【文章內(nèi)容簡介】 ? 加工精度高： 尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度均達到納米級 ? 加工效率高： 超高速切削、磨削技術使效率大大提高 ? 加工材料范圍廣： 超硬材料、超塑材料、高分子材料、復合材料、工程陶瓷等 ? 加工設備先進： 采用 CAD/CAM技術、柔性好、可加工復雜形狀 ? 切削加工低能耗： 切削力為原來的 1/3，能耗低。 （ 1）定義 指采用超硬材料刀具、磨具和高速運動的設備加工零件的現(xiàn)代加工技術。通過極大的提高切削、磨削速度，提高加工質(zhì)量、加工精度和降低成本。 ? 超高速加工的切削速度為普通的切削的 10倍。 鋼為 600m/min，鑄鐵 900 m/min－ 5000m/min， 鋁合金 2023 m/min－ 7500m/min，鈦合金 150 m/min－ 1000m/min，纖維增強材料 2023 m/min－ 9000 m/min ? 各種加工工序的切削速度的范圍： 車削： 700 m/min－ 7000 m/min，銑削 300 m/min－6000 m/min，磨削 150m/s以上，鉆削 200 m/min－1100m/min ? 主軸轉速 日本 FANVC 5500r/min，意大利 FIDIA 7500r/min ? 定位精度達到 － 快進速度 40－60m/min ? 國內(nèi)水平，主軸轉速 10000r/min，快進速度 30 m/min （ 2）超高速加工的應用領域 ? 大批量生產(chǎn) 如汽車 ? 剛度較小的元件 如薄壁（厚度 1mm）零件（航空航天） ? 復雜曲面 磨具 ? 超精密加工 ? 超硬材料，超塑材料 （ 3）使用刀具 PCD、 CBN、 SiN（氮化硅）、涂層刀具、 TiN、 TiAlN（氮化鋁鈦） （ 4）超高速加工單元制造技術 ①、超高速主軸單元制造技術 超高速主軸單元是超高速加工機床的關鍵 部件。包括主軸動力源、主軸軸承和機架四個 部分。涉及的研究內(nèi)容有：主軸材料、結構、 軸承、超高速主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)特性。 柔性主軸及其軸承的彈性支撐技術，潤滑與冷卻。 ? 電主軸部件 電主軸由轉子、軸承、外殼、電機組件和測角系統(tǒng)組成。并配備冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和變頻驅動電氣裝置，形成一個獨立的單元，可以直接裝配到各種加工中心和超高速磨床上，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動。 電動機一般為感應式集成主軸電機。目前開發(fā)出一種使用鈮的永磁電機，其效率高，功率大，扭矩大，易于對使用中產(chǎn)生的溫升在線控制，冷卻簡單，體積小，結構緊湊，所以有可能取代感應式集成主軸電動機。 ? 滾珠軸承高速主軸（轉速達 90000r/min） 高速切削機床上的主軸多數(shù)為滾珠軸承電動主軸，壓力角為 15176。或 25176。的角接觸滾珠軸承，精度為 C級或 B級。潤滑方式為油脂潤滑、油霧潤滑、噴油潤滑。主軸精度取決于軸承。目前，市場上高速主軸的回轉精度可達。 ? 液體靜壓軸承高速主軸（轉速達 30000r/min） 與滾珠軸承相比，徑向剛度較低，軸向剛度高，宜于軸向切削力較大的場合。此外，液體靜壓軸承的油膜阻尼大，動態(tài)剛度高，適合于銑削的斷續(xù)切削過程。特點：運動精度高，回轉誤差小于 ，因而可以提高刀具使用壽命、加工精度和降低表面粗糙度。 ? 空氣靜壓軸承高速主軸 進一步提高主軸轉速和回轉精度。轉速達 100000r/min，回轉精度 50nm，可采用金剛石刀具進行鏡面銑削，加工工件形狀精度和表面粗糙度要求高的場合。 ? 缺點：承載能力低，維護費用高 ? 磁懸浮高速主軸 磁浮主軸的轉子由兩個徑向和兩個軸向軸承支撐，轉子與支撐間隙一般在 。磁浮主軸可采用較大軸徑，因而剛性較大，承載能力強?；剞D精度可達 。（回轉精度取決于主軸內(nèi)的位移傳感器的精度和靈敏度及控制電路的控制精度） ? 優(yōu)點：精度高，轉速高，剛性好 ? 缺點：機械結構復雜，需要一套傳感器和控制 電路，所以價格高，必須有很好的冷卻 系統(tǒng)。 ②超高速加工進給單元制造技術 ? 關鍵技術 超高速加工進給單元是超高速加工機床的重要組成部分。包括：伺服驅動技術、滾動元件技術、檢測單元技術和諸如：防塵、防噪聲、冷卻潤滑、安全等周邊技術。要求能達到高速和瞬間加速及瞬時準停性。 關鍵技術：高速位置環(huán)芯片的研制，高速精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究，直線伺服電機的研制，加減速控制技術，超高速進給系統(tǒng)的優(yōu)化設計、虛擬設計，高精度滾珠絲杠副及大導程滾珠絲杠副的研制，高精度導軌，新型導軌摩擦副的研究等。 ? 超高速進給單元的技術指標 滑臺驅動系統(tǒng)：進給速度達 60m/min 直線電機驅動：進給速度達 200m/min 由于直線電機與滑臺連在一起，無間隙， 慣性小，剛度大而無磨損。通過控制電路可 以實現(xiàn)高速和高精度驅動。 ? 直線電機的特點 （ a）高速響應（系統(tǒng)中取消了一些慣性大的機械傳動 件） （ b）定位精度高（取消了由于絲杠等機構間隙和誤差） （ c）傳動剛度高（由于“直接驅動”，避免了啟動、變速 和換向時系統(tǒng)的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造 成的運動滯后） （ d）速度快、加減速過程短：直線電機最早用于磁懸 浮列車（時速 500km/h）可獲得高的加速度，一 般可達 2g－ 10g。一般滾珠絲杠最大加速度只有 － 。 （ e）行程長度不受限制 （ f ）噪聲低（取消了絲杠等傳動） （ g）效率高（無中間傳動環(huán)節(jié)） ③ 超高速加工刀具和磨具 PCD、 CBN、 Si3N涂層刀具、 TiN、TiAlN等 （ 1） 概述 超精密加工指尺寸精度 ～， Ra： ～ ，包括：金剛石刀具超精密車削、超精密磨料加工、超精密特種加工和復合加工、超精密測量。目前，正在朝納米級工藝水平發(fā)展。 加工對象：激光聚焦腔、高密度磁盤、磁鼓、 雷達、陀螺、 IC相關技術 加工技術：方法和機理 材料技術：工具材料和工件材料 加工設備：精度、剛度、穩(wěn)定性、自動化 測量及誤差補償技術： 環(huán)境：溫度 1℃ ～ ℃ 甚至 ℃ 濕度 55～ 60％，潔凈度 1000級～ 100級 100指每立方英尺空氣中大于 埃 ≤100個 （ 2）超精密切削加工 ? 超精密銑床 關鍵部件：高精度主軸、低摩擦高平穩(wěn)性滑臺。主軸采用氣體靜壓支撐，滑臺采用氣體靜壓系統(tǒng)支撐 ? 超精密金剛石車床 主軸采用氣體靜壓軸承，軸向和徑向運動誤差 ≤50nm，滑臺采用高剛性、高阻尼和高穩(wěn)定性的液體靜壓支撐。 （ 3）超精密磨削和磨料加工 ? 超精密砂輪磨削技術： 加工精度 ，表面粗糙度 砂輪， CBN磨料，砂輪線速度 60m/s以上， 工件 進給速度 5m/min以上 ? 超精密砂帶磨削技術： 切削速度 35m/min，表面粗糙度 ? 雙端面精密磨削技術： 為平面磨削，工件既公轉又自傳，磨料粒度 3000～ 8000，用于磁盤基片等零件的超精密加 工。 ? 電泳磨削技術 電泳：帶電粒子在電場中向與自身帶電相反的電極運動的現(xiàn)象。 機理：在加工過程中，磨粒在電場力的作用下向磨具表面運動，并在磨具表面沉積形成一層細磨粒吸附層，利用該吸附層對工件進行磨削加工，同時新的磨粒又不斷補充，使磨粒微刃保持鋒利。如果磨粒表面凹凸不平，凹陷處電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而保證沉積層平整。 ? 超精密研磨與拋光技術 （ a）超精密研磨技術 精度 ， Ra≤ 用于：塊規(guī)、球面空氣軸承、半導體硅 片、光學鏡頭。 （ b）電解研磨（電化學機械） （ 4）超精密特種加工 激光、電子束、離子束（三束）、 微細 EDM，用于 IC芯片刻線， 線芯。 Ⅰ 電化學加工技術 －陽極溶解原理 NaCl＝ Na＋ ＋ Cl－ H2O＝ H++OH－ 陽極可能發(fā)生的電化學反應 若陽極為 Fe，在外電源的作用下 放出 3個（或 2個）電子，形成三價 或二價的鐵離子 Fe2e Fe2＋ E= Fe3e Fe3＋ E= 4OH－ － 4e＝ O2 E= 2Cl－ － 2e＝ Cl2 E= 根據(jù)電極反應的基本原理，電極電位最負的物質(zhì)首先在陽極反應。因此，在陽極首先 Fe2＋ 溶解，最大可能出現(xiàn) Fe3＋ 。 Fe2＋ 與 OH－ 化合形成氧化亞鐵（綠色絮狀物） Fe2＋ ＋ 2OH－ ＝ Fe(OH)2 Fe(OH)2被空氣中的 O2氧化成氫氧化鐵黃褐色沉淀物 4Fe(OH)2＋ 2H2O＋ O2＝ 4Fe(OH)3 陰極上可能發(fā)生的反應 2H＋ ＋ 2e H2 E= Na＋ ＋ e Na E= 據(jù)電極反應原理，在陰極上電極電位最高的物質(zhì)先反應，因此，在陰極上全析出氫氣 。 電化學加工原理圖 1－直流電源 9－ 24V 2－工具陰極 3－工具陽極 4－電解液泵 5－電解液 c. 應用 ? 槍炮的來復線 ? 飛機發(fā)動機葉片 d. 電化學拋光 ? 原理：陽極溶解 ? 用途：表面光整加工 電極與工件距離幾十到幾百毫米，電流密度小，表面微觀不平引起電場畸變，凸凹處電力線密度大場強大首先溶解，達到表面平整的目的。 ? 關鍵：電解液的配方，電參數(shù)，溫度。 e. 電化學機械光整加工 原理：陽極溶解＋機械切削 使用鈍性電解液 NaNO3 陽極溶解后會在工件上形 成鈍化膜，阻止進一步溶 解砂條用機械力刮掉鈍化 膜，露出新鮮金屬，促使 進一步陽極溶解。 電化學機械拋光軋輥 f. ELID磨削 砂輪在線修整工藝 Ⅱ 超聲波加工 a. 原理 利用工具端面做超聲振動，通過磨料懸浮工作液加工硬脆材料 超聲波 ，縱波。 組成：（ 1）電源：提供高變電壓的能量 （ 2）換能器：將交變電壓變換成機械振動 （ 3）變幅桿：將換能器輸出的振動放大到振 幅，振幅 － （ 4）工具：鈦合金 （ 5）磨粒懸浮工作液 （ 6）工件：硬脆材料，玻璃陶瓷等 超聲波機床 b. 關鍵技術 ：變幅桿 ? 不導電的硬脆材料加工，微細加工 ? 超聲波焊接，食品，醫(yī)藥，塑料制品 ? 超聲波復合加工：超聲波車削、磨削、