超高速加工技术课件.ppt

The National CIMS/ERC, Tsinghua University 先进制造工艺技术 高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上，才能充分发挥高速切削的众多优点。这就要求高速切削机床具有很高的进给速度，并在很高速下仍有高的定位精度。此外高速进给要靠很大的加速度来实现，所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度，还必须有很高的动刚度。 根据上述几点要求，高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展： 一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进。 二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床。 ⑴ 主轴系统 传统的齿轮变速和皮带传送方式已不能适应超高速运转的条件 代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，定子则安装在主轴单元的壳体内，形成“电主轴”。实现变频电机和机床主轴的一体化。 图 超高速主轴的结构 ⑵ 进给驱动系统高速化 高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的，一般进给速度可达60m/min左右。 近几年出现了直线电机驱动系统。由于它无间隙、惯性小、刚度较大而无磨损，通过控制电路可实现高速度和高精度驱动，在1997年进给速度已达120m/min 直线电动机的基本构造与普通旋转电机相似，如图所示 把电机的转子部分直接与机床工作台相连，从而消除了一切中间传动环节，实现了直接驱动 (3)运动部件轻量化和伺服进给控制精密化 ? 右图是一台高速切割的加工中心，其X、Y、Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻，且均采用直线电机驱动。 右图是美国Ingersoll公司为英国British Aerospace公司提供的大型高速型面铣床。床身底面积为33m×15m，约有三层楼高，它主要用来加工大型铝合金飞机零件。 2.高速切削的刀具系统 高速切削时的一个主要问题是刀具磨损，与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨损机理与普通切削有很大区别。 由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面因素。 ⑴ 刀具材料 ? 刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主。 刀具的发展主要集中在如下两方面：一是研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性。 采用适宜的镀膜可成倍地提高刀具的使用寿命。此外，刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命的重要因素。 另一个发展方面是开发新型的高速切削刀具，特别是那些形状比较复杂的刀具。 有的刀具工厂在1997年汉诺威的世界机床博览会上已展出了聚晶立方氮化硼制成的麻花钻。形状更为复杂的聚晶金刚石刀具仍在研究中。 ⑵刀柄结构 ? 刀柄结构是高速切削时的一个关键件，主要体现在它传递机床精度和切削力的作用。 高速切动时既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所以高速切削时刀柄须满足下列要求： l)很高的几何精度和装夹重复精度； 2)很高的装夹刚度； 3)高速运转时安全可靠。 刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以图所示的圆锥空心柄（HSK）为主。 它以其端面及1：10锥度的空心锥套作双重定位，与以往常用的7：24锥柄相比，有如下优点： 1)重量减少约50％； 2)重复使用时装夹和定位精度高； 3)刚度高，并可传送大的转矩； 4)装夹力随转速升高而加大。 ⑶接装刀具的模块 常用的锥形夹头灵活性好，适用于不同的刀具直径，缺点是可传递的扭矩有限且装夹精度很低。 提高装夹精度和刚度需采用其他方法，目前常用的有收缩夹头、液压膨胀夹头和力膨胀夹头。 收缩夹头利用材料热胀冷缩的原理，把刀具装人刀柄时，先用辅助系统把刀柄孔加热，使之膨胀，待刀具插入刀柄后进行冷却，刀具就被稳当地夹持在刀柄内。 这种夹头的优点是精度高，刚性大。缺点是操作不便，每次装夹须对刀柄进行加热和冷却，易引起刀柄的热疲劳和变形。 液压控胀夹头的原理，在刀柄孔的周围是一个液压腔，刀具插入刀柄后，用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内结膨胀，从而夹紧刀具。