第三讲：高效精密加工技术课件

高效精密加工技术高效精密加工技术1.1.高速切削加工高速切削加工2.2.高速加工工具系统高速加工工具系统3.3.精密切削毛刺形成及其控制精密切削毛刺形成及其控制4.4.磨削淬硬加工技术磨削淬硬加工技术专题三专题三1.高速切削加工 Carl Salomon 高速切削理论高速切削理论(1931.4)1.高速切削加工 1.高速切削加工 高速切削技术高速切削技术 按不同加工工艺划定的高速切削范围为按不同加工工艺划定的高速切削范围为:车削加工车削加工 7007007000m/min7000m/min 铣削加工铣削加工 300 300 6000m/min6000m/min 钻削加工钻削加工 2002006000m/min6000m/min 磨削加工磨削加工 150 150 360m/s360m/s 1.高速切削加工 高速切削技术优点高速切削技术优点 金属切除率提高金属切除率提高3 36 6倍倍;切削力降低切削力降低30%30%以上以上;切削热的切削热的95%95%98%98%被切屑带走被切屑带走;切削加工精度高切削加工精度高;可加工难加工材料可加工难加工材料;降低加工成本降低加工成本.1.高速切削加工 (1)切削区域呈现高应力切削区域呈现高应力、大应变态势大应变态势 切屑变形较大易形成锯齿状切屑切屑变形较大易形成锯齿状切屑 高速切削技术特点高速切削技术特点 （a）硬度）硬度325HB (b)硬度硬度325HB (c)硬度硬度325HB 切削速度切削速度:125.5m/min 切削速度切削速度:250m/min 切削速度切削速度:2600m/min 高速切削不同状态高速切削不同状态AISI4340AISI4340钢（钢（40CrNiMoA40CrNiMoA）时的切屑形态）时的切屑形态 1.高速切削加工 (2)切削力相对较小切削力相对较小、切削温度升幅趋缓切削温度升幅趋缓 刀具磨损速率低易保证加工质量刀具磨损速率低易保证加工质量高速切削技术特点高速切削技术特点 Al2O3基陶瓷刀具端铣调质基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力钢时的切削力 涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响 1.高速切削加工 (3)安全性问题凸显安全性问题凸显、尺寸效应作用增大尺寸效应作用增大 系统集成度决定着加工质量和效率系统集成度决定着加工质量和效率 高速切削技术特点高速切削技术特点 在在5000 rpm时刀片甩出的面铣刀时刀片甩出的面铣刀 基于高速切削加工的微细零件棱边形态基于高速切削加工的微细零件棱边形态 1.高速切削加工 高速切削技术的研究体系高速切削技术的研究体系1.高速切削加工1.高速切削加工1.高速切削加工1.高速切削加工1.高速切削加工2.高速加工工具系统2.高速加工工具系统 HSKHSK刀柄及工具系统特点刀柄及工具系统特点1.高速切削加工 HSKHSK刀柄及其工具系统特点刀柄及其工具系统特点 双面同步接触双面同步接触中空结构中空结构 1/101/10的锥度的锥度 锥面锥面过盈过盈配合配合 2.高速加工工具系统 HSKHSK刀柄分类刀柄分类 1.高速切削加工 HSKHSK刀柄的工作原理刀柄的工作原理 1.高速切削加工 HSKHSK工具系统研究及成果工具系统研究及成果(1)(1)建立建立HSKHSK工具系统的力学模型工具系统的力学模型,揭示出揭示出HSKHSK工具系统的工具系统的工作机理工作机理 HSK工具系统的力学模型工具系统的力学模型 HSK刀柄端面的受力分布图刀柄端面的受力分布图 2.高速加工工具系统 HSKHSK工具系统研究及成果工具系统研究及成果(2)HSK(2)HSK工具系统动态特性及其数值模拟和仿真计算工具系统动态特性及其数值模拟和仿真计算2.高速加工工具系统 HSKHSK工具系统研究及成果工具系统研究及成果(2)HSK(2)HSK工具系统动态特性及其数值模拟和仿真计算工具系统动态特性及其数值模拟和仿真计算2.高速加工工具系统 HSKHSK工具系统研究及成果工具系统研究及成果(3)(3)建立出建立出HSKHSK工具系统动平衡模型并进行实验验证工具系统动平衡模型并进行实验验证;(4)(4)开发出开发出UjsUjs-HSK-HSK工具系统的专家知识系统及软件工具系统的专家知识系统及软件;(5)(5)提出具有自洁、磨损补偿功能的提出具有自洁、磨损补偿功能的HSKHSK刀柄设计方案刀柄设计方案并申请国家发明专利并申请国家发明专利.2.高速加工工具系统 (1)高速加工工具系统的开发与应用高速加工工具系统的开发与应用 国家“十五”科技攻关项目（编号：2001BA205B）(2)高速切削加工中毛刺形成机理及其控制高速切削加工中毛刺形成机理及其控制 国家自然科学基金项目（编号：50675088）(3)高速加工工具系统自动平衡理论及其应用基础研究高速加工工具系统自动平衡理论及其应用基础研究 江苏省自然科学基金项目（编号：BK2004027）(4)高速数控机床工具系统的应用基础研究高速数控机床工具系统的应用基础研究 江苏省高校数字化设计制造实验室数字化设计制造实验室项目（编号：SZH2005008）(5)HSKHSK工具系统的研究工具系统的研究 江苏省高校先进数控技术实验室先进数控技术实验室项目（编号：KXJ06125）承担的主要相关项目承担的主要相关项目 2.高速加工工具系统 (1)出版学术专著出版学术专著1部部 高速加工工具系统高速加工工具系统 北京:国防工业出版社 2005.8 (2)出版高等院校教材出版高等院校教材2 2本本 精密与特种加工精密与特种加工 武汉:武汉理工大学出版社 2003.7 数控机床故障诊断技术数控机床故障诊断技术 北京:化学工业出版社 2005.2 (3)发表相关学术论文发表相关学术论文5050余篇余篇 发表在兵工学报兵工学报 、应用基础与工程科学学报应用基础与工程科学学报 、Chinese Journal of Mechanical Engineering、Key Engineering Materials和Materials Science Forum等期刊上等期刊上,被被EI,SCIEI,SCI收录论文收录论文3030余篇余篇 主要相关工作及其成果2.高速加工工具系统(4)培养硕士、博士研究生培养硕士、博士研究生8 8名名(5)申报申报(或获批或获批)国家发明专利国家发明专利5 5项项(6)获部省级科技进步奖获部省级科技进步奖2 2项项 工具系统基础共性技术研究工具系统基础共性技术研究 江苏省科学技术进步二等奖江苏省科学技术进步二等奖 2004.122004.12 高速加工工具系统的开发及应用高速加工工具系统的开发及应用 中国机械工业科学技术进步三等奖中国机械工业科学技术进步三等奖 2005.112005.11 主要相关工作及其成果王王 柱柱 HSK工具系统静动态特性的研究及其数值模拟工具系统静动态特性的研究及其数值模拟 2003.5 许许 琰琰 高速加工机床与刀具的接口技术及高速加工机床与刀具的接口技术及HSK专用专家知识系专用专家知识系 统的开发统的开发 2004.5沈春根沈春根 高速加工工具系统动平衡及其应用基础的研究高速加工工具系统动平衡及其应用基础的研究 2004.5王树林王树林 高速加工中高速加工中HSK工具系统性能及其应用基础的研究工具系统性能及其应用基础的研究 2004.12洪洪 泉泉 基于精密切削加工表面完整性及其专家知识系统的开发基于精密切削加工表面完整性及其专家知识系统的开发 2005.5王家华王家华 KM工具系统静动态特性的研究及其应用研究工具系统静动态特性的研究及其应用研究 2006.12吴卫国吴卫国 高效精密切削及其振动特性的研高效精密切削及其振动特性的研究究 2007.6薛宏丽薛宏丽 Big-plus刀柄的性能刀柄的性能及其应用基础研究及其应用基础研究 2007.6 2.高速加工工具系统 2.高速加工工具系统 2.高速加工工具系统 2.高速加工工具系统 与材料科学、摩擦学与材料科学、摩擦学 及微纳米技术相交叉及微纳米技术相交叉 研究切削工具材料、摩擦特性及涂层技研究切削工具材料、摩擦特性及涂层技术术 与信息科学、人工智能及网络技术相交叉与信息科学、人工智能及网络技术相交叉 研究切削过程建模、数值模拟及切削数研究切削过程建模、数值模拟及切削数据库据库 与控制科学、系统工程与控制科学、系统工程 及测试技术相交叉及测试技术相交叉 研究加工安全、在线监测及故障诊断技研究加工安全、在线监测及故障诊断技术术 高速切削技术发展趋势高速切削技术发展趋势2.高速加工工具系统 尚待深入研究的主要问题尚待深入研究的主要问题 刀柄刀柄新型新型材料开发及其性能研究材料开发及其性能研究;高速高速刀柄设计刀柄设计理论与方法理论与方法;刀刀柄柄结构与参数优化方法结构与参数优化方法;机床机床刀具接口刀具接口 (工具系统工具系统)动平衡检测及控制动平衡检测及控制;工具系统工具系统安全性的评价及其标准安全性的评价及其标准;加工过程的在线监测及故障诊断技术加工过程的在线监测及故障诊断技术.三、研究工作及成果三、研究工作及成果 精密与超精密切削加工精密与超精密切削加工 精密与超精密加工技术是现代机械制造技术精密与超精密加工技术是现代机械制造技术的前沿。通常是指零（部）件经过机械（包括特的前沿。通常是指零（部）件经过机械（包括特种）加工后种）加工后,其尺寸精度和形位精度都达到很高水其尺寸精度和形位精度都达到很高水准，表面质量准，表面质量(包括棱边尺寸及形态包括棱边尺寸及形态)达到很高水达到很高水平的加工技术。平的加工技术。(1)精密与超精密切削加工概念及水精密与超精密切削加工概念及水平平精密与超精密切削加工精密与超精密切削加工 (2)精密与超精密加工技术概念及水平精密与超精密加工技术概念及水平项项 目目精密加工（精密加工（mm）超精密加工（超精密加工（mm）尺寸尺寸圆度圆度圆柱度圆柱度平面度平面度表面粗糙度表面粗糙度RaRa 2.50.752.50.75 0.70.2 0.70.2 1.250.38 1.250.38 1.250.38 1.250.38 0.01 0.01 0.30.0250.30.025 0.120.06 0.120.06 0.250.13 0.250.13 0.250.13 0.250.13 0.005 0.005精密与超精密切削加工精密与超精密切削加工实现超精密加工的基本条件实现超精密加工的基本条件精密与超精密加工的理论体系精密与超精密加工的理论体系精密与超精密加工的基础共性技术精密与超精密加工的基础共性技术金刚石刀具的开发及应用金刚石刀具的开发及应用加工系统的在线监测与故障诊断加工系统的在线监测与故障诊断(3)(3)精密与超精密切削加工研究主要内容精密与超精密切削加工研究主要内容精密与超精密切削加工精密与超精密切削加工 (4)精密与超精密加工表面质量内涵精密与超精密加工表面质量内涵表面质量表面质量 表面粗糙度表面粗糙度表面残余应力表面残余应力加工硬化加工硬化棱边质量棱边质量 棱边棱边(毛刺毛刺)形态形态尺寸尺寸微观特征量微观特征量精密与超精密切削加工精密与超精密切削加工 (5)实现精密与超精密加工的基本条实现精密与超精密加工的基本条件件 超超精密精密加工机床加工机床 金刚石刀具金刚石刀具 洁净稳定的加工环境洁净稳定的加工环境 误差补偿系统及测量误差补偿系统及测量仪器和装置仪器和装置 (6(6)主要影响因素主要影响因素精密与超精密加工精密与超精密加工机床误差补偿其它加工机理操作技术刀具（砂轮）测量技术环境条件3.毛刺形成及控制 硅片超精密切削加工的切屑硅片超精密切削加工的切屑3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制 Al Mg Si 05 铣削；（铣削；（b）Al Mg Si 05 镗削；镗削；(C)Sb 37K 刨削刨削;(d)Al Mg Si 05磨削磨削;(e)C15 车削车削3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制1.1.影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度；影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度；2.2.破坏或影响下道加工工序的定位；破坏或影响下道加工工序的定位；3.3.影响或干扰工件的测量精度：影响或干扰工件的测量精度：4.4.在装配工序中影响装配质量；在装配工序中影响装配质量；5.5.加工中毛刺脱落使工件尺寸超差或使其报废：加工中毛刺脱落使工件尺寸超差或使其报废：6.6.零件零件(部件部件)上带有毛刺影响其工作效果及实用性能；上带有毛刺影响其工作效果及实用性能；7.7.工件或零部件加工及运输中对操作者安全构成威胁；工件或零部件加工及运输中对操作者安全构成威胁；8.8.使用中零部件上毛刺脱落成为引起故障的原因之一；使用中零部件上毛刺脱落成为引起故障的原因之一；9.9.对毛刺进行去除加工通常成为增大加工成本：对毛刺进行去除加工通常成为增大加工成本：10.10.直接影响工件表面美观度及影响产品的销售等。直接影响工件表面美观度及影响产品的销售等。3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制 金属切削毛刺分类体系金属切削毛刺分类体系1.1.奥岛毛刺分类体系奥岛毛刺分类体系2.L.K.Gillespie毛刺分类体系毛刺分类体系3.K.Nakayama毛刺分类体系毛刺分类体系4.4.切削运动切削运动刀具切削刃毛刺分类新体系刀具切削刃毛刺分类新体系3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制 奥岛毛刺分类体系奥岛毛刺分类体系3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制L.K.Gillespie毛刺分类体系毛刺分类体系3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制K.Nakayama毛刺分类体系毛刺分类体系3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制 切削运动切削运动刀具切削刃毛刺分类体系刀具切削刃毛刺分类体系3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制 两侧毛刺形成模型两侧毛刺形成模型3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制毛刺形成及其变化规律毛刺形成及其变化规律3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制车削加工中进给方向毛刺形态车削加工中进给方向毛刺形态3.3.毛刺形成及控制毛刺形成及控制 切削毛刺形成的定性或定量性预报；切削毛刺形成的定性或定量性预报；毛刺形成中特殊现象的研究；毛刺形成中特殊现象的研究；拓宽研究及应用领域；拓宽研究及应用领域；开发控制毛刺的新途径和新方法；开发控制毛刺的新途径和新方法；加强学科渗透，促进研究发展。加强学科渗透，促进研究发展。4.磨削淬硬加工技术平面磨削淬硬加工试验过程平面磨削淬硬加工试验过程 4.磨削淬硬加工技术（a a）砂轮径向切入砂轮径向切入 （b b）工件周向进给工件周向进给 外圆磨削淬硬加工试验过程外圆磨削淬硬加工试验过程 4.磨削淬硬加工技术 （a）表面层表面层 （b）次表层次表层 （c）里层里层40Cr钢磨削淬硬层完全淬硬区组织的钢磨削淬硬层完全淬硬区组织的SEM照片照片 （a）表面层表面层 （b）次表层次表层 （c）里层里层40Cr钢磨削淬硬层完全淬硬区板条马氏体的钢磨削淬硬层完全淬硬区板条马氏体的TEM照片照片4.磨削淬硬加工技术（a a）砂轮径向切入砂轮径向切入 （b b）工件周向进给工件周向进给 外圆磨削淬硬加工试验过程外圆磨削淬硬加工试验过程 4.磨削淬硬加工技术 图图3 45#钢磨削淬硬层的显微硬度变化钢磨削淬硬层的显微硬度变化4.磨削淬硬加工技术 图图4 40Cr磨削淬硬层的残余应力变化磨削淬硬层的残余应力变化 刘菊东博士学位论文1.Study on the formation of grind-hardening of steel AISI 1006.ISAAT2006 Key Engineering Materials,Vol.329(2007)(SCI,EI收录收录)2.Experimental Research of Grind-Hardening of 65Mn Steel.Material Science Forum,Vol.505-507(2006)（SCI收录）收录）3.Research of Surface Hardening Based on Transverse Feed Grinding.Materials Science Forum,v532-533(2006)（ISTP收录收录)4.Study on Forming Mechanism of Surface Hardening in Two-Pass Grinding 40Cr Steel.Key Engineering Materials,Vol.304-305(2006)（SCI,EI收录）收录）5.65Mn钢磨削硬化层组织的研究钢磨削硬化层组织的研究.中国机械工程中国机械工程,Vol.15(17)(2004)（EI收录）收录）6.非淬硬钢磨削表面硬化层的实验研究非淬硬钢磨削表面硬化层的实验研究.中国机械工程中国机械工程,Vol.16(11)(2005)（EI 收录）收录）7.横向进给磨削表面硬化层的研究横向进给磨削表面硬化层的研究.中国机械工程中国机械工程,Vol.16(23)(2005)（EI收录）收录）8.磨削用量对磨削用量对40Cr钢磨削淬硬层的影响钢磨削淬硬层的影响.中国机械工程中国机械工程,Vol.17(17)(2006)（EI 收录）收录）9.基于缓进给湿磨的表面硬化研究基于缓进给湿磨的表面硬化研究.兵工学报兵工学报,Vol.27(2006)（EI收录收录)10.双程切入磨削表面硬化层的研究双程切入磨削表面硬化层的研究.材料热处理学报材料热处理学报,Vol.27(1)(2006)（EI 收录）收录）刘菊东博士学位论文11.双程切入磨削表面硬化层的研究双程切入磨削表面硬化层的研究.材料热处理学报材料热处理学报,Vol.27(1)(2006)（EI 收录）收录）12.磨削深度对磨削深度对65Mn钢磨削硬化层的影响研究钢磨削硬化层的影响研究.农业机械学报农业机械学报,Vol.36(8)(2005)EI 收录）收录）13.45钢磨削硬化的试验研究钢磨削硬化的试验研究.材料科学与工艺材料科学与工艺,Vol.13(3)(2005)（EI 收录）收录）14.原始组织对原始组织对40Cr钢磨削硬化层的影响研究钢磨削硬化层的影响研究.金属热处理金属热处理,Vol.29(12)(2004)（EI 收录）收录）15.中碳钢缓进干磨表面硬化层特征中碳钢缓进干磨表面硬化层特征.金属热处理金属热处理,Vol.30,12(2005)（EI 收录）收录）16.砂轮特性对砂轮特性对40Cr钢磨削淬硬层的影响钢磨削淬硬层的影响.金属热处理金属热处理,Vol.31(2006)（EI收录收录)17.40Cr钢外圆磨削表面淬硬层的组织钢外圆磨削表面淬硬层的组织.金属热处理金属热处理,Vol.32(2007)（EI收录收录)18.Formation and prediction of cutting-direction burr.Journal of Harbin Institute of Technology.Vol.12(2)(2005)（EI 收录）收录）19.磨削淬硬加工区域温度的数值模拟磨削淬硬加工区域温度的数值模拟.应用基础与工程科学学报应用基础与工程科学学报,Vol.14(2006)（EI 收录）收录）20.Influence of Frequency Ratio on Dynamic Angular Displacement of Screwing Tap in Low-frequency Vibration Tapping.Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers,Vol.26(2006)（EI 收录）收录）21.Dynamic simulation of vibration tapping.Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers,Vol.27(1)(2006)(EI收录收录)刘菊东博士学位论文23.磨削淬硬工艺的研究现状与发展趋势磨削淬硬工艺的研究现状与发展趋势.现代制造工程现代制造工程,11(2003)24.基于磨削加工的表面形变淬火工艺基于磨削加工的表面形变淬火工艺磨削淬硬磨削淬硬.工具技术工具技术,Vol.38(7)(2004)25.Experimental Investigation of Grind-Hardening of Steel AISI 1066.Proceedings of the 6th International Conference on Frontiers of Design and Manufacturing,Xian,China26.冷却条件对冷却条件对65Mn钢磨削硬化层组织与性能的影响钢磨削硬化层组织与性能的影响.工具技术工具技术,Vol.38(9)(2004)27.梯度聚晶金刚石复合材料的开发梯度聚晶金刚石复合材料的开发.工具技术工具技术,Vol.38(10)(2004)28.40Cr钢磨削淬硬层组织形成机理的研究钢磨削淬硬层组织形成机理的研究.材料热处理学报材料热处理学报 Vol.32 (2007)（EI收录收录)29.磨削淬硬加工中两侧方向毛刺的形成与控制磨削淬硬加工中两侧方向毛刺的形成与控制.应用基础与工程科学学报应用基础与工程科学学报（EI收录收录)30.40Cr钢磨削淬硬层的磨损试验研究钢磨削淬硬层的磨损试验研究.金属热处理金属热处理 Vol.32(2007)（EI收录收录)4.磨削淬硬发展展望系统深入揭示磨削淬硬的形成机理系统深入揭示磨削淬硬的形成机理;确立出磨削淬硬自淬火的临界条件；确立出磨削淬硬自淬火的临界条件；磨削淬硬加工的主动控制技术开发磨削淬硬加工的主动控制技术开发;开发并研制适用于磨削淬硬加工的新型砂轮；开发并研制适用于磨削淬硬加工的新型砂轮；磨削淬硬加工工艺优化磨削淬硬加工工艺优化;拓宽磨削淬硬工艺技术的应用领域拓宽磨削淬硬工艺技术的应用领域.谢谢 谢谢 ！