1.2高速切削加工的优越性,1.切削加工效率高：

高速切削加工的速度是常规切削加工的510倍，进给速度随着切削速度的提高也相应提高510倍，使单位时间内材料的切除率可提高35倍。

2.切削力减小：

由于高速切削时切削速度高，切屑流出速度加快，切削变形减小，从而使切削力比常规切削降低30%以上。

2.1.2高速切削加工的优越性,3.加工精度高：

高速切削时切削力减小，切削热还来不及传给工件，从而减少了切削过程中的变形，提高了加工精度。

4.能获得较好的表面完整性：

在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙度值；

又由于切削力小且变化幅度小，机床的激振频率远大于工艺系统的固有频率，加工平稳，切削振动小，加工表面质量可提高12级；

切削热传入工件的比率大幅度减少，加工表面的受热时间短，切削温度低，加工表面可保持良好的物理力学性能。

2.1.2高速切削加工的优越性,5.节省制造资源:

高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大、能耗低、工件的制造时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，故高速切削技术完全符合可持续发展战略的要求。

6.可切削难加工材料:

高速切削加工时，由于切削力小，切屑变形阻力小，刀具磨损小，因而可加工一些难加工材料。

2.1.3高速切削加工的关键技术,高速切削加工的关键技术包括：

1.高速切削机床技术2.高速切削刀具技术3.高速切削刀具的监测技术,高速切削对机床的要求,机床是实现高速切削的首要条件和关键因素。

高速切削对机床提出的新要求主要有：

1.主轴要有高转速、大功率和大扭矩2.进给速度也要相应提高，以保证刀具每齿进给量基本不变3.进给系统要有很大的加速度,高速切削机床技术,高速切削机床包括：

（1）高速电主轴单元

（2）高速电主轴用轴承（3）电主轴的冷却和轴承的润滑（4）高速直线电动机进给单元,高速电主轴单元,高速电主轴单元是高速加工机床最关键的基础部件。

高速机床的高速主轴在短时间内实现升速和降速并在指定位置准确停车，这就要求主轴具有很高的角加速度。

电主轴的定义,定义：

如果将交流变频电动机直接装在机床主轴上，即采用内装式无壳电动机，其空心转子采用压配方法直接装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中，就形成了内装式电动机主轴，简称“电主轴”。

零传动的概念,概念：

形成“电主轴”，这样，电动机的转子就是机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，从而实现了变频电动机与机床主轴的一体化。

由于它们取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，把主传动链的长度缩短为零，所以称为“零传动”。

电主轴单元的特点,电主轴单元振动小，由于采用直接传动，减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差，也简化了机床结构，容易实现高速加工中快速换刀时的主轴定位等。

图2-2为滚珠轴承高速电主轴单元的结构。

滚珠轴承高速电主轴单元,高速电主轴用轴承,高速主轴单元设计中轴承的选择与设计也是非常关键的。

目前电主轴采用的轴承主要有：

1.滚珠轴承2.空气静压轴承3.液体动静压轴承4.磁悬浮轴承,滚珠轴承,由于滚珠轴承在高速旋转时滚珠会产生很大的离心力和陀螺力矩，所以高速机床广为采用陶瓷混合轴承，即滚珠用密度小的热压烧结Si3N4陶瓷材料制作，滚道仍然用轴承钢。

这种轴承具有转速高、精度高、刚度高、温升小、寿命长等优点。

价格虽比同规格同精度等级的钢质轴承高22.5倍，但使用寿命长36倍。

空气静压轴承,空气静压轴承用于高精度、高转速、轻载荷的场合。

使用空气静压轴承的主轴单元，转速可达150000r/min以上，但输出的扭矩和功率很小，主要用于工件的光整加工。

液体动静压轴承,液体动静压轴承是采用液体的动力和静力相结合的方法，使主轴在油膜中支撑旋转，径向和轴向跳动小，轴承刚度高、阻尼特性好、寿命长，目前主要用于重载大功率场合，粗精加工均适用。

磁悬浮轴承,磁悬浮轴承是利用磁力将主轴无接触地悬浮起来的新型智能化轴承。

具有高精度、高转速、高刚度、无磨损、不需润滑和密封等优点，还能实现实时诊断和在线监控，是超高速主轴理想的主轴轴承。

但是价格太高。

电主轴的冷却,由于电动机直接安装在主轴上，电动机的发热会直接影响主轴的工作精度。

解决的办法之一就是在电动机定子的外面加一带螺旋槽的铝质冷却套。

机床工作时，冷却油水不断在冷却套的螺旋槽中流动，从而把电动机发出的热量及时带走。

冷却油水的流量可根据电动机发出的热量来计算。

图2-3是广东工业大学研制的GD-3型电主轴的油-水热交换系统图。

GD-3型电主轴的油-水热交换系统图,轴承的润滑,在目前采用的三种润滑方式（油脂润滑、喷油润滑和油-气润滑）中，以油-气润滑效果最好。

油-气润滑是一种新型的较为理想的滚动轴承润滑方式，图2-4为其润滑系统原理图。

它利用分配阀对所需润滑的不同部位，按照其实际需要，定时、定量地供给油-气混合物，能保证滚动轴承的各个不同部位既不缺润滑油，又不会因润滑油过量而造成更大的温升，并可将油雾污染降至最低程度。

油-气润滑系统原理图,高速直线电动机进给单元,高速切削加工不仅要有高的机床主轴转速,对机床进给系统也有很高的要求：

进给速度要相应地提高，以保证刀具的每齿进给量基本不变，否则会严重影响加工质量和刀具使用寿命；

加速度要大，最大应达110g。

由于加工时，一般工作台的行程只有几十毫米或几百毫米，在很高的进给速度下，只有瞬间达到高速或高速行程中的瞬间准停，高速直线运动才有意义；

进给系统的动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，达到较高的定位精度和刚度，以进行高效的精密加工。

直线电动机的产生,1993德国Ex-cell-O公司在汉诺威国际机床博览会上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，该机床主轴最高转速为24000r/min，工作台最大进给速度为60m/min。

几乎与此同时，美国Ingersoll公司在HVM-800型高速加工中心上，主轴最高转速20000r/min，工作台最大进给速度76.2m/min。

直线电动机在加工中心上的应用，轰动了国际机床界和学术界。

直线电动机用于机床进给系统有其优点和缺点。

直线电动机的优点,直线电动机用于机床进给系统的优点是:

速度高。

无旋转运动，不受离心力作用，可容易实现高速直线运动，目前最大进给速度可达90180m/min；

加速度大。

起动推力大，可实现灵敏的加速和减速，其最大加速度高达210g；

定位精度高。

一般以光栅尺为定位测量元件,并采用闭环控制，工作台的定位精度高达0.10.01；

行程不受限制。

由于直线电动机的次级是一段一段地连续铺在机床床身上,次级铺到哪里,初级（工作台）就可运动到哪里。

直线电动机的缺点,直线电动机用于机床进给系统的缺点是:

由于电磁铁热效应对机床结构有较大的热影响，需附设冷却系统存在电磁场干扰，需设置防护装置以阻挡切屑；

有较大功率损失；

缺少力转换环节，需增加工作台制动锁紧机构；

由于电磁吸力作用，造成装配困难。

高速直线电动机进给单元,高速直线电动机进给单元的组成主要由直线电动机、工作台、滚动导轨、精密测量反馈系统和防护系统等组成，如图2-5广东工业大学研制的GD-3型直线电动机进给单元所示。

GD-3型直线电动机进给单元,高速直线电动机进给单元的组成,高速直线电动机进给单元的组成：

1.直线电动机2.工作台3.导轨4.精密测量反馈系统5.防护系统,直线电动机,直线电动机能满足机床进给系统大推力要求的直线电动机主要是交流直线电动机。

按励磁方式可分为交流感应（异步）直线电动机和交流永磁（同步）直线电动机两种。

图2-6为感应异步直线电动机截面图，采用的是动短初级、定长次级的结构形式。

带三相绕组的初级6通过冷却板3（内有多路冷却油道）用螺钉5反装在工作台4上。

带鼠笼展开型栅条的次级2通过冷却板用螺钉8装在直线电动机的底座7上，然后再固定在机床床身上。

感应异步直线电动机截面图,工作台,工作台安装有直线电动机的工作台是高速直线进给单元的移动部件，其质量大小对进给单元的静动态特性影响很大。

直线电动机所能达到的最大加速度与包括工作台在内的进给单元的质量成反比，如图2-7所示。

直线电动机的加速度与质量的关系曲线,减轻工作台质量的方法,为设法减轻工作台的质量，可从两个方面入手：

选用高强度轻质材料制造工作台，如钛合金TC4和碳纤维增强塑料等；

对工作台结构进行优化设计，如对工作台的截面形状和尺寸进行有限元分析和最优化设计。

导轨,导轨由于直线电动机进给单元的运动速度高，工作时导轨将承受很大的动载荷和静载何，并受到多方面的颠覆力矩。

另外，工作台与导轨间的摩擦也会影响进给单元的加速度和发热等。

因此必须选用高精度、高刚度和承载能力大的导轨结构，并选用摩擦系数小的材料。

精密测量反馈系统,精密测量反馈系统由于直线电动机的初级已与机床工作台合二为一，故只能采用闭环控制。

此时工作台的载荷的变化就是一种外界干扰，如调节不好，就很可能产生振荡而使系统失稳，故直线电动机的伺服控制难度大，要求高。

防护系统,防护系统由于直线电动机的磁场是敞开的，故其工作环境必须采取防磁措施，以免吸住带磁性的切屑、刀具与工件；

同时还要防止磁性微粒吸入电动机的初级与次级间隙中，以保证电动机的正常工作。

可选用三维折叠式密封罩直线电动机的磁场防护起来。

高速切削刀具技术,刀具技术是实现高速切削