高速加工技术第一次课.ppt

主讲教师：杨保成办公室：数控研发室（2-308）,高速加工技术,熟读现代机床设备、金属切削原理与刀具、机床夹具及应用 等书籍；,不得迟到、早退，更不能旷课，上课须认真听讲，并做好课堂笔记；,本课程由我与大家共同完成,而非我完成任务；,给定作业须在规定时间内按质、按量完成；,手机调整到“免打扰模式”！,写5000字左右的学习笔记(关于本课程)；,学习要求及游戏规则：,教材及参考书：,高速切削加工技术,作者：艾兴 主编 出版：国防工业出版社,教材：,参考书:,高速加工理论与应用,作者：（德）舒尔茨，（德）阿贝勒，何宁出版：科学出版社,高速切削与五轴联动加工技术,作者：褚辉生出版社：机械工业出版社,期末成绩评定（机电系统一要求）：,平时40%,期末考试：60%(开卷),出勤10%(旷课三次，本期成绩不评定，以记),作业5%,课堂笔记及学习态度10%+5%,学习笔记10%,课程结束后进行，考试低于45分不参加总评！,课程成绩评定,学习方法与技巧,为什么学习本门课程？（本课程对本专业的作用）,本课程学什么？（本课程涉及内容）,怎样学本课程？（方法、技巧）,为什么学习本门课程？,（1）去除毛坯上的余量；（2）形成零件的表面；（3）保证零件所需的精度。,切削加工的任务：,直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。恩格斯 自然辩证法,人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。毛泽东 贺新郎读史,人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。没有制造，就没有人类。制造是“永远不落的太阳”。,制造是人类文明的物质支柱之一,战略地位（1）,切削加工的重要性：,人猿相揖别。只几个石头磨过，小儿时节。,贺 新 郎,人的祖先-类人猿进化到人，告别了类人猿的漫长时代。之后，就进步到最早的石器时代，并把这个时代形象化地比喻为“小儿时节”。,从石器时代进化到青铜、铁时代，这样的冶炼技术究竟是在什么时候掌握的呢？“不过几千寒热”指的是，只不过是几千年的事情，就是说人类进化愈来愈快。,读史 1964年春,人世难逢开口笑，上彊场，彼此弯弓月，流遍了，郊原血。,铜铁炉中翻火焰，为问何时猜得，不过（是）几千寒热。,直接创造国民生产总值的1/3,制造业对国民经济的贡献,占整个工业生产的4/5,为国家财政提供1/3以上的收入,对出口总额的贡献率90%,物质财富是人类社会生存和发展的基础，制造是人类创造物质财富最基本、最重要的手段！,战略地位（2）,制造业是全面建设小康社会第一位的支柱产业,战略地位（3）,2001年制造业占中国社会经济活动门类的比例,大类的33%,中类的46%,小类的64%,全部就业人数的11.1%,工业就业人数的90.5%,2001年制造业就业人数所占的比例,工业税收的78.93%,总税收的28.74%,2001年全国制造业的税收,1953至1998年,0,5,10,15,20,平均,GDP,增长率,工业增加值,年均增长率,制造业增加值,年均增长率,7.8,%,11.9,%,17.6%,（1）制造业创造的财富占人类社会创造总财富的6080%。（2）切削加工工作量占机械产品制造劳动量的3040%。（3）切削加工是切除余量效率最高、本钱最低的方法。（4）各种零部件经过切削加工，约有10%的材料变为切屑。耗时、耗人工、耗资金很多，增产、节约的潜力也很大。（5）21世纪的人类社会中，切削加工仍将发挥重要作用，且呈发展态势。前沿科学（工程），如材料科学、信息科学、能源工程、生物科学、宇航工程等，无一不与切削加工密切相关。,总 结,切削加工技术新发展：,磨石,直径2丈（6.7米），加工天文仪器上的铜环,（1）难加工材料切削技术。（2）高效加工切削技术（包含高速切削）。（3）精密加工切削技术。（4）自动化加工切削技术。（5）绿色制造的切削技术。,结论：切削加工是机械加工应用最广泛的加工方法之一，而高速是它的重要发展方向，其中包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等。高速切削能够大幅度提高生产效率和单位时间内材料切除率，改善加工表面质量降低加工费用。,主要内容（32 学时）,本课程学什么？,怎样学好本课程？,对比学习,高速切削加工概述,高速加工“发展史”,国外高速加工发展现状,2,1,3,4,国内高速加工发展现状,高速加工的特点,高速加工的概念,5,高速加工的应用与发展,6,一、高速加工的概念,当时高速钢刀具开始使用，加工普通钢材的切削速度仅为2530m/min。相对于碳素工具钢和合金工具钢而言，那种切削速度的加工即为“高速切削”。故“高速钢”（high speed steel）得以命名。在高速钢刀具刚刚出现的年代，美国泰勒（Taylor F.W.）工程师做了很多切削加工理论与实践的工作，建立了T-v方程。他在切削技术与产业治理方面都做出了很大的贡献。,50年前的“高速”：,一百年前的“高速”：,在二次世界大战结束后不久，硬质合金刀具开始普遍使用，那时用硬质合金刀具切削普通钢材，可用80100m/min的切削速度。当时称这样的切削速度为“高速切削”。,近半个世纪，机床与刀具有了很大发展，而人类社会对进步生产率又有了新的要求，于是切削速度进一步提高。,由此可见，高速切削的“高速”是一个相对概念。在不同历史时期，对于不同的工件材料、刀具材料和加工方法，高速切削加工应用的切削速度并不相同。自20世纪后期以来，关于界定高速切削，国际上有几种说法：,（1）1978年，国际生产工程研究会（CIRP）切削委员会提出当切削线速度达到5007000m/min的加工为高速切削。（2）对铣削加式而言，主轴转速达到8000r/min以上为高速切削加工。（3）德国达姆施达特（Darmstadt）产业大学以为速度高于（510）倍普通切削速度的切削加工为高速切削。（4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴轴承孔真径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高速切削加工。DN值达到（52000）105mm*r/min时为高速切削加工。,高速加工是指对小尺寸零件从粗加工到精加工进行高生产率加工以及对各种尺寸的零件进行精加工和超精加工时的高生产率加工。,比较实用的定义,二、高速加工的特点,（1）随切削速度进步，单位时间内材料切除率（？）增加，切削加工时间减少，大幅度进步加工效率，降低加工本钱。,（2）在高速切削速度范围，随切削速度的进步，切削力随之减小，根据切削速度进步的幅度，切削力均匀可减少30%以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的加工。,（3）从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的进步使切削系统的工作频率阔别机床低阶固有频率，从而可减轻或消除振动。故高速切削加工可降低已加加工表面粗糙度，进步加工质量。,（4）高速切削加工可加工硬度HRC4565的淬硬钢，实现以切代磨。（5）高速切削时随切削速度的进步，切削温度逐步升高，在低速度段，切削温度增幅较大；在高速度段，切削温度增幅减小。高速切削时切屑带走大部分热量，传进工件的热量很少。,切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%；热变形小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走；材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小。减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（One pass maching）。,总 结,三、高速加工“发展史”,自提出高速切削的概念后，经过半个多世纪的探索和研究，才逐步用于生产。其发展过程经历了以下的几个阶段。,（1）高速切削加工理论研究和探索阶段（19311971年）,高速切削的研究历史，可以追溯到二十世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了传统切削理论对切削热的认识，认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后，切削温度不再随切削速度的增加而增加，反而会随切削速度的增加而降低，即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。,该结论并不正确！,Salomon博士的研究因第二次世界大战而中断。50年代后期开始，高速切削的试验又开始进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。,由于当时还没有高速加工的机床，不能进行很高速度的切削加工实验，于是采用了弹射实验方法。这些实验有的是通过弹射快速滑动带动的刀具经过工件进行切削加工，有的是弹射工件使它经过静止的刀具切削刃进行切削。,（）高速切削加工应用基础研究探索阶段（19721978年）,对铝合金和镍铝青铜合金进行了高速切削加工研究。主要探索高速切削加工用于实际生产的可行性。铣削实验研究表明，高速切削加工可以大幅度降低加工时间，而且由于切削力减小，可以进步加工零件的精度。因此，在生产环境中应用高速切削加工是经济可行的。该研究在实验和生产领域都取得了积极的进展。,（3）高速切削加工应用研究阶段（19791989年）,1979年美国国防高级研究工程局开始一项为期4年的现代加工技术研究计划。该研究结果明确指出：随切削速度进步，切削力降低，切削温度升高至工件材料熔点而没有出现降低情况，改善加工表面粗糙度但要留意加工中的振动；除加工铝合金外，高速切削加工钢、铁及其合金、镍基合金等，刀具均发生严重重损，寿命降低。研究还指出，高速切削加工是经济可行的，等等。19791983年在德国政府研究技术部资助下，由达姆施达特产业大学生产工程与机床研究所（PTW）舒尔茨（Schulz H.）教授领导的研究组开展了一项合作研究，主要研究高速铣削加工过程的特点。1981年研制由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，进行了高速铣削铝合金实验研究，并于19841988年间全面深进系统研究了高速铣削铁族和非铁族材料的基础理论、高速切削刀具和机床技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获得很多有重要价值的成果。这一阶段对高速切削加工理论和技术的卓有成效的研究为该项技术的发展和应用奠定了重要的基础。,（4）高速切削加工技术发展和应用阶段（1990年至21世纪初）,高速切削加工技术经过半个多世纪的理论和应用研究与探索，人们清楚地熟悉到它在制造业的市场竞争日益剧烈中的巨大潜力。进进20世纪90年代以后，各产业发达国家陆续投进到高速切削加工技术的研究、开发与应用中来，尤其是高速切削机床和刀具技术的研究、开发，与之相关的技术也得到迅速发展。1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕。新型电主轴高速切削加工中心不断投进到国际市场。高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高速切削加工技术已从理论研究进进产业应用阶段。高速切削加工技术的发展促进了机床高速化，大大推动了现代数控加工技术的发展。,在这一阶段，高速硬切削加工得到进一步研究、发展和应用。与磨削加工比较，它有很多优越性，在替换磨削加工方面具有很大潜力。高速干切削加工日益受到重视，它对保护环境，减少消耗，降低本钱具有重大作用。,四、国外高速加工发展现状,现在在产业发达国家，高速切削加工技术已成为切削加工的主流，日益广泛地应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车产业中。约有（3050）%的模具公司，用高速切削加工技术，加工放电加工（EDM）电极、淬硬模具型腔等，加工效率高，质量好，减少了后续的手工打磨和抛光工序。在航空与高速机车行业，飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架均为铝合金整体薄壁构件，都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90%，采用高速切削加工技术，加工时间缩短到原来的几分之一。汽车产业的发动机铝合金和铸铁缸体，广泛采用高速切削加工技术，大大地进步效率，降低本钱。目前生产中高速切削加工技术水平大致情况是：粗精加工铝合金的切削速度为10004000m/min，最高达50007500m/min，主要受限于机床主轴最高转速和功率。铸铁可高速精和半精加工，速度为5001500m/min，精铣灰铸铁最高可达2000m/min；切钢可用300800m/min的速度高速精加工；淬硬钢（HRC 45-65）高速精加工，切削速度为100500m/min；钢铁及其合金的最高切削速度主要受刀具寿命限制。铝合金钻孔速度为200300m/min；模数1.5的钢齿轮的滚齿加工速度可达300600m/min；可锻铸铁螺纹(M141.5)的攻丝速度为60m/min。,五、国内高速加工发展现状,尽管我国高速切削加工技术的研究还有待于全面深入，但通过我国科技工作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞的成就，对促进我国高速切削加工技术的发展起到了重大作用。我国高速切削刀具材料已有很大的发展，特别是陶瓷刀具，而且初步具备了开发高速切削刀具的能力但金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具的性能、品种与国外差距很大。高速切削刀具制造技术也相对落后，还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。几乎所有国际知名的工具厂商都在国内设立了或独资或合资企业，除陶瓷刀具外，各种高速、高精度和高可靠性的金刚石、立方氮化硼、TiC(N)基硬质合金(金属陶瓷)和涂层刀具以及刀柄系统80以上由它们提供。目前主要差距是高速切削加工用的高性能刀具材料(包括涂层材料、涂层技术)、刀具制造工艺技术、刀具安全技术等还处于初步阶段，要努力建立我国自己的“高效率、高精度、高可靠性与专用化”刀具研究开发和产业体系。我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为主，依靠进口。,六、高速加工的应用与发展,高速切削发展趋势和未来研究方向归纳起来主要有：(1)新一代高速大功率机床的开发与研制；(2)高速切削动态特性及稳定性的研究；(3)高速切削机理的深入研究；(4)新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究；(5)进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围；(6)开发适用于高速切削加工状态的监控技术；(7)建立高速切削数据库，开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术；(8)基于高速切削工艺，开发推广干式(准干式)切削绿色制造技术；(9)基于高速切削，开发推广高能加工技术。,航空工业-飞机铝合金零件、薄层腹板件等直接高速切削加工，不再铆接。汽车制造-高速加工中心将柔性生产线效率提高到组合机床生产线水平。模具制造-对淬硬钢模具型腔直接加工，省电加工和手工研磨等工序。,高速加工的应用,