【正文】 測(cè)量精度目前可達(dá) 。q 激光測(cè)量 激光測(cè)量激光測(cè)量115受射透鏡平行光管透鏡邊緣傳感閘門(mén)電路計(jì)數(shù)器 顯示圖震蕩器伺服系統(tǒng)掃描鏡工件測(cè)定區(qū) 光檢測(cè)器激光發(fā)生器★★ 采用平行光管透鏡將激光準(zhǔn)確地調(diào)整到多角形旋轉(zhuǎn)掃描鏡上聚焦。通過(guò)激光掃描被測(cè)工件兩端，根據(jù)掃描鏡旋轉(zhuǎn)角、掃描鏡旋轉(zhuǎn)速度，透鏡焦距等數(shù)據(jù)計(jì)算出被測(cè)工件的尺寸。 圖 316 激光掃描尺寸計(jì)量系統(tǒng)216。 激光高速掃描尺寸計(jì)量系統(tǒng)（圖 316） 激光測(cè)量激光測(cè)量116216。 雙頻激光測(cè)量 （圖 733）固定反射棱鏡圖 317 雙頻激光測(cè)量系統(tǒng)原理圖干涉測(cè)量?jī)xf2 +Δf2f1氦氖激光器軸向強(qiáng)磁場(chǎng)N S1/4波片 分光鏡透鏡組f1 f2 f1 f2移動(dòng)反射棱鏡f2f2 +Δf2偏振分光鏡f1 f1Δf Δf +Δf2由于移動(dòng)反射棱鏡隨被測(cè)件移動(dòng)，頻率 f2變成 f2177。Δf2 。兩路反射回來(lái)的光經(jīng)偏振分光鏡匯合一起，再經(jīng)反射鏡和干涉測(cè)量?jī)x獲得拍頻信號(hào)，其頻率為：f1－（ f2177。 Δf2 ） = Δf + Δf2 經(jīng)分光鏡，折射一小部分，經(jīng)干涉測(cè)量?jī)x獲得拍頻 Δf（ = f1 － f2）的參考信號(hào)。大部分激光到偏振分光鏡：垂直線(xiàn)偏振光 f1被反射，再經(jīng)固定反射棱鏡反射回來(lái)；水平線(xiàn)偏振光 f2全部透射，再經(jīng)移動(dòng)反射棱鏡反射回來(lái)。該信號(hào)與參考信號(hào)比較， 獲得 177。Δf2 的具有長(zhǎng)度單位當(dāng)量的電信號(hào)。由于使用頻率差 Δf 進(jìn)行測(cè)量，使其不受環(huán)境變化影響，可獲得高的測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性。氦氖激光器發(fā)出的激光，在軸向強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生頻率 f1和f2旋向相反的圓偏振光，經(jīng) 1/4波片形成頻率 f1的垂直線(xiàn)偏振光和頻率 f2的水平線(xiàn)偏振光。經(jīng)透鏡組成平行光束。 激光測(cè)量激光測(cè)量117圖 318 雙頻激光測(cè)量系統(tǒng) 激光測(cè)量激光測(cè)量118◆◆ 恒溫恒溫 ———— 要求 ： 177。1℃ ～ 177。℃ 實(shí)現(xiàn)方法 ：大、小恒溫間 +局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）◆◆ 恒濕恒濕 ———— 要求 ：相對(duì)濕度 35% ～ 45% ，波動(dòng) 177。10% ～ 177。1% 實(shí)現(xiàn)方法 ：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) ◆◆ 凈化凈化 ———— 要求 ： 10000～ 100級(jí)（ 100級(jí)系指每立方英尺空氣中所含大于 100） 實(shí)現(xiàn)方法 ：采用空氣過(guò)濾器，送入潔凈空氣◆◆ 隔振隔振 ———— 要求 ：消除內(nèi)部、隔絕外部振動(dòng)干擾 實(shí)現(xiàn)方法 ：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器 q 精密與超精密加工環(huán)境 超精密加工環(huán)境超精密加工環(huán)境高速高速 加工技術(shù)加工技術(shù) 119120第第 3章章 先進(jìn)制造工藝先進(jìn)制造工藝Advanced Manufacturing Process課程課程 “先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù) ” 高速高速 加工技術(shù)加工技術(shù)High Speed Machining Technology 高速加工技術(shù)概述高速加工技術(shù)概述? 機(jī)械制造四大發(fā)展方向u高速加工技術(shù)高速加工技術(shù)u精密和超精密加工技術(shù)精密和超精密加工技術(shù)u高能束加工技術(shù)高能束加工技術(shù)u制造自動(dòng)化技術(shù)制造自動(dòng)化技術(shù)121122 高速加工技術(shù)概述高速加工技術(shù)概述216。1978年， CIRP(國(guó)際生產(chǎn)工程協(xié)會(huì) )提出以線(xiàn)速度為500~7000m/min的切削為高速切削。216。 ISO1940標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速高于 8000rev/min為高速切削。216。 德國(guó) Darmstadt工業(yè)大學(xué)提出以高于 5~10倍普通切削速度的切削定義為高速切削。216。主軸軸承孔直徑與主軸最大轉(zhuǎn)速乘積達(dá)(5~2023)105mmrev/min 高速加工技術(shù)定義高速加工技術(shù)定義123216。高速切削不能簡(jiǎn)單地用某一具體的切削速度值來(lái)定義，對(duì)高速切削不能簡(jiǎn)單地用某一具體的切削速度值來(lái)定義，對(duì)于不同的于不同的 工件材料工件材料 ，其高速切削的速度范圍是不同的?？?，其高速切削的速度范圍是不同的?？紤]到目前的生產(chǎn)實(shí)際，不同工件材料切削速度范圍的劃分慮到目前的生產(chǎn)實(shí)際，不同工件材料切削速度范圍的劃分如圖如圖 31所示。所示。 高速加工技術(shù)概述高速加工技術(shù)概述124 高速加工技術(shù)概述高速加工技術(shù)概述不同加工工藝的高速 /超高速切削速度范圍加工工藝 切削速度范圍/(m/min)車(chē) 700~7000銑 300~6000鉆 200~1100拉 30~75鉸 20~500鋸 50~500磨 5000~10000各種材料高速 /超高速切削速度范圍加工材料 切削速度范圍/(m/min)鋁合金 2023~7500銅合金 900~5000鋼 600~3000鑄鐵 800~3000耐熱合金 500以上鈦合金 150~1000纖維增強(qiáng)塑料 2023~9000125216。薩洛蒙曲線(xiàn)薩洛蒙曲線(xiàn) 1931年 4月德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙 (Carl Salomon)曾根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，即人們常提及的著名的 “薩洛蒙曲線(xiàn) ”(圖 32)，提出了超高速切削的理論。超高速切削理論的誕生超高速切削理論的誕生 超高速加工的機(jī)理超高速加工的機(jī)理 圖 32 切削速度和切削溫度關(guān)系曲線(xiàn) 126127216。超高速切削的概念超高速切削的概念 超高速切削的概念可用圖 33表示。薩洛蒙指出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi) (圖 33中 A區(qū) )，切削溫度隨切削速度的增大而升高。但是，當(dāng)切削速度增大到某一數(shù)值 vc之后，切削速度再增加，切削溫度反而降低。圖 33中 B區(qū)在美國(guó)被稱(chēng)為 “死谷 ”(Dead valley)。如果能越過(guò)這個(gè) “死谷 ”而在超高速區(qū) (圖 33中 C區(qū) )進(jìn)行加工，則有可能用現(xiàn)有刀具進(jìn)行超高速切削。圖 33 超高速切削概念示意圖 超高速加工的機(jī)理超高速加工的機(jī)理 128 高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 彈道切削試驗(yàn) 得出結(jié)論為：隨切削速度提高，塑性材料的切屑形態(tài)將從帶狀或片狀向 碎屑 狀演變，單位切削力初期呈上升趨勢(shì)，而后急劇下降，超高速條件下刀具磨損比普通速度下減少 95% ，且?guī)缀醪皇芮邢魉俣鹊挠绊?，金屬切除效率可提?50~1000倍。而美國(guó)空軍和海軍的超高速銑削實(shí)驗(yàn)研究表明，銑削力減少 70% ，成功實(shí)現(xiàn)了厚度為 ，刀具磨損主要取決于刀具材料的 導(dǎo)熱性 。日本人的超高速切削試驗(yàn)結(jié)果表明，超高速下切屑的形成完全是 剪切作用 的結(jié)果，隨著切削速度的提高，剪切角急劇增大，工件材料的變質(zhì)層厚度與普通速度下相比降低了 50% ，加工表面殘余應(yīng)力及塑性區(qū)深度可分別減少 90~95%和 85~90% 。129216。切削力小，切削溫度低。切削力小，切削溫度低。 和常規(guī)切削加工相比，高速切削加工切削力至少可降低 30％，這對(duì)于加工剛性較差的零件 (如細(xì)長(zhǎng)軸、薄壁件 )來(lái)說(shuō)，可減少加工變形，提高零件加工精度。同時(shí)，采用超高速切削，單位功率材料切除率可提高 40％以上，有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命，通常刀具壽命可提高約 70％ 。216。工件熱變形減少。工件熱變形減少。 95％以上的切削熱來(lái)不及傳給工件，而被切屑迅速帶走，零件不會(huì)由于溫升導(dǎo)致彎翹或膨脹變形。因而，超高速切削特別適合于加工容易發(fā)生 熱變形 的零件。216。加工效率高。加工效率高。 超高速切削加工比常規(guī)切削加工的切削速度高5～ 10倍，進(jìn)給速度隨切削速度的提高也可相應(yīng)提高 5～ 10倍，這樣，單位時(shí)間材料切除率可提高 3—6 倍，因而零件加工時(shí)間通常可縮減到原來(lái)的 1／ 3 。 高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)130216。加工精度高、加工質(zhì)量好。加工精度高、加工質(zhì)量好。 由于超高速切削加工的切削力和切削熱影響小，使刀具和工件的變形小，工件表面的殘余應(yīng)力小，保持了尺寸的精確性。同時(shí)，由于切屑被飛快地切離工件，可以使工件達(dá)到較好的表面質(zhì)量 。 216。加工過(guò)程穩(wěn)定。加工過(guò)程穩(wěn)定。 超高速旋轉(zhuǎn)刀具切削加工時(shí)的激振頻率高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 “機(jī)床一工件一刀具 ”系統(tǒng)的固有頻率范圍，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)振動(dòng)，使加工過(guò)程平穩(wěn)，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量。216。加工成本降低加工成本降低216?？蓪?shí)現(xiàn)綠色制造。可實(shí)現(xiàn)綠色制造。 高速加工通常采用干切削方式，使用壓縮空氣進(jìn)行冷卻，無(wú)需切削液及其設(shè)備，從而降低了成本，是綠色制造技術(shù)。 高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)131高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域高速切削的應(yīng)用領(lǐng)域★★ 汽車(chē)工業(yè)（ 發(fā)動(dòng)機(jī) , 齒輪箱） ★★ 航空航天工業(yè)（ 整體結(jié)構(gòu)件、框體、薄壁件 ）★★ 模具工具制造（ 鋼及鑄件的半精 /精加工 ）★★ 難加工材料（ 陶瓷、復(fù)合材料、鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼 ）★★ 超精密微細(xì)切削加工（ 精密零件，群孔 ） 高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高速加工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)鋁制磁通補(bǔ)償器尺寸 : 80 x 100 x 40mmq 技術(shù)數(shù)據(jù) :粗銑 : 8 min精銑 : 11 min銑方孔 : 3 min剛性攻絲 :1 min總加工時(shí)間 :23 min總費(fèi)用 : 約 60 US$采用鑄模法的預(yù)算鑄模費(fèi)用 : ?5000 US$鑄造費(fèi)用 : ?20 US$加工費(fèi)用 : ?10 US$高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)132高速切削機(jī)床高速切削機(jī)床★★ 高速切削對(duì)機(jī)床的特殊要求 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)216。主軸轉(zhuǎn)速高，輸出功率大： 常規(guī)機(jī)床轉(zhuǎn)速一般為2023r/min，而高速切削機(jī)床則為 10000100000 r/min；主軸電動(dòng)機(jī)功率為 1580kW216。進(jìn)給速度高： 約為常規(guī)機(jī)床的 10倍（ 60100 m/min ）216。主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的加速度高： 從啟動(dòng)到達(dá)到最高轉(zhuǎn)速要在 12s內(nèi)完成，工作臺(tái)的加、減速度有常規(guī)的 12g。216。機(jī)床靜、動(dòng)態(tài)特性好： 除具有足夠的靜剛度外，還必須有很高的動(dòng)剛度和熱剛度216。其它功能部件性能高： 快速換刀、快速工作臺(tái)交換、快速排屑裝置、安全保護(hù)、檢測(cè)裝置133高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù) 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)134 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù) Control Technology Machine ToolsToolingMachining TechniquesMachine CommunicationsToolpathCAM SystemMold DieCAD System Key Elements ofHigh Speed Machining135 高速主軸部件的性能直接決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍， 是高速機(jī)床的核心部件 。高速主軸一般做成 電主軸 (數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù) )的結(jié)構(gòu)形式，其關(guān)鍵技術(shù)包括：高速主軸軸承、無(wú)外殼主軸電動(dòng)機(jī)及其控制模塊、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口、刀具夾緊方式和刀具動(dòng)平衡等。普通機(jī)床主軸 ：電動(dòng)機(jī)到主軸的中間傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、對(duì)運(yùn)動(dòng)指令的反應(yīng)滯后、噪聲污染嚴(yán)重高速機(jī)床電主軸 ：電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸合而為一，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度為零；主軸運(yùn)動(dòng)靈敏度、運(yùn)動(dòng)精度和工作可靠性高；可從機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來(lái)做成主軸單元瑞士： IBAG, FISHER德國(guó)： GMN,FAG冷卻移動(dòng)軸承固定軸承高速主軸單元高速主軸單元 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)136陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸 陶瓷球軸承冷卻水出口冷卻水入口高速主軸單元高速主軸單元 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)137高速直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)高速直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng) 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)★★ 普通 NC機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)： 滾珠絲杠副 +旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)絲杠扭轉(zhuǎn)剛度低，限制了運(yùn)動(dòng)速度和加速度的提高；進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，各環(huán)節(jié)誤差相疊加會(huì)形成較大的綜合傳動(dòng)誤差和非線(xiàn)性誤差，影響加工精度；機(jī)械傳動(dòng)存在鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械噪聲大、傳動(dòng)效率低、磨損快。★★ 高速進(jìn)給系統(tǒng)： 高速滾珠絲杠螺母 +旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)采用大導(dǎo)程、多頭高速滾珠絲杠，并進(jìn)行預(yù)拉伸，提高絲杠的剛度；采用小直徑氮化硅陶瓷球滾珠，減少其運(yùn)動(dòng)時(shí)的離心力和陀螺力矩；絲杠采用中空結(jié)構(gòu)，并采用空心強(qiáng)冷卻技術(shù)以減少高速滾珠絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲杠熱變形；采用傳感器對(duì)螺母的預(yù)緊力進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺母預(yù)加載荷的自適應(yīng)控制；絲杠和螺母副的制造難度較大，速度和加速度存在一定的非線(xiàn)性特征，全閉環(huán)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性不易得到保證?！铩?直線(xiàn)電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)： 直線(xiàn)電機(jī)作為進(jìn)給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度為零；不受離心力的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，容易實(shí)現(xiàn)很高的進(jìn)給速度（ 80180m/min）和加速度（ 210g重力加速度）；動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)動(dòng)精度高（ ）、運(yùn)動(dòng)行程不影響系統(tǒng)的剛度；無(wú)機(jī)械磨損。138高速加工對(duì)高速加工對(duì) CNC系統(tǒng)的要求系統(tǒng)的要求 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)★ 數(shù)