畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)外 文 翻 譯學(xué) 生 姓 名學(xué) 院 名 稱專 業(yè) 名 稱指 導(dǎo) 教 師2012 年 5 月 26 日高速機(jī)床的高精密加工摘要目的：現(xiàn)代機(jī)床加工精密產(chǎn)品的三維加工的磨削速度超過 20000 轉(zhuǎn)每分鐘。硬加工和柔性加工的差異對(duì)機(jī)床的概念有影響。剛度和硬度的特性和變量是影響加工零件的精度和質(zhì)量的原因。設(shè)計(jì)/方法/途徑：本文介紹了一些有趣的具有不同概念的現(xiàn)代機(jī)床如：DCG (Drive in Centre of Gravity - Mori Seiki), LAF (Look Ahead Function on machine - Sodick),高速為 20000-60000 轉(zhuǎn)每分鐘，線性驅(qū)動(dòng)等。從想法到加工零件的轉(zhuǎn)變方式將會(huì)被演示。結(jié)果：為了達(dá)到高精度，滿足機(jī)床上許多需要的功能是必須的。結(jié)果表明加工零件也取決于加工材料（硬度、結(jié)構(gòu)、晶體尺寸） 。研究局限性/含義：工程師的工作是準(zhǔn)備與 CAD-CAM 軟件相關(guān)的最優(yōu)的數(shù)控程序。在提到的所有因素后加工和測(cè)量工件。創(chuàng)意/價(jià)值：對(duì)比預(yù)測(cè)的測(cè)量結(jié)果，讓我們知道事實(shí)和對(duì)高精度產(chǎn)品的決定。關(guān)鍵詞：制造與加工；加工；高速機(jī)床；精密加工；精密產(chǎn)品；柔性加工；硬加工1 簡(jiǎn)介現(xiàn)代機(jī)床的一些細(xì)節(jié)包括超模塊，如旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、精密高轉(zhuǎn)速主軸、棒料庫、刀具庫、工件庫、激光零點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)、診斷過程的切削力測(cè)力機(jī)、頻率傳感器、聲響傳感器等[1]。加工時(shí)為了連接所有的模塊，機(jī)床的計(jì)算機(jī)必須是最優(yōu)秀的。計(jì)算機(jī)中的軟件如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、遺傳編程、預(yù)測(cè)功能，這些都是用來保證加工過程中的最優(yōu)切削參數(shù)[2]、[3]。世界各地的許多切削機(jī)床的制造商提供了機(jī)床空載時(shí)的精度水平。為了獲得高精密產(chǎn)品，我們需要高水平性能的車床。性能越好，車床的價(jià)格也越高。頂級(jí)機(jī)床的價(jià)格是 500000 到 1000000 歐元，它的價(jià)格超過了三軸機(jī)床。帶有驅(qū)動(dòng)工具的三軸銑床和車床價(jià)格低于 400000 歐元。小型舊機(jī)床的傳統(tǒng)加工—沒有現(xiàn)代化的高速，在個(gè)體制造業(yè)或刀具制造業(yè)也是非常有用。上面提到的機(jī)床價(jià)格低于 200000 歐元。它們大部分不能達(dá)到高速區(qū)，高速區(qū)是由更多的元素定義的，這將在這篇文章的下面章節(jié)給出。3D 凹印拋光對(duì)獲得較低的表面粗糙度是一項(xiàng)非常特殊的工作。這一工作耗時(shí)的主要方面是操作。那是因?yàn)樗淖詣?dòng)化與驅(qū)動(dòng)拋光的刀具和減少特殊切削技術(shù)的選擇有關(guān)。所以確保選擇球頭銑刀、低切削深度、小進(jìn)給量和很高的速度是必要的。因?yàn)榧夹g(shù)是重要的軟件和控制器，所以在自學(xué)控制器的基礎(chǔ)上，它包括了復(fù)雜的優(yōu)化的切削條件的大量知識(shí)[4,5]。自動(dòng)進(jìn)給最小化在使用 3D磨具靠近表面加工和拋光時(shí)是很有用的。2 現(xiàn)代切削機(jī)床的內(nèi)容我們所提到的模塊也是有適應(yīng)性。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)在工件自動(dòng)夾緊裝置的情況下是更有效的。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和工藝[6]。圖 1 給出了夾緊裝置上相關(guān)液壓控制的概念原理圖。下圖給出了機(jī)床電源,動(dòng)力裝置和空氣和液壓介質(zhì)的控制系統(tǒng)。圖 1 銑床上介質(zhì)流從信號(hào)源到工作板的原理展示切削機(jī)床擁有高生產(chǎn)率，那是因?yàn)樗碛鞋F(xiàn)代傳統(tǒng)系統(tǒng)的 60 支座床身等級(jí)作為臥式和立式切削機(jī)床的新概念，如圖 2。配有驅(qū)動(dòng)刀具和雙側(cè)主軸切削機(jī)床的生產(chǎn)率也高。由于增加軸 Z1、Z 2和軸 C1、C 2，生產(chǎn)率比常規(guī)車床的生產(chǎn)率提高 5-7 倍。立式車床也是集成化加工的新概念，與臥式車床相比，它的原理晶片有更好的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖 2 是工件在主軸的下面。這也有可能是相對(duì)的，主軸在上面，切削刀具在旋轉(zhuǎn)器和串聯(lián)刀具夾緊系統(tǒng)上移動(dòng)。想這樣的機(jī)床會(huì)更精確、更精密、更高效。圖 2 有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、輔助軸承和 Y 軸的臥式車床和立式車床圖 3 穩(wěn)健的水平加工中心穩(wěn)健的水平加工中心，如圖 3 所示的多軸機(jī)床的模塊和結(jié)構(gòu)的粗糙概念。B 軸稱為水平調(diào)節(jié)控制軸 4。它能夠加工三維工件的復(fù)雜形狀。因?yàn)榧毙枰獧C(jī)床，所以我們有必要為機(jī)械加工準(zhǔn)備有效的編程工程師。來自低等教育的普通管理工人不但不能提供最優(yōu)的加工時(shí)間，而且還會(huì)提高生產(chǎn)成本。最新車床的床身低于 60 度。如圖 4，圖 5 這樣的角度給切削力組件的假設(shè)提供了最優(yōu)解。振動(dòng)是有限的，芯片流同樣也是有規(guī)定的。下面的原理圖介紹了兩個(gè)主軸、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和驅(qū)動(dòng)刀具。在相反面加工的同時(shí)切削力會(huì)得到補(bǔ)償。圖 4 擁有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和輔助軸承的臥式車床的基本結(jié)構(gòu)圖 5 擁有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和相對(duì)主軸的臥式車床的基本結(jié)構(gòu)最后的模型是多軸機(jī)床。該車床基本上包含了所有可能的模塊和軸。由于主軸的左右兩面，我們可以在沒有后勤保證體系、雙向定位和夾緊的條件下在同一臺(tái)機(jī)床上完成產(chǎn)品的加工。銑床主軸生產(chǎn)的形狀復(fù)雜的產(chǎn)品與 7 臺(tái)不同機(jī)床的傳統(tǒng)生產(chǎn)不一樣。圖 6 多軸加工中心現(xiàn)代機(jī)床的工作原理和控制器的收集模塊如圖 7 所示，傳統(tǒng)的控制是數(shù)控，然后是計(jì)算機(jī)數(shù)控，最新的是中央處理器單元。所有的片段都與高速互聯(lián)網(wǎng)總線連接相連。高功率的電機(jī)是交流的數(shù)字伺服電機(jī)。圖 7 帶有 CPU 技術(shù)的 CNC 控制的現(xiàn)代機(jī)床的控制原理3 精密加工；理論和原理精加工可以通過更多的方法完成，如傳統(tǒng)精細(xì)切削、光滑加工、滾動(dòng)和后處理。傳統(tǒng)的方法是由鋒利的切削刃和小的進(jìn)給率加工的。光滑加工是在切割刃切割較大半徑 R的現(xiàn)代加工方法，進(jìn)給率大，去除率 8 倍大。如圖 8 所示，通過觀察加工的時(shí)間來獲得所需的表面粗糙度是非常重要的。圖 8 表面粗糙度和加工時(shí)間的對(duì)應(yīng)圖刀具材料對(duì)工件表面粗糙度有很重要的影響。特別是鍍膜的類型如 TiN,TiCN,TiALN將較少刀具的磨損，如圖 9。為了使刀具磨損最小，刀具的壽命要達(dá)到切削刃的標(biāo)準(zhǔn)。柔性切削加工會(huì)引起較好的滑動(dòng)現(xiàn)象、更好的摩擦學(xué)接觸和更好的表面粗糙度。如用所提到的硬質(zhì)合金刀具，表面粗糙度會(huì)顯著降低。圖 9 不同鍍膜的硬質(zhì)合金材料的銑刀的刀具壽命球頭銑刀是精加工中最理想的切削刀具。那種尖頭銑刀可以使切削工件的硬度達(dá)到62HRc。刀具生產(chǎn)商們可以生產(chǎn)直徑為 0.5 毫米帶有兩個(gè)出屑槽的刀具。這些刀具的每個(gè)切削刃都很鋒利，而且還有非常精確的切削角。如圖 10 所示，當(dāng)超過加工時(shí)間后切削刃將會(huì)磨損。正常的理論磨損是在刀具的出屑槽，但是在刀具的中間部分，也就是刀具的中心部分也會(huì)有一些破損[9]。原因是切削速度越小，積削瘤對(duì)磨損也有影響[10]。刀具磨損和刀具的使用壽命取決于使用刀具的材料和刀具在加工表面上運(yùn)行的次數(shù)。鍍膜為 TiALN 或 TiN 的 W 或 VB 處的刀具磨損是最好的，如圖 11。圖 10 球頭銑刀上的不同磨損形狀圖 11 基于中間磨損的刀具磨損圖表我們進(jìn)行較多的實(shí)驗(yàn)后，得到精密加工的最優(yōu)解是：多層鍍膜后的最后一層鍍膜是TiN[12]，這樣刀具就會(huì)有較低的摩擦系數(shù)。如圖 12 所示，刀具磨損是最小的。通常情況切削參數(shù)定義為 a=0.1mm,f=0.05mm 切削速度 v=150-200m/min。只有 20000 到 40000 轉(zhuǎn)每分鐘的高速機(jī)床才有可能獲得較小刀具直徑。圖 12 切削刃的刀具磨損圖 13 告訴我們銑刀的圓頭尖端上自由表面的刀具磨損是較大的。切削刃損壞在銑刀圓頭尖端是可以看見的。出現(xiàn)這樣的情況就是機(jī)床參數(shù)的錯(cuò)誤決定。在這種情況下，原因是進(jìn)給率太高。為獲得更大的材料去除量只考慮增大進(jìn)給率是不正確的。進(jìn)給率必須保持很小。只有在更高的切削速度下我們才能獲得更大的材料去除量。圖 13 切削刃上的磨損4 拋光加工表面的最后一步是拋光。它只有在幾何形狀要求的公差不超過 2 微米時(shí)有用。拋光不但費(fèi)時(shí)，而且需要手工驅(qū)動(dòng)拋光刀具。使用這種方法拋光時(shí)，拋光的時(shí)間會(huì)縮短，因?yàn)閽伖舛紊系恼駝?dòng)能量會(huì)幫助拋光。如圖 14 用模具進(jìn)行閉合表面的最后精加工。結(jié)合精密研磨，拋光的時(shí)間從 16 小時(shí)縮短到 3 小時(shí)。圖 14 用驅(qū)動(dòng)刀具對(duì)工件手動(dòng)拋光使用不同的人造鉆石拋光凝膠也會(huì)縮短拋光時(shí)間。不同的凝膠用于不同的材料。拋光表面的硬度和粗糙度要求不同的人造鉆石尺寸。凝膠的流動(dòng)性和粘性同樣影響拋光的時(shí)間，如圖 15。圖 15 人造鉆石拋光凝膠如上所述，拋光刀具的振動(dòng)能量是有用的。圖 16 是擁有超聲波頻率的拋光裝置。這意味著從 14 到 21 赫茲，當(dāng)工人不集中于他的工作時(shí)，這樣的運(yùn)動(dòng)對(duì)表面是有危害的。在另一種情況下裝置上的力較小時(shí)，表面會(huì)由于預(yù)熱過高而損壞，這也是引起表面層再結(jié)晶的原因。圖 16 超生波設(shè)備下的工件的手動(dòng)/驅(qū)動(dòng)/拋光5 機(jī)床 Sodick 的精密性和性能的案例研究機(jī)床的案例的研究是在模具工件產(chǎn)品上進(jìn)行的。圖 17 是原理運(yùn)動(dòng)圖，這對(duì)產(chǎn)品獲得所需的形狀是必需的。作為第一次設(shè)計(jì) CAD 的程序之一，輸入設(shè)計(jì)是新的或者舊的部分會(huì)有所改變。如果那樣，逆向工程將是數(shù)控編程快速編寫的正確方法。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是建立在 CAM 軟件上的數(shù)控編程。故障是噴流的后置處理，這樣每臺(tái)機(jī)床的控制器就小多了。圖 18 是許多現(xiàn)代模塊集成的現(xiàn)代化車床的案例。工件庫在加工中心的左邊，較強(qiáng)的控制系統(tǒng)在加工中心的右邊，最右邊是刀具庫。圖 17CAD-CAM 測(cè)略模式的流程圖圖 18 高速加工中心 Sodick MC430L正如我們前面所提到的許多現(xiàn)代模塊包括 SODICK 機(jī)械加工中心。其中的一個(gè)很有趣的解釋是因?yàn)楦叩倪M(jìn)給速度對(duì)柔性加工很重要。這些特征保證了線性驅(qū)動(dòng)電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的原理是基礎(chǔ)，它是從線性形狀的旋轉(zhuǎn)發(fā)展來的。永久磁鐵位于磁鐵板中的線性轉(zhuǎn)子處。電動(dòng)機(jī)的外殼部分與電力和控制系統(tǒng)相連。這樣的話我們可以對(duì)移動(dòng)區(qū)域的每一點(diǎn)精確而快速的定位。所有的三軸都有各自的線性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)臺(tái)由 Y,X 軸驅(qū)動(dòng)，Z 軸是主軸的進(jìn)給系統(tǒng)。 下一個(gè)試驗(yàn)是對(duì)所需部分的加工。一些重要的形狀、尺寸和公差是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)上的設(shè)計(jì)圖上設(shè)計(jì)的。圖 19 是有趣的表面光柵，作為產(chǎn)品的特殊表面設(shè)計(jì)它越來越現(xiàn)代化。三維設(shè)計(jì)展現(xiàn)了藥片的不同形狀。加工產(chǎn)品需要許多相似的形狀，所以我們必須優(yōu)化切削技術(shù)。機(jī)床上的程序可以使刀具快速換刀，這種情況我們可以描述為切削操作。刀具換刀系統(tǒng)為藥片的小孔設(shè)計(jì)選擇球片刀具。主軸在刀具庫、零點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)和加工工件之間以快速的進(jìn)給速度移動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)刀具直徑的最佳切削速度所需的主軸上的切削工藝參數(shù)是 28 轉(zhuǎn)每分鐘。加工的進(jìn)給速度是 800-2300 毫米每分鐘，進(jìn)給速度大小取決于精密加工的要求。一些加工表面的細(xì)節(jié)如圖 20 和 21。圖 21 所示的麻點(diǎn)形狀是很好的精密加工，在這種情況下，就不再需要手動(dòng)拋光了，因?yàn)榇植诙戎?Ra=0.2 微米。最后必須應(yīng)用加工拋光來獲得較好的表面粗糙度質(zhì)量。用不同的切削參數(shù)和沒有磨損的刀具可以使表面粗糙度值為 0.5 微米。通常在這之后就不需要手工拋光了。圖 20 加工表面的細(xì)節(jié)用光柵制藥是有趣的。鋁模型的設(shè)計(jì)用于藥片包裝。圖 21 加工表面的細(xì)節(jié)生產(chǎn)機(jī)床的各廠家將機(jī)床特性作為機(jī)床的質(zhì)量證書。尺寸的精密性很有可能控制機(jī)床所有的軸。我們會(huì)測(cè)量銑床主軸相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)間的垂直度。因?yàn)槭俏⒚诇y(cè)量，所以我們用最好最精確的測(cè)量設(shè)備。機(jī)床生產(chǎn)商保證 X 和 Y 軸的值為 0.007 毫米。通過測(cè)量SODICK，X 軸的值為 0.004 毫米。在實(shí)驗(yàn)室 LABOD-盧布爾雅那大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)院，我們得到了更好的結(jié)果：X,Y 兩軸都是 0.002 毫米。圖 22 是提到的所有值的表格。圖 19 測(cè)試產(chǎn)品案例研究的設(shè)計(jì)圖 22 銑床主軸和轉(zhuǎn)臺(tái)間的垂直度6 總結(jié)現(xiàn)代的各類生產(chǎn)都基于切削技術(shù)參數(shù)的自我系統(tǒng)優(yōu)化。首先是在策略金字塔上最頂層的精密高速機(jī)床。加工時(shí)間的減少對(duì)模具是必須的，模具加工是由擁有精密加工和拋光的現(xiàn)代高速銑床得到的。與傳統(tǒng)加工方法相比，閉模表面的調(diào)整時(shí)間大約減少 15%。軟件測(cè)量的正確值0.05 毫米比刀具的正確值大。這樣的話最好用五軸機(jī)床。閉模和快速產(chǎn)品（短周期的鋁合金鑄模）的較小公差要求額外的模具功能，如真空封閉雕刻。通過試驗(yàn)和測(cè)量的偏差，我們將會(huì)額外的擴(kuò)大技術(shù)數(shù)據(jù)庫。隨著越來越多和越好數(shù)據(jù)，我們可能使用 CAM 編程更加簡(jiǎn)短的手工加工來適應(yīng)閉模表面加工。在汽車業(yè)中，部分材料的選擇和發(fā)展能夠在特定的力學(xué)性能和維修中遇到熱量的條件下繼續(xù)操作，與此同時(shí)維持它們的切削加工性能的特點(diǎn)能夠保證使用材料的經(jīng)濟(jì)性。在切削刃處測(cè)試材料的加工會(huì)產(chǎn)生高溫，這將損害刀具材料的性能。市面上能買到的刀具材料只能用在速度小的條件下。更高級(jí)的刀具材料如 CBN 能夠在較高的切削速度的條件下生產(chǎn)高質(zhì)量的零件。就像所有的刀具材料都一樣，在切削表面產(chǎn)生的極限溫度和壓力的條件下，它們的刀具壽命是有限的。因?yàn)樗械牡毒卟牧显诟咚偾邢鞯臈l件下都會(huì)失去它們的硬度，所以為最小化刀具-工件和刀具-晶片接口產(chǎn)生的溫度制定特定的技術(shù)是必需的。在機(jī)械加工工藝的優(yōu)化中，必須考慮加工零件的客戶的需求。在汽車零件的加工中，表面質(zhì)量、公差和生產(chǎn)率是客戶制定的要求，其中加工零件的表面質(zhì)量的主要體現(xiàn)是表面粗糙度和毛刺外觀。提高使用刀具的性能不但非常困難、昂貴，而且 CBN 刀具的圖層所含有的 TiALN 和TiN 對(duì)有效的切削技術(shù)有很大的影響。未來，在高速條件下通過適當(dāng)?shù)毒卟牧?、加工技術(shù)和刀具幾何形狀的合理選擇，對(duì)軟、硬材料的加工可以得到提高。