单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,先进制造技术,主讲：王宏斌,先进制造技术主讲：王宏斌,1,第三章 加工域活动中的先进装备,先进制造技术,第三章 加工域活动中的先进装备先进制造技术,2,第三章 目录,第一节 概述,第二节 高速切削机床,第三节 并联运动机床,第三章 目录第一节 概述第二节 高速切削机床第三,3,对于普通机床来说，加工过程中消耗的时间70%以上是辅助时间。随着各种自动化程度较高的加工装备的应用，加工过程中切削时间所占的比例越来越大。要想进一步提高生产率，就必须减少切削时间。,由于高速切削具有较高的生产率，且能获得优良的质量。发达国家对此进行了大量的研究。目前，高速加工在航空航天、汽车制造、模具制造等行业得到了越来越广泛的应用，并取得了显著的经济效益。,并联运动机床是近年才发展越来的一种新型高速机床。与传统机床比，并联机床具有结构简单、刚度好、动态性能好、速度快、可重构、宜于实现较复杂空间运动等优点，已成为高速高效加工设备的一个新的发展方向。,第一节 概述,对于普通机床来说，加工过程中消耗的时间70,4,一、高速切削机床,高速切削机床近年发展越来的一项先进制造技术，是继数控机床后对机械制造业具有深远影响的又一场技术革命。,第二节 高速切削机床,第一台实用化的高速切削机床：,1976年美国的Vought公司研制了一台高速铣床，主轴最高转速为20,000r/min。,我国在高速切削机床方面的发展水平：,我国自20世纪80年代起从国外引进高速切削机床以来，高速机床技术有了长足的进步。但我国在机床关键功能部件的研发上，仍远远落后于市场的需求。,一、高速切削机床第二节 高速切削机床第一台实用化的高速切削,5,第三章 加工域活动中的先进装备,1. 高速切削的概念,高速切削的理论是德国科学家Car.J.Salomon于1931年提出的。他指出切削速度与切削温度的关系如下图所示。,切削温度 ,切削速度 Vc(m/min),Vcb,A区,B区,C区,A区,切削温度随切削速度的提高而提高。,B区,由于切削温度过高而不适宜进行切削。,C区,切削温度随切削速度的提高反而降低，同时切削力也幅度降低。,第三章 加工域活动中的先进装备 1. 高速切,6,虽然受当时的条件所限，这一理论没有付诸实践，但却给后人一个重要的启示：即有可能在C区进行切削。目前高速数控机床已逐渐成为数控机床的主流。,制造厂家,（国别）,机床名称,型号,主轴最高转速,（r/min）,最大进给速度,（m/min）,主轴驱动功率,KW,Mikron,（瑞士）,HSM800,加工中心,42,000,30,13,Cincinnati,（美国）,HPMC,五轴加工中心,60,000,60,80,Roders,（德国）,RFM1000,加工中心,42,000,30,30,Mazak,（日本）,SMM-2500UHS,加工中心,50,000,50,45,高速加工中心参数示例,第三章 加工域活动中的先进装备,虽然受当时的条件所限，这一理论没有付诸实践,7,1978年，CIRP（国际生产工程研究学会 ）切削委员会提出：切削线速度为5007,000m/min的切削为高速切削。,对铣削加工，ISO1940标准规定，主轴转速高于8,000转为高速切削。,以高于510倍的普通切削速度定义为高速切削。,以DN值（主轴轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积）定义高速切削，DN值达（52000）10,5,mm.r/min时为高速切削。,第三章 加工域活动中的先进装备,关于高速切削目前尚无一个统一的定义，常用的定义有：,以刀具和主轴的动力学参数来定义高速切削。,1978年，CIRP（国际生产工程研究学会 ）切削委,8,第三章 加工域活动中的先进装备,2. 高速切削的优点,提高生产效率,由于主轴转速和进给的高速化，加工时间减少了50%，机床结构也大大简化，易于维护。,可获得较高的加工精度,由于切削力可减少30%以上，工件的加工变形减小，切削热还来不及传给工件，热变形小，有利于加工精度的提高。,可获得较高的加工表面质量,由于在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙度值；又由于机床的激振频率远大于工艺系统的固有频率，故振动时表面质量的影响很小；加工表面的受热时间短，切削温度低，加工表面可保持良好的物理力学性能。,第三章 加工域活动中的先进装备 2. 高速切,9,可加工各种难加工材料,利用高速切削加工难切削材料，不仅可大幅度提高生产率，还可有效降低刀具磨损。,降低生产成本,高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大。由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例。,简化了加工工艺流程,常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料,第三章 加工域活动中的先进装备,可加工各种难加工材料 利用高速切削加工难切削材料，不仅可,10,3. 高速切削对机床的要求,机床是实现高速与切削的首要条件。高速切削对机床提出了很多新要求，归纳如下：,主轴要有高转速、大功率和大扭矩,进给速度高,主轴与进给系统加速度高,机床有良好的静、动态特性（刚度）,机床的其它功能部件性能高,第三章 加工域活动中的先进装备,3. 高速切削对机床的要求主轴要有高转速、,11,4. 高速切削机床的关键技术,一般认为，高速切削机床的关键技术包括以下几个方面：,高速主轴单元,高速直线驱动进给单元,CNC控制系统（提高处理速度）,排屑、冷却 、换刀装置,安全装置、实时监控,机床结构,第三章 加工域活动中的先进装备,4. 高速切削机床的关键技术高速主轴单元,12,二、电主轴,主轴是机床的关键部件之一。普通机床主轴在高速运行时，会存在以下问题：,传动链长、复杂，转动惯量大，使主轴无法达到高速加工所要求的速度与加速度。,在主轴起动、反向、加减速时，上述机械零部件会发生弹性变形、摩擦及反向间隙，会产生运动滞后及带来非线性误差。,主轴部件磨损快，在高速运动时还会产生振动、噪声，直接影响加工精度与加工表面质量。,第三章 加工域活动中的先进装备,二、电主轴 传动链长、复杂，转动惯量大，使主轴无法达到高,13,电主轴是“高频主轴”（High Frequency Spindle）的简称，又称内装式电机主轴单元。,电主轴的主要特征是将电机内置于主轴内部直接驱动主轴，实现电机、主轴一体化的功能。是省略齿轮传动、变速装置（如皮带、联轴节）等中间传动件的直接驱动方式。,电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置，如下图所示。,第三章 加工域活动中的先进装备,电主轴是“高频主轴”（High Frequ,14,第三章 加工域活动中的先进装备,电主轴系统,第三章 加工域活动中的先进装备电主轴系统,15,电主轴融合了多种技术，包括：,高速轴承技术,电主轴通常采用复合陶瓷轴承，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，理论上寿命无限。,高速电机技术,电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡。,润滑技术,电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。,第三章 加工域活动中的先进装备,电主轴融合了多种技术，包括：高速轴承技术,16,冷却装置,为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。,脉冲编码器,为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。,自动换刀装置,为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。,高频变频装置,要实现电主轴的高转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。,第三章 加工域活动中的先进装备,冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的,17,如下图所示，电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。,电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制, 而主轴单元内的温升由冷却装置限制。,在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。,第三章 加工域活动中的先进装备,如下图所示，电主轴由无外壳电机、主轴、轴承,18,电主轴单元,陶瓷轴承,转子,主轴,定子,冷却水道,油雾通道,主轴売体,第三章 加工域活动中的先进装备,电主轴单元陶瓷轴承转子主轴定子冷却水道油雾通道主轴売体第三章,19,电主轴单元,第三章 加工域活动中的先进装备,电主轴单元第三章 加工域活动中的先进装备,20,1. 电主轴的参数,电主轴的基本参数包括：套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中主轴最高转速、额定功率和套筒直径为电主轴的主要参数。部分世界著名厂家生产的电主轴参数见教材表3.2.2、表3.2.3、表3.2.4（P166P168）。,2. 电主轴的结构,如上所述，电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。,其结构与所采用的轴承形式有密切关系，按照所采用的轴承不同，电主轴有三种结构：,具有滚动轴承的电主轴,、,具有静压轴承的电主轴,、,具有磁悬浮轴承的电主轴。,第三章 加工域活动中的先进装备,1. 电主轴的参数 第三章 加工域活动中,21,具有滚动轴承的电主轴,第三章 加工域活动中的先进装备,陶瓷轴承高速主轴,陶瓷球轴承,密封圈,电主轴,陶瓷球轴承,冷却水出口,冷却水入口,具有滚动轴承的电主轴第三章 加工域活动中的先进装备陶瓷轴承,22,陶瓷轴承高速主轴结构特征,第三章 加工域活动中的先进装备,采用C或B级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似。,轴承采用“小珠密球”结构。,滚珠材料Si,3,N,4,，密度小（3.2g/cm,2,）、弹性模量高（300GPa）硬度高（1800HV）、热膨胀系数小、耐高温。,主轴转速特征值较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.5110,6,。,陶瓷轴承高速主轴结构特征第三章 加工域活动中的先进装备,23,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：,陶瓷球密度减小60%，从而可大大降低离心力。,陶瓷弹性模量比钢高50%，使轴承具有更高刚度。,滚珠材料Si,3,N,4,，密度小（3.2g/cm,2,）、弹性模量高（300GPa）硬度高（1800HV）、热膨胀系数小、耐高温。,主轴转速特征值较普通钢轴承提高1.2 2倍，可达0.5110,6,。,第三章 加工域活动中的先进装备,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是： 陶瓷球密度减小60%，从,24,具有静压轴承的电主轴,第三章 加工域活动中的先进装备,液体静压轴承原理示意图,具有静压轴承的电主轴第三章 加工域活动中的先进装备液体静压,25,第三章 加工域活动中的先进装备,液体静压轴承的电主轴结构,第三章 加工域活动中的先进装备液体静压轴承的电主轴结构,26,第三章 加工域活动中的先进装备,空气静压轴承的电主轴结构,第三章 加工域活动中的先进装备空气静压轴承的电主轴结构,27,静压轴承高速主轴结构特征,回转精度高，液体静压轴承回转误差在0.2m以下，空气静压轴承回转误差在0.05m以下。,功率损失小。,液体静压轴承转速特征值可达110,6,，空气静压轴承转速特征值可达310,6,。,空气静压轴承承载能力较小。,第三章 加工域活动中的先进装备,静压轴承高速主轴结构特征 回转精度高，液体静压轴承回转误,28,具有磁浮轴承高速主轴,第三章 加工域活动中的先进装备,磁悬浮轴承工作原理,放大器,电磁铁（定子）,传感器,转子,控制器,具有磁浮轴承高速主轴第三章 加工域活动中的先进装备磁悬浮轴,29,第三章 加工域活动中的先进装备,前辅助轴承,电主轴,双面轴向推力轴承,前径向轴承,后径向轴承,后辅助轴承,前径向传感器,后径向传感器,轴向传感器,磁浮轴承高速主轴,第三章 加工域活动中的先进装备前辅助轴承电主轴双面轴向推力,30,磁浮轴承主轴特点,主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。,刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。,转速特征值可达410,6,。,回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。,第三章 加工域活动中的先进装备,机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。价格昂贵。,磁浮轴承主轴特点 主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，,31,磁浮轴承高速主轴的改进,第三章 加工域活动中的先进装备,C,CP,U,转子,功率放大,PID,低通滤波,自检测磁悬浮轴承系统控制原理,磁浮轴承高速主轴的改进第三章 加工域活动中的先进装备CC,32,第三章 加工域活动中的先进装备,为什么要改进？,为检测转子位移，需使用位移传感器，使轴承系统轴向尺寸加大，动态性能下降，制造成本增高。由此提出利用电磁铁线圈的自感应来检测转子位移。,转子发生位移时，电磁铁线圈的自感应系数也要发生变化，即电磁铁线圈的自感应系数是转子位移 x 的函数，相应的电磁铁线圈的端电压（或电流）也是位移 x 的函数。,将电磁铁线圈的端电压（或电流）检测出来并作为系统闭环控制的反馈信号，通过控制器调节转子位移，使其工作在平衡位置上。,自检测磁浮轴承原理,第三章 加工域活动中的先进装备为什么要改进？ 为检测,33,3. 电主轴的润滑与冷却,电主轴滚动轴承的润滑多采用油气润滑方式进行润滑。采用油气润滑可显著降低主轴轴承温升。,由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且其转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。,电主轴的主要热源有：,主轴内置电机,、,轴承,、,切削刀具,。,一般采取液体强制循环冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过冷却装置的冷却液强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。,第三章 加工域活动中的先进装备,3. 电主轴的润滑与冷却第三章 加工域活动中,34,第三章 加工域活动中的先进装备,电磁阀,泵,压力开关,压力开关,定量分配器,时间继电器,压力表,润滑油箱,压缩空气,油气润滑系统原理,第三章 加工域活动中的先进装备电磁阀泵压力开关压力开关定量,35,4. 电主轴的动平衡,主轴高速旋转时，任何小的不平衡质量即可引起电主轴大的高频振动。因此精密电主轴的动平衡精度要求达到G1G0.4级。,对于这种等级的动平衡，采用常规的方法即仅在装配前对主轴上的每个零件分别进行动平衡是远远不够的，还需在装配后进行整体的动平衡，甚至还要设计专门的自动平衡系统来实现主轴的在线动平衡。,另外，在设计电主轴时，必须严格遵守结构对称原则，键联接和螺纹联接在电主轴上被禁止使用，而普遍采用过盈联接，并以此来实现转矩的传递。过盈联接与螺纹联接或键联接相比有：不会在主轴上产生弯曲和扭转应力，对主轴的旋转精度没有影响；主轴的动平衡易得到保证等优点。,第三章 加工域活动中的先进装备,4. 电主轴的动平衡第三章 加工域活动中的先,36,第三章 加工域活动中的先进装备,5. 电主轴的驱动,在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有,普通变频驱动和控制,、,矢量控制驱动器,以及,直接转矩控制,三种控制方式。,普通变频驱动,驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。,矢量控制驱动器,以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。,直接转矩控制,通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。,第三章 加工域活动中的先进装备 5. 电主轴的,37,变频控制器,第三章 加工域活动中的先进装备,变频控制器第三章 加工域活动中的先进装备,38,第三章 加工域活动中的先进装备,旋转编码器,第三章 加工域活动中的先进装备旋转编码器,39,三、高速直线电动机进给系统,高速进给系统是高速切削机床的关键部件之一，随着高速切削加工技术和高速切削机床的不断发展，对高速进给系统提出了越来越高的要求。,第三章 加工域活动中的先进装备,进给速度高,高速切削时，为了保证刀具每齿进给量基本不变，必须相应地提高进给速度。目前一般高速机床的进给速度为60m/min，甚至达到120m/min。,进给加速度高,一般加工行程只有几十毫米到几百毫米，这就要求有较大的进给加速度。目前，高速切削机床的进给加速度可达2g以上。,高精度,在高速运动下，各坐标轴的跟随误差对合成运动精度的影响变得越加突出。困此，要求各坐标轴位置闭环控制系统的精度要高，动态性能要好。,三、高速直线电动机进给系统第三章 加工域活动中的先进装备进,40,高速进给系统,高速滚珠丝杠进给系统,直线电动机进给系统,特点：成本低。制造困难，速度及加速度受到限制，进给行程有限，存在一定的非线性误差，全闭环时系统稳定性不易保证。,特点：机械结构简单，重量轻，速度及加速度大，有较高的运动精度，行程不受限制，定位精度可达0.10.01m。,第三章 加工域活动中的先进装备,高速进给系统高速滚珠丝杠进给系统直线电动机进给系统,41,第三章 加工域活动中的先进装备,1. 直线电动机的工作原理,在高速切削机床的进给系统中，一般采用能提供较大推力的,交流感应异步直线电动机,和,交流永磁同步直线电动机,。,第三章 加工域活动中的先进装备 1. 直线电动,42,第三章 加工域活动中的先进装备,交流感应异步直线电动机原理示意图,第三章 加工域活动中的先进装备交流感应异步直线电动机原理示,43,第三章 加工域活动中的先进装备,交流永磁同步直线电动机原理示意图,永磁磁铁,第三章 加工域活动中的先进装备交流永磁同步直线电动机原理示,44,第三章 加工域活动中的先进装备,交流感应异步直线电动机原理：,当电机初级三相绕组中通入三相正弦交流电流后便产生气隙磁场。当三相电流随时间变化时，气隙磁场按定向相序沿直线移动，即产生行波磁场。由于电机次级不存在永磁体，次级位移与行波磁场不存在强制同步关系，即有速度差，使次级导条切割行波磁场磁力线，而产生感应电流。这种感应电流与气隙磁场相互作用便产生了电磁推力。,交流永磁同步直线电动机原理：,与上述异步电机不同的是交流永磁同步电机的次级有永磁磁铁，由于行波磁场的磁极与次级永磁磁场间存在磁拉力，当初级行波磁场以一定速度运动时，磁拉力就会使次级作同步运动。,直线电动机与机床的联接：,直线电机安装在机床上时，运动部件常与电动机初级部件固定在一起，沿直线导轨移动，次级部件安装在机床床身或立柱上。直线电机的次级可由多段拼装而成。,第三章 加工域活动中的先进装备交流感应异步直线电动机原理：,45,2. 高速直线电动机进给系统,高速直线电动机进给系统如下图所示，主要由直线电动机、工作台、滚动直线导轨、位移精密测量反馈系统和防护系统组成。,第三章 加工域活动中的先进装备,工作台,工作台高速切削时，为了保证刀具每齿进给量基本不变，必须相应地提高进给速度。目前一般高速机床的进给速度为60m/min，甚至达到120m/min。,滚动直线导轨,高速机床导轨必须满足刚度高、抗震性好、灵敏度高、耐磨性好、精度保持性好等要求，高速滚动导轨副可满足这些要求。,位移检测,直线电机进给系统的控制采用闭环控制方式，其控制原理如下图所示。目前光栅测量系统应用的较为广泛。,2. 高速直线电动机进给系统第三章 加,46,第三章 加工域活动中的先进装备,冷却,直线电机初级绕组的功率损耗一般都超过50%，所消耗的功率绝大部分转换成了热能。因此必须对直线电机进给系统进行循环强制冷却及散热。,防磁,由于直线电机存在强磁场，如果防护不当，加工过程中产生的铁屑和其它金属碎屑会被吸入电机的初级与次级之间，从而影响电机的正常工作。因此必须对其采取可靠的防磁措施，如安装各种可靠性高的防护隔离罩。,第三章 加工域活动中的先进装备冷却 直线电机初,47,第三章 加工域活动中的先进装备,直线电机运动质量与加速度的关系,0,50,100,150,200,50,100,加速度,a,max,(m/s,2,),质量 m (kg）,Fmax=4000N,Fmax=3000N,Fmax=2000N,第三章 加工域活动中的先进装备直线电机运动质量与加速度的关,48,第三章 加工域活动中的先进装备,CNC,位置控制,单元,速度控制,单元,直线电机,工作台,输出,速度测量,位置测量,+,-,+,-,干扰,直线电机进给系统控制框图,第三章 加工域活动中的先进装备CNC位置控制速度控制直线电,49,第三章 加工域活动中的先进装备,位置测量装置光栅尺,第三章 加工域活动中的先进装备位置测量装置光栅尺,50,第三章 加工域活动中的先进装备,高速滚动直线导轨,第三章 加工域活动中的先进装备高速滚动直线导轨,51,第三章 加工域活动中的先进装备,直线电动机进给系统,铝散热器,次级永磁体,初级绕组,工作台,直线导轨,冷却液接口,位置传感器,第三章 加工域活动中的先进装备直线电动机进给系统铝散热器次,52,四、高速刀具,在高速切削条件下，对刀具的耐高温性能和耐磨性都提出了更高的要求。同时，由于主轴转速很高，高速旋转的刀具会产生很大的离心力，对加工精度产生影响，还有可能导致刀体破碎而引起事故。因此，高速切削刀具在材料、刀具几何参数、刀体结构及刀具装夹形式等都不同于传统的切削刀具。,1. 高速切削刀具材料,目前，适用于高速切削的刀具材料主要有陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、聚晶金刚石（PCD）刀具和天然金刚石等，其性能及应用如下表所示。,第三章 加工域活动中的先进装备,四、高速刀具第三章 加工域活动中的先进装备,53,第三章 加工域活动中的先进装备,刀具材料种类,合金 高速钢 硬质合金,陶瓷,天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮,工具钢 W18Cr4V YG6,Si,3,N,4,金刚石,PCD,化硼,PCBN,材料性能,硬度 HRC65 HRC66 HRA90,HRA93,HV10000,HV7500,HV4000,抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa,0.8GPa,0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa,导热系数,40-50 20-30 70-100,30-40,146.5 100-,120 40-100,热稳定性 350 620 ,1000 ,1,400 ,800 ,600-800 1000 ,化学惰性 低,惰性大,惰性小 惰性小 惰性大,耐磨性 低 低 较高,高,最高 最高 很高,一般精度,Ra0.8,高精度 Ra=0.4-0.2,加工质量 Ra0.8,IT7-8,Ra=0.1-0.05 IT5-6,IT7-8,IT5-6 可替代磨削,加工对象,低速加工一般钢材、铸铁,一般钢材、铸铁粗、精加工,一般钢材、铸铁粗、精加工,高硬度钢材精加工,硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料,淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料,普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比,第三章 加工域活动中的先进装备刀具材料种类 合金,54,刀具材料的发展与切削加工高速化的关系,切削速度（m/min）,2000,1000,500,200,100,50,20,10,1800 1850 1900 1950 2000 年代,碳素工具钢,合金工具钢,WC系硬质合金,高速钢,WC-TiC系硬质合金,涂层硬质合金,TiAlN涂层硬质合金,DLC涂层硬质合金,TiC-TiN金属陶瓷,聚晶立方氮化硼,（PCBN）,陶瓷,聚晶金刚石,（PCD）,第三章 加工域活动中的先进装备,刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2,55, 陶瓷刀具,第三章 加工域活动中的先进装备,优点：,硬度高、耐磨性好、摩擦系数小、耐高温、化学稳定性好、抗粘接性能好。,缺点：,强度及韧性差、导热系数低、抗冲击载荷和抗热冲击的能力差。,应用：,可用于铸铁、淬火钢的高速加工。,性能改进措施：,提高材料纯度、改进制造工艺、加入添加剂等。,陶瓷材料种类：,金属陶瓷、氧化铝系陶瓷、氮化硅陶瓷、赛龙（Sialon）陶瓷、须晶强化陶瓷等。, 陶瓷刀具 第三章 加工域活动中的,56,聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具,优点：,硬度高（CBN HV80009000，聚晶CBN HV5000）、耐磨性好、导热系数大、化学稳定性好、摩擦系数较小且随切削速度的提高而减小、具有金属软化效应（即用PCBN切削淬硬钢，当工件材料硬度HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势，如图所示）。,缺点：,强度及韧性较差，成本较高。,应用：,可用于高温合金、淬火钢、冷硬铸铁等难加工材料的高速加工。,800,750,700,650,600,30 40 50 60 70,硬度,HRC,（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）,切削温度/,切削温度与硬度关系,第三章 加工域活动中的先进装备,聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具,57,第三章 加工域活动中的先进装备,聚晶金刚石（PCD）刀具,优点：,硬度高（天然金刚石 HV10000，PCD HV65008000）、耐磨性好、摩擦系数小、导热好、没有各向异性。,缺点：,不适宜加工铁碳合金，超过700800时会发生碳化，丧失切削能力。,应用：,可用于硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料,的高速加工。,制造：,在高温高压条件下，借助于某些触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（上60年代出现）。,第三章 加工域活动中的先进装备 聚晶金刚石（PCD,58,涂层刀具,特点：,兼有基本与涂层的优点，具有较高的表面硬度、耐磨性，又具有良好的抗冲击能力。,常用涂层：,涂层刀具的基体常用硬质合金与陶瓷。涂层材料有化合物类材料（如TiN、TiC、Al,2,O,3,），复合化合物类材料（如TiCN、TiAlN），软涂层材料（如MoS,2,、WS,2,） 。,应用：,不同的涂层适用于不同的加工场合，在选用时需注意。,制造：,在抗冲击韧性好的基体上涂覆耐磨涂层。可以是单涂层或复合涂层。在高速切削中多用复合涂层刀具。,第三章 加工域活动中的先进装备,涂层刀具 特点：兼有,59,第三章 加工域活动中的先进装备,2. 高速刀具与机床的连接,在高速切削时，由于刀具旋转速度很高，从保证加工精度和操作安全性方面考虑，传统的刀具装夹方法及刀柄与主轴的连接方法已不能满足高速加工的需要。高速切削对刀具的装夹、刀柄与主轴的连接在刚性、精度、可靠性及动平衡等都提出了更高的要求。, 高速刀具夹头,为了满足高速加工的要求，高速切削刀具与夹头的连接应具有高精度、加紧力要大、夹头几何尺寸要小、夹头的结构对称性要好。,世界上一些著名的刀具生产厂商分别开发出了高精度弹性紧头、液压夹头、热装夹头、力膨胀夹头等新型的刀具夹头结构。,第三章 加工域活动中的先进装备 2. 高速刀,60,第三章 加工域活动中的先进装备,力膨胀夹头（德国雄克Schunk公司）,装入刀具,夹紧,刀具,第三章 加工域活动中的先进装备力膨胀夹头（德国雄克Schu,61,力膨胀夹头的内孔在自由状态下为三棱形，三棱的内切圆直径小于要装夹的刀具直径。,刀具装夹时，利用一个液压加力装置，对夹头加压，使夹头弹性变形，其内孔变为圆孔，孔径略大于刀具直径。,插入刀具，撤除外力，使夹头弹性回复，其内孔重新变为三棱形。,利用夹头弹性回复力夹紧刀具。其定位精度可控制在3m以内。,力膨胀夹头工作原理,力膨胀夹头的特点：,优点在于装夹精度高，操作简单，结构紧凑，造价较低。缺点是需备有一个辅助的加力装置。,第三章 加工域活动中的先进装备,力膨胀夹头的内孔在自由状态下为三棱形，三棱的内切圆直径小于要,62,第三章 加工域活动中的先进装备,液压膨胀夹头,液压膨胀夹头工作原理：,通过加压螺栓对油腔中的液压油进行加压，膨胀壁发生弹性变形，对刀具夹紧。,液压膨胀夹头特点：,优点是精度高，刚性大，操作方便。缺点是对刀具的尺寸公差要求较严，过松时，可能达不到应有的夹持力。,第三章 加工域活动中的先进装备液压膨胀夹头液压膨胀夹头工作,63,第三章 加工域活动中的先进装备,热收缩夹头,热收缩夹头工作原理：,应用感应加热装置对刀具夹持部分迅速加热，待其内径受热膨胀后快速插入刀具，夹头冷却后，形成刀杆与夹头部分的过盈连接。,热收缩夹头特点：,优点是回转精度高、夹紧力大、传递的扭矩大、可承受更大的离心力。缺点是需要配套的感应加热装置与冷却套。,第三章 加工域活动中的先进装备热收缩夹头热收缩夹头工作原理,64,第三章 加工域活动中的先进装备,高精度弹性夹头,第三章 加工域活动中的先进装备高精度弹性夹头,65, HSK刀柄,德国的HSK刀柄是目前使用较为广泛的一种新型结构的高速切削刀柄。HSK刀柄具有以下特点：,采用锥面、端面过定位的结合形式，有效地提高了结合刚度。,刀柄锥度1:10，相对BT柄的7:24锥部较短，换刀动作快，楔形效果好，有较强的抗扭能力，能抑制因振动产生的微量位移，有较高的重复安装精度。,刀柄采用中空结构，质量轻，转动惯量小。,刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，转速越高扩张爪的离心力越大，锁紧效果越好。,HSK刀柄有A、B型（自动换刀型），C、D型（手动换刀型）和E、F无键连接型（适用于高速加工）。,第三章 加工域活动中的先进装备, HSK刀柄 采用锥面、端面过定位的,66,第三章 加工域活动中的先进装备,弹性夹头BT刀柄实物及结构,弹性夹头HSK-E型刀柄实物及结构,第三章 加工域活动中的先进装备弹性夹头BT刀柄实物及结构弹,67,第三章 加工域活动中的先进装备,HSK型刀柄与主轴的连接,第三章 加工域活动中的先进装备HSK型刀柄与主轴的连接,68,五、高速加工中心实例,加工中心是带有刀库（刀库容量10100多把刀具）与自动换刀装置的数控机床。工件经一次装夹后，可完成多个表面的铣、镗、钻、铰、攻丝等加工，是一种加工效率较高的数控机床。,由于加工范围大，应用面广，生产效率高，加工中心已成为数控机床的典型代表。随着高速切削技术的发展，高速加工中心的应用也越来越广泛。,第三章 加工域活动中的先进装备,五、高速加工中心实例第三章 加工域活动中的先进装备,69,第三章 加工域活动中的先进装备,USA Cincinnati CFV5 5轴高速加工中心,主轴转速20000r/min,第三章 加工域活动中的先进装备USA Cincinnati,70,第三章 加工域活动中的先进装备,瑞士 Mikron HSM600U 5轴高速加工中心,主轴转速60000r/min,Mikron HSM800 5轴高速加工中心,主轴转速60000r/min,第三章 加工域活动中的先进装备瑞士 Mikron HSM6,71,第三章 加工域活动中的先进装备,日本Mazak Integrexe-1550V,5轴高速加工中心,主轴转速12000r/min,第三章 加工域活动中的先进装备日本Mazak Integr,72,第三章 加工域活动中的先进装备,日本Makino S56,高速加工中心,主轴转速20000r/min,第三章 加工域活动中的先进装备日本Makino S56,73,一、并联运动机床概述,并联运动机床是1994年才提出的新概念机床，是一种在结构上完全不同于传统机床的新型机床。,第三节 并联运动机床,第一台并联运动机床：,1994年，在美国芝加哥国际机床展览会上，美国Giddings & Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床，引起轰动。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑，其内部结构如图1所示。,一、并联运动机床概述第三节 并联运动机床第一台并联运动机床,74,第三章 加工域活动中的先进装备,Variax 型加工中心,第三章 加工域活动中的先进装备Variax 型加工中心,75,Variax型并联运动机床原理：,在这台机床上，看不到传统机床的床身、导轨、立柱和横粱等结构，它的基本结构是一个活动平台、一个固定平台和六根长度可变的连杆。,活动平台上装有机床主轴和刀具，固定平台上安装工件，六根杆实际是六个滚珠丝杠副，它通过万向铰链将两个平台连在一起，同时将伺服电动机的旋转运动转换为直线运动。当不断改变六根杆的长度时，可带动活动平台产生六自由度的空间运动，使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。,第三章 加工域活动中的先进装备,并联运动机床的发展：,Variax加工中心实际上是一台以Stewart平台为基础的立式加工中心，它标志着机床设计开始使用并联机构，是机床机构重大改革的里程碑。,但是，Variax型加工中心是一种“内铣型”结构，机床占地为78008180mm，而工作空间仅有700mm700mm750mm，安装工件也不太方便，因此没有这生产中获得应用。经过了近十几年时间的发展，并联运动机床已进入了实用阶段，并联运动机床最适合用于高速切削加工。目前主要应用在模具制造、气缸体、传动箱体和大型飞机结构零件的制造等领域。,Variax型并联运动机床原理：第三章 加工域活动中的先进,76,1. 并联运动机床的概念,在机构学中，机构可分为串联机构（Series mechanism）和并联机构（Parallel mechanism）。,第三章 加工域活动中的先进装备,串联机构,由一组运动链串联而成，其特点是第一个运动链接受驱动器输入开始运动，再带动后面的运动链依次运动，最终由末端的运动链n给出串联机构的输出，如下图所示。,并联机构,由一组有两个或两个以上分支机构并联而成，其特点是所有分支机构可同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，如下图所示。,并联运动机床,并联运动机床（ Parallel kinematics machine）是采用由两个或两个以上运动链的并联机构，以实现工具或工件所需运动的机床。,1. 并联运动机床的概念第三章 加工域活,77,第三章 加工域活动中的先进装备,串联机构,并联机构,第三章 加工域活动中的先进装备串联机构并联机构,78,2. 并联运动机床与传统机床的比较,第三章 加工域活动中的先进装备,传统机床,传统机床是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台沿支承部件上的直线导轨移动，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀具相对于工件的运动轨迹，如下图所示。,并联运动机床,并联运动机床是以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在一起。改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀具相对于被加工零件的运动轨迹。,2. 并联运动机床与传统机床的比较第三章 加工域,79,第三章 加工域活动中的先进装备,传统机床,并联运动机床,第三章 加工域活动中的先进装备传统机床并联运动机床,80,并联运动机床与传统机床相比，具有以下优异的性能：,结构简单、价格低。,它由滚珠丝杠、球铰、伺服电机等通用元件组成，可由专门厂家生产，因而本机床的制造成本比相同功能的传统数控机床低。,结构刚度高。,由于采用了框架结构，其刚度重量比高于传统的数控机床。,加工精度高。,由于其为多轴并联机构组成，不存在传统机床（即串联机床）的误差累积问题，故其加工精度大大提高。,多功能、灵活性强。,由于并联运动机床结构简单、模块化程度高，可根据加工对象的不同进行灵活的重构，以实现其不同的功能。,使用寿命长。,变换座标系方便。,由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成，非常方便。,第三章 加工域活动中的先进装备,并联运动机床与传统机床相比，具有以下优异的,81,第三章 加工域活动中的先进装备,并联运动机床在具有以上优异的性能的同时，也存在一些缺点：,控制、计算极其复杂。,为了实现任意坐标的运动，机床的每一个杆都必须运动，因而控制与计算十分复杂，只有在CNC技术高度发展的今天，才能成为可能。,杆件的热变形对机床的加工精度影响比较严重,。,由于六根杆件的长度大，其热变形对加工精度影响较在在，所以目前这类机床的加工精度还不是很高。,机床加工的有效空间相对于机床本身体积所占比例较小。,存在运动奇异点。,工作区间中，由于伸缩杆及铰链的限制，可能产生奇异点，使主轴无法以所要求的方向到达该点。,第三章 加工域活动中的先进装备 并联运动机,82,第三章 加工域活动中的先进装备,二、并联运动机床的机构学基础,空间并联机构是并联运动机床的基础，并联运动机床刀具相对于工作的运动轨迹是由空间并联机构的运动实现的。,1. 并联机构,第一台并联机床是以Stewart平台为基础的，该机构是1965年提出的，最先作为飞行模拟器，用于训练飞行员，后又被应用于机器人、天文望远镜等领域。直到1994年该并联机构才被首次应用于Variax机床上。,该机构的结构如下图所示。它由上下两个平台和6 个并联的可独立伸缩的杆件组成，伸缩杆和平台之间用球铰链连接。如果以下平台作为固定平台，以伸缩杆的位移作为输入变量，则可以控制上平台的空间位置和姿态。,第三章 加工域活动中的先进装备二、并联运动机床的机构学基础,83,第三章 加工域活动中的先进装备,Stewart平台,第三章 加工域活动中的先进装备Stewart平台,84,第三章 加工域活动中的先进装备,并联机构的运动副及运动链,运动副确定两构件之间的相对运动关系。,若空间机构两相邻构件之间有一个公共轴线S,j,，两构件沿轴线,S,j,移动或绕轴线,S,j,转动，则构成一个运动副。,并联机构常用的运动副有转动副、移动副、球面副、万向铰链和螺旋副。,转动副（R）,转动副也称为回转副，用字母R表示，它允许两构件绕轴线S,j,作相对转动，转角为,j,，偏距S,jj,为一常数，其自由度f为1，如下图所示。,移动副（P）,移动副用字母P表示，它允许两构件沿轴线S,j,作相对移动，两构件夹角为,jj,为常数，称为偏角，位移S,j,，其自由度f为1，如下图所示。,第三章 加工域活动中的先进装备 并联机构的运动副,85,第三章 加工域活动中的先进装备,转动副（R）,移动副（P）,S,jj,j,S,j,第三章 加工域活动中的先进装备转动副（R）移动副（P）Sj,86,第三章 加工域活动中的先进装备,球面副（S）,球面副字母S表示，它允许两构件之间具有3个独立的、以球心为中心的相对转动，即绕X轴、Y轴、Z轴转动。绕各轴转动的转角为分别用、表示，其自由度f为3，球面副通常以球铰链的形式出现，如下图所示。,万向铰链（U）,万向铰链用字母U表示，它允许两构件之间具有两个相对自由度。万向铰链不是独立的运动副，它等效于轴线相交的两个转动自由副，即U=RR，如图所示。,螺旋副（H）,螺旋副用字母H表示，它允许两构件绕公共轴线转动，同时沿轴线作相对移动，它只有一个自由度，如图所示。,第三章 加工域活动中的先进装备球面副（S） 球,87,第三章 加工域活动中的先进装备,球面副（S）,螺旋副（H）,万向铰链（U）,第三章 加工域活动中的先进装备球面副（S）螺旋副（H）万向,88,第三章 加工域活动中的先进装备,典型的并联机构,由两个或两个以上的运动链连接固定平台或动平台就可构成各种并联机构。,在机构学中，对并联机构的命名通常采用数字加工字母的方式来描述组成并联机构的运动链的数目及类型，其表示形式为“n-jjj”。其中n表示运动链的数目，j表示运动副类型，最后一个字母表示连接动平台的运动副类型，在驱动运动副的相关字母下加工下划线，如下例所示。,示例：,如图所示的Stewart平台,可表示为6-S,P,S,，数字6表示,由6个运动链并联，每个运动,链由两个球铰链S和一个移动,副P组成，通过球铰链连接动,平台，机构由移动副P驱动。,第三章 加工域活动中的先进装备 典型的并联机构示,89,第三章 加工域活动中的先进装备,并联运动机构示例,3-,P,SS,第三章 加工域活动中的先进装备并联运动机构示例3-PSS,90,2. 并联运动机床常用的典型机构,并联运动机床在结构上具有多种多样的形式，但其常用的并联机构基本上是从Stewart平台机构演化而来的，一般为6杆件（Hexapod）或3杆件（Tripod）并联机构。,一般情况下，并联运动机构的固定平台与机床底座、床身或框架连为一体，位于下方，被加工工件安装在其上。动平台位于上方，其上安装机床主轴部件。动平台位置的参考点是刀具中心点，动平台尺寸比固定平台小得多。,机床中的并联机构分为可变杆长和固定杆长两类。其命名形式为：,C/V（M-m）,其中C表示固定杆长，V表示可变杆长，M表示固定平台上的铰链数目，m表示动平台上的铰链数目。如果固定平台或动平台有两层，则用加号“+”表示，如下例所示。,第三章 加工域活动中的先进装备,2. 并联运动机床常用的典型机构第三章 加工域活动,91,第三章 加工域活动中的先进装备,固定杆长并联机构,C（3-3）,可变杆长并联机构,V（3-3）,第三章 加工域活动中的先进装备固定杆长并联机构可变杆长并联,92,第三章 加工域活动中的先进装备,可变杆长并联机构,V（6-3+3）,可变杆长并联机构,V（6-6）,第三章 加工域活动中的先进装备可变杆长并联机构可变杆长并联,93,3.并联运动机床动作分析, 位置分析,在对并联运动机床进行位置控制时，通常会遇到两类问题：,一类是已知各运动杆件的位置和姿态，需要求解动平台的位置和姿态，这是所谓的位置正解。,另一类是已知支平台的位置和姿态，需要求解各运动杆件的位置和姿态，这类问题称为位置反解。,并联机床位置分析使用反解法比较简便，正解法十分复杂。详细情况可参考高等机构学。,第三章 加工域活动中的先进装备,3.并联运动机床动作分析 一类是已知各,94,以6-SPS并联机构为例，在机构动平台和固定平台上分别建立坐标系，如图所示。,第三章 加工域活动中的先进装备,O,O,X,Y,Z,X,Y,Z,P,l,1,l,2,l,3,l,4,l,5,l,6,在动坐标系中的任意向量R，可通过坐标变换表示为固定坐标系中的向量R：,以6-SPS并联机构为例，在机构动平台和固,95,其中T为上平台姿态的方向余弦造成矩阵。P为动坐标原点在固定坐标系中的位置矢量。,当给定机构结构尺寸后，T矩阵与P矢量已知，利用几何关系可写出动平台和固定平台各铰链点（b,i,，B,i,，i=1,26）在各自坐标系中的坐标值。,利用上述公式，可把动平台铰链点的坐标值变换为固定平台中的坐标值。则6个驱动杆杆长矢量l,i,（i=1,26）在固定坐标系中可表示为：,机构的位置反解方程为：,第三章 加工域活动中的先进装备,其中T为上平台姿态的方向余弦造成矩阵。P为,96, 运动分析,由于并联机床各运动构件相互耦合，并联运动机床运动参数（速度、加速度、角速度、角加速度等）的转换具有非线性特征。,例如，对某个杆件输入一个匀速运动，其它杆件的速度、加速度都不是线性，是随输入杆件的位置不同而改变的，如下图所示。,第三章 加工域活动中的先进装备,v(m/s),l,1 (mm),(rad/s),6-SPS并联机构运动速度特性,v,x,v,y,v,z,z,x,y, 运动分析第三章 加工域活动中的先进装备,97, 工作空间分析,并联运动机床的工作空间是指在动平台给定姿态时，刀具中心点能达到的所有点的集合。它直接影响到机床的加工范围，是并联运动机床的重要特性之一。,影响并联运动机床工作空间的主要约束条件是：,杆件长度,、,铰链转角,及,构件的运动干涉,三个方面。,工作空间分析可借助数值法或解析法。前者的核心算法为，根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质，利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思路是，将并联机构拆解成若干单开链，利用曲面包络论求解各单开链子空间边界，再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。,第三章 加工域活动中的先进装备, 工作空间分析第三章 加工域活动中的先进装备,98,第三章 加工域活动中的先进装备,3-PSS并联运动机床工作空间,6-SPS并联运动机床工作空间Z向等高线,第三章 加工域活动中的先进装备3-PSS并联运动机床工作空,99,三、并联运动机床