【正文】 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)字主軸。★★ 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性特征，全閉環(huán)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性不易得到保證。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。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。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。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。 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)?？蓪?shí)現(xiàn)綠色制造。216。加工過(guò)程穩(wěn)定。 216。 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。加工精度高、加工質(zhì)量好。 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?？煽s減到原來(lái)的 1／ 3 。加工效率高。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。工件熱變形減少。216。 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。切削力小，切削溫度低。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% 。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懀饘偾谐士商岣?50~1000倍。圖 33中 B區(qū)在美國(guó)被稱為 “死谷 ”(Dead valley)。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。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 126127216。 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 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?？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。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。主軸軸承孔直徑與主軸最大轉(zhuǎn)速乘積達(dá)(5~2023)105mm 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。 ISO1940標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速高于 8000rev/min為高速切削。1978年， CIRP(國(guó)際生產(chǎn)工程協(xié)會(huì) )提出以線速度為500~7000m/min的切削為高速切削。10% ～ 177。1℃ ～ 177。經(jīng)透鏡組成平行光束。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。該信號(hào)與參考信號(hào)比較， 獲得 177。 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)。Δf2 。 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。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。 激光測(cè)量精度目前可達(dá)激光測(cè)量精度目前可達(dá) 。動(dòng)化。216。 激光由于其優(yōu)良的特性（強(qiáng)度高，亮度大，單色性、相激光由于其優(yōu)良的特性（強(qiáng)度高，亮度大，單色性、相干性、方向性好等）在精密測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。 例：固體的分解 氧化 固體與固體的化學(xué)反應(yīng) 固體與液體的化學(xué)反應(yīng) 狹義：常指固體與固體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新固體產(chǎn)物的過(guò)程 . 113L1＋ L2S1＋ S2擴(kuò)散快 反應(yīng)快 均相中反應(yīng) 一般室溫下反應(yīng)擴(kuò)散慢 反應(yīng)慢 界面上反應(yīng) 高溫下反應(yīng) 特點(diǎn)： 固體質(zhì)點(diǎn)間作用力很大，擴(kuò)散受到限制，而且反應(yīng)組分局限在固體中，使反應(yīng)只能在 界面 上進(jìn)行， 反應(yīng)物濃度不很重要，均相動(dòng)力學(xué)不適用。 機(jī)理：機(jī)械機(jī)理：機(jī)械 +化學(xué)作用化學(xué)作用，稱為，稱為 ““ 增壓活化增壓活化 ”” 。軟粒子，使其便于加工。 拋光工具圖 314 液體動(dòng)力拋光小間隙工件工具運(yùn)動(dòng)方向拋光液 磨粒216。 機(jī)理：微切削作用。增加微切削作用。 拋光輪：拋光輪：由聚氨基甲酸（乙）由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直徑酯制成，磨料直徑 ～～ 超硬磨料砂輪超精密磨削超硬磨料砂輪超精密磨削111216。 工作原理（圖工作原理（圖 313））216。 超硬磨料砂輪超精密磨削超硬磨料砂輪超精密磨削110工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉 (磨粒 )圖 313 彈性發(fā)射加工原理拋光輪與工件表面形成小間隙，中間置拋光液，靠拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料的 “彈性發(fā)射 ”進(jìn)行加工。5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。 3）強(qiáng)力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有 “高效磨削 ”之稱。 幾種常見(jiàn)砂帶磨削方式 （圖 311）圖 311 幾種砂帶磨削形式a）砂帶無(wú)心外圓磨削（導(dǎo)輪式） 工件導(dǎo)輪接觸輪 主動(dòng)輪砂帶工件 接觸輪 主動(dòng)輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）c）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）工件接觸輪 主動(dòng)輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削（回轉(zhuǎn)式）工件支承板 主動(dòng)輪砂帶 工作臺(tái)e）砂帶平面磨削（支承板式） f）砂帶平面磨削 （支承輪式）支承輪工件砂帶接觸輪 超硬磨料砂輪超精密磨削超硬磨料砂輪超精密磨削109216。）。216。砂帶在一定工作壓砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削或拋光。上植有細(xì)微砂粒。 超硬磨料砂輪超精密磨削超硬磨料砂輪超精密磨削106216。 （（ 2）磨粒與工件的接觸點(diǎn)的）磨粒與工件的接觸點(diǎn)的 溫度溫度 高到一定程度時(shí)，工件高到一定程度時(shí)，工件材料的局部物理特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致切屑形成機(jī)理的變化材料的局部物理特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致切屑形成機(jī)理的變化（已有試驗(yàn)作支持）。因?yàn)樗苄阅ハ髑邢髁h(yuǎn)超過(guò)脆性磨削的水平，機(jī)床剛性低，會(huì)因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。 ②② 高的剛高的剛性。以免因磨粒切削深度超過(guò)磨粒切削深度超過(guò) 1μm時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ鳌? 為此對(duì)機(jī)床要求：為此對(duì)機(jī)床要求： ①① 高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度。一般臨界切削深度＜磨粒的幾何形狀有關(guān)。216。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理，無(wú)脆性斷裂凹凸不平，也無(wú)裂紋。 磨削脆性材料時(shí)，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材磨削脆性材料時(shí)，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過(guò)料相似，即通過(guò) 剪切形式剪切形式 被磨粒從基體上切除下來(lái)。由于電解修銳連續(xù)進(jìn)行，砂輪在整個(gè)磨削過(guò)程保持同一修銳連續(xù)進(jìn)行，砂輪在整個(gè)磨削過(guò)程保持同一 鋒利狀態(tài)鋒利狀態(tài) 。在切削力作用下，氧化層脫落，露出了新的鋒利磨粒。通電后，砂輪輪 結(jié)合劑發(fā)生氧化結(jié)合劑發(fā)生氧化 ，氧化層阻止電解進(jìn)一步進(jìn)行。使用使用 ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。 分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進(jìn)行分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進(jìn)行216。 耐磨性好，耐用度高，磨削能力強(qiáng)，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力強(qiáng)，磨削效率高216。金剛石刀具角度（圖金剛石刀具角度（圖 36）） 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)102金剛石車床加工 圖 37 金剛石車床及其加工照片 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)超硬磨料砂輪超精密磨削超硬磨料砂輪超精密磨削 103◆◆ 砂輪材料： 金剛石，立方氮化硼（ CBN）216。 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)101216?！颉?（ 100）與（ 110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；（ 111）面網(wǎng)的面間距一寬一窄（圖 35）圖 35 （ 111）面網(wǎng) C原子分布和解理劈開(kāi)面劈開(kāi)面◎◎ 在距離大的（ 111）面之間，只需擊破一個(gè)共價(jià)鍵就可以劈開(kāi)，而在距離小的（ 111）面之間，則需擊破三個(gè)共價(jià)鍵才能劈開(kāi)。a） 4 次對(duì)稱軸和（ 100）晶面L4（ 100）（ 110）L2 L3（ 111）b） 2 次對(duì)稱軸和（ 110）晶面c） 3 次對(duì)稱軸和（ 111）晶面圖 34 八面體的晶軸和鏡晶面 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)100216。 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，有三根十二面體和六面體，有三根 4次對(duì)稱軸，四根次對(duì)稱軸，四根 3次對(duì)稱軸和次對(duì)稱軸和六根六根 2次對(duì)稱軸（圖次對(duì)稱軸（圖 34）。2σ) / μ m主軸徑向圓跳動(dòng) / μ m滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線度 / μ m主軸前靜壓軸承（ φ100mm）的剛度 /（ N/μm）主軸后靜壓軸承（ φ80mm）的剛度 /（ N/μm）縱橫滑臺(tái)的靜壓支承剛度 /（ N/μm）表 75 金剛石車床主要性能指標(biāo)主軸軸向圓跳動(dòng) / μ m橫滑臺(tái)對(duì)主軸的垂直度 / μ m 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)99◆◆ 金剛石刀具216。 T形布局（圖 33） 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)98216?？山鉀Q兩滑臺(tái)的相互影響問(wèn)題，而且縱、橫兩移動(dòng)軸的垂直度可以通過(guò)裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。如美國(guó)如美國(guó) Moore公司公司 M18AG金剛石車床，主金剛石車床，主軸采用軸采用 空氣靜壓軸承空氣靜壓軸承 ，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 5000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) /分，徑跳＜分，徑跳＜；； 液體靜壓導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌，直線度達(dá)，直線度達(dá) ；數(shù)控系；數(shù)控系統(tǒng)分辨率統(tǒng)分辨率 μm。性及數(shù)控功能等。 典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面 、 大型投影大型投影電視屏幕、電視屏幕、 照像機(jī)塑料鏡片、樹(shù)脂隱形眼鏡鏡片等◆◆ 應(yīng)用◆ 機(jī)理、特點(diǎn) 金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù)96★★ 加工設(shè)備216。 加工各種加工各種 紅外光學(xué)紅外光學(xué) 材料如鍺、硅、材料如鍺、硅、 ZnS和和 ZnSe等等216。 高速切削高速切削 （與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會(huì)高溫不會(huì) 波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量216。 切削力＞原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá)切削力＞原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá) 13000 N/ mm2））216。 概述概述金剛石超精密加工技術(shù)金剛石超精密加工技術(shù) 95216。常常針對(duì)某一特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)（如加工直徑 3m射電天文望遠(yuǎn)鏡的超精密車床，加工尺寸小于 1mm微型零件的激光加工設(shè)備）?！簟?