机械与制造科学教学讲义先进加工制造工艺与装备.doc
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1、机械与制造科学/国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 北京:科学出版社,2006第十一章 先进加工制造工艺与装备11.0引言11.1高速、高效切削加工工艺及装备11.1-1高效、高速切削加工工艺及装备的科学内涵11.12高速、高效切削加工工艺及装备的国内外研究及其应用综述11.13高速、高效切削加工工艺及装备领域存在的突出问题11.14建议“十一五”期间基金优先资助的课题和专题11.14.1 高速、高效切削加工基本理论11.14.2 高速切削加工工具系统的安全设计和制造11.14.3 高效、高速切削加工工艺11.14.4高速切削加工的智能检测与监控传感器与仪器11.14.5 高效、高速加工机
2、床及关键零部件设计与制造技术11.2 精密/超精密加工及其装备11.2-1精密/超精密切削加工及其装备 11.21.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务 11.21.2该领域的国内外研究现状和发展趋势11.21.3本领域和学科“十一五”优先资助建议11.21.4策略措施和建议11.2-2精密/超精密磨料加工(含磨削、研磨、抛光等)及其装备11.22.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务11.22.2该领域的国内外研究现状和发展趋势11.22.3本领域和学科“十一五”优先资助建议11.3特种加工11.3-1电加工11.31.1特种加工的内涵与主要研究领域11.31.2 电加工的研
3、究现状与发展趋势11.31.3本专题优先发展方向建议11.31.4政策措施与建议11.3-2激光加工概况11.3-3复合加工及其它11.33.1该领域的科学内涵及结构体系、研究范围和任务11.33.2该领域的国内外研究现状和发展趋势11.33.3本领域和学科“十一五”优先资助建议11.33.4策略措施和建议11.4纳米结构微小尺度零件制造的国外研究现状和未来的重点研究方向11.1高速、高效切削加工工艺及装备高速切削加工的理念从20世纪初提出以来,经历近70年的理论与实验研究和探索以及刀具和机床技术的研究与发展,直至近年来,随着材料、信息、微电子、计算机等现代科学技术的迅速发展,大功率高速主轴单
4、元、高性能伺服控制系统和超硬耐磨和耐热刀具材料等关键技术的解决和进步,从而使得高速切削加工技术在德、美、日等工业发达国家迅速发展,其最突出的优点是高的生产效率和加工精度与表面质量,并降低生产成本。它已成为先进制造技术的一项全新的共性基础技术,是切削加工技术的发展方向,已在航空、汽车、模具等制造业中广泛应用,取得了重大的经济效益,对提高切削加工技术的水平,推动机械制造技术的进步具有深远的意义。11.1-1高速、高效切削加工工艺及装备的科学内涵高速、高效切削加工的主要目的是提高生产效率和降低成本。它包括高速切削加工、高进给切削加工、大余量切削和高效复合切削加工等,其中高进给切削加工和大余量切削加工
5、等称之为高性能切削加工。高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念,不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料,高速切削加工时应用的切削速度并不相同,图1是根据目前实际情况和可能的发展给出的不同工件材料的大致切削速度范围。图1 不同工件材料大致的切削速度范围高速切削加工技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、机床设计制造技术、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测试技术、高速切削加工理论、高速切削加工工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上综合而成的,是诸多单元技术集成的一项综合技术,如图
6、2所示。其中高速主轴系统、快速进给系统、CNC控制系统、高速切削刀具材料、刀具结构和刀柄系统以及高速切削加工安全防护与监控技术等为其最重要的关键技术。它对高速切削加工技术的发展和应用,起着决定性的作用。高速切削加工的优越性主要表现为:(1) 随切削速度提高,单位时间内材料切除率增加,切削加工时间减少,大幅度提高加工效率,降低加工成本。(2) 在高速切削加工范围,随切削速度提高,切削力随之减少,根据切削速度提高的幅度,切削力平均可减少30以上,有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。(3) 高速切削加工时,切屑以很高的速度排出,带走大量的切削热,切削速度提高愈大,带走的热量愈多,大致在90以上,传
7、给工件的热量大幅度减少,有利于减少加工零件的内应力和热变形,提高加工精度。(4) 从动力学的角度,高速切削加工过程中,随切削速度的提高,切削力降低,而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源;转速的提高,使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感,因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。图2 高速切削加工技术的研究体系高速切削加工是大幅度地提高切削速度以提高生产效率。也可以通过改进刀具结构和几何形状,优化切削截面,提高机床动态稳定性,不是提高切削速度,而是加大切削进给,采用高进给或切除大余量等高性能切削加工以达到高效切削加工,达到大幅度提高生产效率
8、的目的。一般而言,高速切削加工工艺及装备的研究范围和任务包括:(1) 高速切削加工理论高速切削加工过程的热、力耦合不均匀强应力场中的能量转换机制、切削变形规律、切削加工过程中的切削力学与热学行为、热、力耦合不均匀强场模型、刀具与工件之间的摩擦学行为及其与刀具磨损、破损规律和刀具寿命之间的关系、加工表面质量的形成机理和加工精度及其与切削条件之间的关系、机床刀具工件夹具高速切削系统的动力学特性与稳定性及其对加工变形以及直接影响刀具寿命和加工表面质量的影响规律等。(2) 高速机床零部件的关键技术高速电主轴、高速精密轴承、高速进给系统(直线电机、直线滚动导轨、控制系统)和高速切削加工工具系统是高速机床
9、的关键零部件,直接决定高速机床的性能。(3) 高速切削加工的检测与监控技术高速切削加工过程的故障与安全检测和监控技术。11.12 高速、高效切削加工工艺及装备的国内外研究及其应用综述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,人们清楚的认识到它在制造业的市场竞争日益剧烈中的巨大潜力,进入二十世纪九十年代以后,各工业发达国家陆续投入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,进给技术进一步提高,1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕。快速换刀和装卸工件的结构日益完善,自动新型电主轴高速切削加工中心不断投放到国际
10、市场。高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴联结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入工业应用阶段。高速切削加工技术的发展促进了机床高速化,2001年北京国际机床展览会(CIMT2001)上机床最高主轴转速从上届(1999年)800012000rpm普遍提高到1500020000rpm。现在加工中心主轴转速一般为1500030000rpm,快进速度为3060m/min,换刀时间为35s。齿轮机床的主轴最高转速也已提高到900012000rpm。目前已有主轴最高转速达150000rpm,快速进给达120m/min,换刀时间为0.71.5s的不同的加工中心。高速切削刀具材料
11、技术发展也很快,主要是金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具碳化钛氮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品种、性能的很大增加和提高,许多适应高速切削刀具的结构不断出现,促进高速切削加工技术的进步和应用。最近十多年来,高速切削加工理论基础研究进一步深入,取得新的进展,主要是锯齿状切屑的形成机理,极高速切削加工钛合金时切屑的形成机理,机床结构动态特性及切削颤振的避免,多种刀具材料加工不同工件材料时的刀具前刀面、后刀面和加工表面的温度以及高速切削时切屑、刀具和工件切削热量的分配,进一步证实大部分切削热被切屑所带走。切削温度的试验研究表明:现有的刀具材料高速切
12、削加工时,不论是连续或断续切削均未出现Salomon理论中的“死区”。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,在替代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,降低成本具有重大作用。研究表明,高速干切削加工铸铁、钢、铝合金,甚至超级合金和钛都是可能的,但要根据工件材料特性,要合理设计切削条件,它还在研究和发展之中。高速切削加工技术已成为切削加工的主流,日益广泛的应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等,并取得巨大经济效益。模具制造工业中,德国、日本、美国等大约有3050的模具公司,用高速切削加工技术,加工EDM
13、电极、淬硬模具型腔、塑料和铝合金模型等,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。汽车工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,大大地提高效率,降低成本。我国高速切削加工技术研究起步较晚,二十世纪八十年代初期,原山东工业大学切削加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究,比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削(车和端铣)的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量以及刀具几何形状等,
14、工件材料包括45#钢、T10A钢、高速钢、轴承钢、模具钢、渗炭淬硬齿轮钢等,淬硬HRC5065,切削速度为100500m/min,建立了有关切削力、切削温度模型、刀具磨损与破损理论、加工表面质量变化规律等。该研究成果1986年在生产中推广应用至今。二十世纪九十年代后,该校先后相继研究了模具高速切削加工技术与策略,涂层刀具与PCBN刀具和陶瓷刀具等高速切削铸铁和钢的切削力、刀具磨损寿命、加工表面粗糙度以及高速切削数据库技术以及高速切削工具系统的安全设计等。北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命与切削力,沈阳工业学院和重庆大学研究了高速切削机理,天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削和切屑形成机理,
15、上海交通大学与有关工厂研究了钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制、铝合金高速铣削表面的温度动态变化规律、硅铝合金高速钻削和铣削数据库等,广东工业大学研究了高速主轴系统和快速进给系统,南京航空航天大学研究了钛合金和高温合金的高速切削,东北大学研究了高速磨削技术,成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化等。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。 “九五”期间我国高速、高效、高精度数控机床技术指标有了大幅度的提高,加工中心主轴转速普遍提高
16、到8000rpm,最高可达12000rpm,数控车床提高到40006000rpm,快速进给速度提高到30m/min,最高达40m/min,加工中心换刀时间减少到1.53s。目前主要差距在于机床关键功能部件的研究开发落后于市场需求,如转速20000rpm以上的大功率刚性主轴、无刷环形扭矩电机、大行程直线电机、快速响应数控系统等技术尚未掌握。各工业部门所需的高速加工中心基本上还是依赖进口,并已从国外引进了相当数量的高速加工中心。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
17、金刀具的性能、质量、精度、寿命、品种与国外差距很大,高速切削刀具制造技术相对落后,还没有形成自己特色的高速切削刀具制造体系。国内超细晶粒硬质合金刀具和高性能高速钢刀具牌号少,专用牌号几乎没有,可转位刀片的槽型与模具的开发能力低,涂层技术也远远落后于国外工具厂,目前尚无TiC(N)商业牌号,更谈不上TiAlN、MoS2等新型涂层和纳米级涂层。国内应用最多的还是普通高速钢刀具和通用硬质合金刀具。几乎所有国际知名的工具厂商(如:Sandvik, Kennametal, Walter, Seco, Widia, Iscarmill, Mitsubishi, Igetalloy, Carboloy等)都
18、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,占领了中国数控刀具90%以上的市场份额。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。采用PCBN、Si3N4基陶瓷、Ti基金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工高强度铸铁件,铣削速度达
19、2200m/min;采用PCD、超细硬质合金刀具加工硅铝合金铸件,铣削速度为2200m/min,钻、铰削速度达80240m/min;采用Si3N4基陶瓷、Ti基金属陶瓷、TiCN涂层刀具加工精锻结构钢件,车削速度达200m/min;采用Co粉末冶金高速钢(表面TiCN涂层)整体拉刀、滚刀、剃齿刀以及硬质合金机夹专用拉刀加工各种精锻钢件、铸铁件,拉削速度1025m/min,滚齿速度110m/min,剃齿速度170m/min,大大提高了生产效率和加工精度。近年来,我国航空、汽车、模具等制造行业引进了大量加工中心和数控镗铣床,都不同程度地开始推广应用高速切削加工技术,其中模具行业和航空工业应用较多。
20、11.13高速、高效切削加工工艺及装备领域存在的突出问题迄今,在高速、高效切削加工工艺及装备领域进行了大量卓有成就的研究,具有巨大的发展潜力,在应用上,国外已成为切削加工的主流。我国高速、高效切削加工工艺及装备发展和应用起步较晚,与国外差距较大,目前主要在汽车、航天、航空、模具、动力机械等行业有一定的应用,取得很大效益。其中以上世纪80年代一进的多条轿车数控自动线,在应用高速、高效切削加工工艺及装备最为突出。但从整个机械制造业来看,目前仍然是较低速的普通切削加工为主,加工效率普遍较低。主要差距是高速切削加工变形理论、高速切削加工的零件毛坯成形工艺的优化、高性能高速刀具材料(包括涂层技术)的研究
21、开发、高速刀具(包括刀柄、刀具结构、复合加工刀具等)安全设计(包括动平衡和安全标准)理论、制造工艺和合理使用、高速机床大功率高刚性电主轴(20000rpm以上)、高速大行程的直线电机、快速响应数控系统以及高速切削加工的监控等研究处于初级阶段,有的在实用上几近处于空白。从国内外的整体研究和应用情况看,存在几个突出的问题:(1) 刀具的磨损、破损和寿命限制了高速、高效切削加工的发展和应用现有高速切削刀具材料加工铝及铝合金等有色金属可以取得较好的效果。但进一步提高加工效率,主要受限于高速机床的主轴转数和功率。加工钢、铁及其合金的高速、高效切削加工主要受限于刀具寿命。关于高速切削加工刀具磨损、破损机理
22、和刀具寿命虽有一定研究,但没有从高速、高效切削过程中的高速切削摩擦学行为深入系统研究刀具的磨损、破损规律和机理及其与切削条件之间的关系。主要是在高速、高效切削过程中的大应变速率的高速切削变形和高速摩擦学行为所形成的热、力耦合的不均匀强应力场作用下的刀具磨损与破损损坏,特别是新型金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和超细颗粒硬质合金等刀具高速、高效切削时的高速切削摩擦学研究很少,尤其是高速切削超级合金的高速摩擦学和刀具损坏机理,几乎是空白;因而没有建立研究开发和合理设计与选择高速切削刀具与刀具材料的基础理论,限制了高速、高效切削加工技术的进一步发展和推广应用。(2)难加工材料高速切削加工困难很
23、大高温合金、钛合金、高强钢铁合金、耐腐蚀钢铁合金和高硬耐磨合金铸铁等难加工材料的应用日益增加,它们的高速、高效加工仍然是一个困难的问题。现有刀具材料加工的效率普遍较低,刀具寿命短,材料耗费严重。国内外系统深入研究高速、高效切削加工这类合金的切削变形和切削摩擦学理论及热、力耦合产生不均匀强应力场的形成及其对刀具损坏与刀具寿命和刀具材料开发的影响等很少。没有建立设计高速、高效切削加工这类合金的刀具材料的基本理论,能用于高速切削加工的刀具材料很少。(3)高速切削加工的表面质量研究很少高速、高效切削加工时,加工表面粗糙度研究较多,但高速、高效切削加工时造成热、力耦合不均匀强应力场作用下形成的零件表面过
24、程和表面质量(包括表面粗糙度、表面硬化和表面残余应力等)的机理以及加工尺寸精度(加工变形造成的影响)的全面系统研究很少,因而还没有建立有效控制高速、高效控制加工表面质量和加工精度的理论基础。(4) 高速、高效切削加工的动力学与稳定性的研究满足不了要求国内外进行了大量研究,取得诸多理论成果,但由于多数研究对高速、高效切削过程中的机床刀具工件夹具复杂多自由度系统建模时的简化,高速切削时产生的离心力、陀螺效应等考虑不足等,研究的结果与实际应用相差较大;同时目前高速切削时,而这些稳定性是在部分特定刀具、工件材料和工况下的稳定图,适用范围和预报准确性受到限制。因此,现有的诸多高速切削动力学与稳定性研究成
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