《现代制造系统》课件UNIT 4-1-1 manufacturing-manufacturing techniques.ppt

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1、引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/1Unit4先进制造单元技术先进制造单元技术E E制造工艺技术群制造工艺技术群F F制造自动化技术群制造自动化技术群G G生产线布局及其设计生产线布局及其设计H H物料搬运系统规划设计物料搬运系统规划设计 J J柔性制造系统及柔性制造系统及CIMSCIMS引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY

2、2024/7/182024/7/18http:/2机械产品成形的工艺过程机械产品成形的工艺过程：材料准备、机材料准备、机械加工、热处理及表面处理和装配。械加工、热处理及表面处理和装配。基本概念引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/3机械加工成形方法机械加工成形方法去除成型去除成型(如车、铣、刨、磨等如车、铣、刨、磨等)受迫成型（如锻造、锻压等）受迫成型（如锻造、锻压等）离散离散/堆积成型（焊接）堆积成型（焊接）生成成型生成成型(动、植物生

3、长动、植物生长)思考题：机械加工的成形方法有哪几种？试举例说明。思考题：机械加工的成形方法有哪几种？试举例说明。思考题：机械加工的成形方法有哪几种？试举例说明。思考题：机械加工的成形方法有哪几种？试举例说明。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/41 精密与超精密精密与超精密高速与超高速高速与超高速 2高能与超高能高能与超高能 34 微细与微纳米微细与微纳米机械加工向机械加工向机械加工向机械加工向超精密、超高速超精密、超高速超精密、超高速

4、超精密、超高速方向发展方向发展方向发展方向发展以超精密超高以超精密超高以超精密超高以超精密超高速加工为代表速加工为代表速加工为代表速加工为代表特种加工方法和应用领域不特种加工方法和应用领域不特种加工方法和应用领域不特种加工方法和应用领域不断拓展断拓展断拓展断拓展以激光加工技术以激光加工技术以激光加工技术以激光加工技术为代表为代表为代表为代表采用自动化技术，实现工艺采用自动化技术，实现工艺采用自动化技术，实现工艺采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制过程的优化控制过程的优化控制过程的优化控制以微机以微机以微机以微机械加工为代表械加工为代表械加工为代表械加工为代表加工与设计趋于集成和一体加工与设计

5、趋于集成和一体加工与设计趋于集成和一体加工与设计趋于集成和一体化化化化以快速原型制造为代以快速原型制造为代以快速原型制造为代以快速原型制造为代表表表表P引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/51精密与超精密加工技术引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/6哈哈哈哈勃勃勃勃空空空空间间间

6、间望望望望远远远远镜镜镜镜的的的的镜镜镜镜片片片片：直直直直径径径径2.42.42.42.4米，重量米，重量米，重量米，重量900900900900公斤；公斤；公斤；公斤；要求在地面上获得要求在地面上获得要求在地面上获得要求在地面上获得0.10.10.10.1角秒的高角秒的高角秒的高角秒的高分辨率：相当于从黑龙江省的黑分辨率：相当于从黑龙江省的黑分辨率：相当于从黑龙江省的黑分辨率：相当于从黑龙江省的黑河能分辨在海南省的三亚市的一河能分辨在海南省的三亚市的一河能分辨在海南省的三亚市的一河能分辨在海南省的三亚市的一辆汽车前面的两个车灯。辆汽车前面的两个车灯。辆汽车前面的两个车灯。辆汽车前面的两个车

7、灯。为了做到这一点，镜头的形状误为了做到这一点，镜头的形状误为了做到这一点，镜头的形状误为了做到这一点，镜头的形状误差不得超过差不得超过差不得超过差不得超过0.01m 0.01m 0.01m 0.01m；要求如此；要求如此；要求如此；要求如此巨大零件的制造误差落在如此狭巨大零件的制造误差落在如此狭巨大零件的制造误差落在如此狭巨大零件的制造误差落在如此狭窄的范围内窄的范围内窄的范围内窄的范围内(10nm)(10nm)(10nm)(10nm)，是非常复杂，是非常复杂，是非常复杂，是非常复杂的！的！的！的！黑河黑河三亚三亚三亚三亚0.10.1角秒角秒角秒角秒引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交

8、通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/7依据加工精度和表面粗糙度将机械加工分为依据加工精度和表面粗糙度将机械加工分为依据加工精度和表面粗糙度将机械加工分为依据加工精度和表面粗糙度将机械加工分为一般加工、精密加工和超精一般加工、精密加工和超精一般加工、精密加工和超精一般加工、精密加工和超精密加工密加工密加工密加工。精密加工：精密加工：精密加工：精密加工：是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常包是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常包是指加工精度和表面质量达到

9、极高精度的加工工艺，通常包是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常包括精密切削加工和精密磨削加工。括精密切削加工和精密磨削加工。括精密切削加工和精密磨削加工。括精密切削加工和精密磨削加工。超精密加工：超精密加工：超精密加工：超精密加工：超精密加工是相对于精密加工而言的。是以高精度为目标超精密加工是相对于精密加工而言的。是以高精度为目标超精密加工是相对于精密加工而言的。是以高精度为目标超精密加工是相对于精密加工而言的。是以高精度为目标的加工技术，它要求在综合应用各种新技术和各方面精益求精的条件下，的加工技术，它要求在综合应用各种新技术和各方面精益求精的条件下，的加工技术，它要求在综合应

10、用各种新技术和各方面精益求精的条件下，的加工技术，它要求在综合应用各种新技术和各方面精益求精的条件下，突破常规加工技术达到新的高精度指标。突破常规加工技术达到新的高精度指标。突破常规加工技术达到新的高精度指标。突破常规加工技术达到新的高精度指标。一、基本概念一、基本概念引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/8一般加工：一般加工：一般加工：一般加工：精度精度精度精度1 1 1 110m10m10m10m左右左右左右左右;Ra0.1Ra0.1

11、Ra0.1Ra0.10.8m0.8m0.8m0.8m；精密加工：精密加工：精密加工：精密加工：精度精度精度精度0.10.10.10.11m1m1m1m左右左右左右左右；Ra0.025Ra0.025Ra0.025Ra0.0250.1m0.1m0.1m0.1m；超精密加工：超精密加工：超精密加工：超精密加工：精度精度精度精度0.010.010.010.010.1m0.1m0.1m0.1m左右左右左右左右;亚微米级亚微米级亚微米级亚微米级 Ra0.005Ra0.005Ra0.005Ra0.0050.025m0.025m0.025m0.025m；纳米加工：纳米加工：纳米加工：纳米加工：精度高于精度高于

12、精度高于精度高于0.001m;Ra0.005m0.001m;Ra0.005m0.001m;Ra0.005m0.001m;Ra0.005m 引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/9精密与超精密加工是涉及内容广泛的综合技术，它要求有精密的机床设备精密与超精密加工是涉及内容广泛的综合技术，它要求有精密的机床设备精密与超精密加工是涉及内容广泛的综合技术，它要求有精密的机床设备精密与超精密加工是涉及内容广泛的综合技术，它要求有精密的机床设备和工具、

13、稳定的环境条件、自动化的实时检测工具等，具体而言精密与超和工具、稳定的环境条件、自动化的实时检测工具等，具体而言精密与超和工具、稳定的环境条件、自动化的实时检测工具等，具体而言精密与超和工具、稳定的环境条件、自动化的实时检测工具等，具体而言精密与超精密加工需要如下的精密加工需要如下的精密加工需要如下的精密加工需要如下的关键技术关键技术关键技术关键技术做支撑：做支撑：做支撑：做支撑：二、精密加工与超精密加工的关键技术二、精密加工与超精密加工的关键技术1.1.1.1.精密与超精密加工机床精密与超精密加工机床精密与超精密加工机床精密与超精密加工机床2.2.2.2.金刚石刀具金刚石刀具金刚石刀具金刚石

14、刀具破损形式：裂纹、碎裂和解理破损形式：裂纹、碎裂和解理破损形式：裂纹、碎裂和解理破损形式：裂纹、碎裂和解理3.3.3.3.精密与超精密加工机理精密与超精密加工机理精密与超精密加工机理精密与超精密加工机理微量加工的特殊性及微量加工理论微量加工的特殊性及微量加工理论微量加工的特殊性及微量加工理论微量加工的特殊性及微量加工理论4.4.4.4.稳定的加工环境稳定的加工环境稳定的加工环境稳定的加工环境恒温、防振和空气净化恒温、防振和空气净化恒温、防振和空气净化恒温、防振和空气净化5.5.5.5.误差补偿理论误差补偿理论误差补偿理论误差补偿理论提高加工的制造精度，保证加工系统的稳定性提高加工的制造精度，

15、保证加工系统的稳定性提高加工的制造精度，保证加工系统的稳定性提高加工的制造精度，保证加工系统的稳定性6.6.6.6.精密的测量技术精密的测量技术精密的测量技术精密的测量技术思考题思考题思考题思考题1 1、为什么金刚石刀具加工铁碳合金材料并不是最好的选择？、为什么金刚石刀具加工铁碳合金材料并不是最好的选择？、为什么金刚石刀具加工铁碳合金材料并不是最好的选择？、为什么金刚石刀具加工铁碳合金材料并不是最好的选择？2 2、什么是微量加工理论？、什么是微量加工理论？、什么是微量加工理论？、什么是微量加工理论？3 3、保证工件加工精度的原则有哪几种？、保证工件加工精度的原则有哪几种？、保证工件加工精度的原

16、则有哪几种？、保证工件加工精度的原则有哪几种？引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/10主轴的回转精度主轴的回转精度主轴的回转精度主轴的回转精度导轨的直线运动精度导轨的直线运动精度导轨的直线运动精度导轨的直线运动精度刀具的微量进给精度刀具的微量进给精度刀具的微量进给精度刀具的微量进给精度导轨：导轨：导轨：导轨：滚动导轨滚动导轨滚动导轨滚动导轨 液体静压导轨液体静压导轨液体静压导轨液体静压导轨(大中型机床大中型机床大中型机床大中型机床)空气

17、静压导轨空气静压导轨空气静压导轨空气静压导轨(小型机床小型机床小型机床小型机床)气浮导轨气浮导轨气浮导轨气浮导轨微量进给装置：微量进给装置：微量进给装置：微量进给装置：弹性变形式弹性变形式弹性变形式弹性变形式 电致伸缩式电致伸缩式电致伸缩式电致伸缩式（电致效应）（电致效应）（电致效应）（电致效应）磁致伸缩式磁致伸缩式磁致伸缩式磁致伸缩式（磁致效应）（磁致效应）（磁致效应）（磁致效应）主轴回转精度主轴回转精度主轴回转精度主轴回转精度大多在大多在大多在大多在0.020.020.020.020.03um0.03um0.03um0.03um；导轨直线度为导轨直线度为导轨直线度为导轨直线度为0.10.1

18、0.10.10.2um0.2um0.2um0.2um250mm250mm250mm250mm；定位精度为定位精度为定位精度为定位精度为0.01um0.01um0.01um0.01um，重复定位精度为，重复定位精度为，重复定位精度为，重复定位精度为0.006um0.006um0.006um0.006um；进给分辨率为进给分辨率为进给分辨率为进给分辨率为0.003um0.003um0.003um0.003um。床身导轨床身导轨床身导轨床身导轨多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、尺寸稳定的花岗岩制造。尺寸稳定

19、的花岗岩制造。尺寸稳定的花岗岩制造。尺寸稳定的花岗岩制造。微量进给机构微量进给机构微量进给机构微量进给机构磁致伸缩微量进给机构磁致伸缩微量进给机构磁致伸缩微量进给机构磁致伸缩微量进给机构。即即即即改变电流的大小和时间相位，调节进给速改变电流的大小和时间相位，调节进给速改变电流的大小和时间相位，调节进给速改变电流的大小和时间相位，调节进给速度和改变进给方向度和改变进给方向度和改变进给方向度和改变进给方向。主轴轴承：主轴轴承：主轴轴承：主轴轴承：滚动轴承滚动轴承滚动轴承滚动轴承 液体静压轴承液体静压轴承液体静压轴承液体静压轴承 空气静压轴承空气静压轴承空气静压轴承空气静压轴承1 1 1 1、精密与

20、超精密加工机床、精密与超精密加工机床、精密与超精密加工机床、精密与超精密加工机床思考题：液体静压轴承与思考题：液体静压轴承与空气静压轴承的工作原理空气静压轴承的工作原理是什么？是什么？引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/11有色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合金铜系、铝系材料铜系、铝系材料铜系、铝系材料铜系、铝系材料树脂及塑料树脂及塑料树脂及塑料树脂及塑料结晶体结晶体结晶体结晶体如锗结晶体、硅等红外光学如锗结晶

21、体、硅等红外光学如锗结晶体、硅等红外光学如锗结晶体、硅等红外光学材料。材料。材料。材料。铁碳合金材料铁碳合金材料铁碳合金材料铁碳合金材料，高温下刀具上的碳原子，高温下刀具上的碳原子，高温下刀具上的碳原子，高温下刀具上的碳原子会向工件材料扩散，刀刃易磨损。会向工件材料扩散，刀刃易磨损。会向工件材料扩散，刀刃易磨损。会向工件材料扩散，刀刃易磨损。一般一般一般一般不用金刚石刀具加工钢铁等黑色金属不用金刚石刀具加工钢铁等黑色金属不用金刚石刀具加工钢铁等黑色金属不用金刚石刀具加工钢铁等黑色金属。常用常用常用常用立方氮化硼等超硬刀具材料立方氮化硼等超硬刀具材料立方氮化硼等超硬刀具材料立方氮化硼等超硬刀具材

22、料超精密切削时的超精密切削时的超精密切削时的超精密切削时的切削力要超过分子或原了间的结合力切削力要超过分子或原了间的结合力切削力要超过分子或原了间的结合力切削力要超过分子或原了间的结合力，刀刃承受的剪切应力很大，造成刀刃在局部区域内的刀刃承受的剪切应力很大，造成刀刃在局部区域内的刀刃承受的剪切应力很大，造成刀刃在局部区域内的刀刃承受的剪切应力很大，造成刀刃在局部区域内的高应力、高温工作状态，高应力、高温工作状态，高应力、高温工作状态，高应力、高温工作状态，普通的刀具材料普通的刀具材料普通的刀具材料普通的刀具材料会快速磨损会快速磨损会快速磨损会快速磨损和软化；和软化；和软化；和软化；超精密需要极

23、薄的切削量，超精密需要极薄的切削量，超精密需要极薄的切削量，超精密需要极薄的切削量，刀具的刃口钝圆半径应达刀具的刃口钝圆半径应达刀具的刃口钝圆半径应达刀具的刃口钝圆半径应达到纳米级。到纳米级。到纳米级。到纳米级。2 2 2 2、金刚石刀具、金刚石刀具、金刚石刀具、金刚石刀具导热性和耐磨性好导热性和耐磨性好导热性和耐磨性好导热性和耐磨性好，硬度范围为，硬度范围为，硬度范围为，硬度范围为HV8 000HV8 000HV8 000HV8 000HV12 000HV12 000HV12 000HV12 000，切削时与金属间的摩擦系数低，切削时与金属间的摩擦系数低，切削时与金属间的摩擦系数低，切削时与

24、金属间的摩擦系数低，刀尖温度降低，切削力减小，减少了刀具磨刀尖温度降低，切削力减小，减少了刀具磨刀尖温度降低，切削力减小，减少了刀具磨刀尖温度降低，切削力减小，减少了刀具磨损，刀具寿命可达数百小时。损，刀具寿命可达数百小时。损，刀具寿命可达数百小时。损，刀具寿命可达数百小时。弹性模量高弹性模量高弹性模量高弹性模量高，刚性好，可减少加工时工件内，刚性好，可减少加工时工件内，刚性好，可减少加工时工件内，刚性好，可减少加工时工件内应力及崩刀现象。应力及崩刀现象。应力及崩刀现象。应力及崩刀现象。刃口强度高刃口强度高刃口强度高刃口强度高，天然金刚石刀具的刃口钝圆半，天然金刚石刀具的刃口钝圆半，天然金刚石

25、刀具的刃口钝圆半，天然金刚石刀具的刃口钝圆半径可达到的极限值为径可达到的极限值为径可达到的极限值为径可达到的极限值为2nm2nm2nm2nm（0.002um0.002um0.002um0.002um），能磨），能磨），能磨），能磨出锋利的刃口。出锋利的刃口。出锋利的刃口。出锋利的刃口。超精密加工用刀具材料超精密加工用刀具材料超精密加工用刀具材料超精密加工用刀具材料金刚石刀具特点金刚石刀具特点金刚石刀具特点金刚石刀具特点可加工的材料可加工的材料可加工的材料可加工的材料引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG U

26、NIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/12与普通切削机理不同，精密、超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒尺寸，与普通切削机理不同，精密、超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒尺寸，与普通切削机理不同，精密、超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒尺寸，与普通切削机理不同，精密、超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒尺寸，甚至小于分子、原子大小。因此，必须克服分子、原子之间非常大的结合甚至小于分子、原子大小。因此，必须克服分子、原子之间非常大的结合甚至小于分子、原子大小。因此，必须克服分子、原子之间非常大的结合甚至小于分子、原子大小。因此，必须克服分子、原子之间非常大的结合力，才能形

27、成微量或超微量切削。力，才能形成微量或超微量切削。力，才能形成微量或超微量切削。力，才能形成微量或超微量切削。微量加工的材料破坏方式微量加工的材料破坏方式由切削应力作由切削应力作由切削应力作由切削应力作用区域和材料微观缺陷共同决定。用区域和材料微观缺陷共同决定。用区域和材料微观缺陷共同决定。用区域和材料微观缺陷共同决定。l l微量切削机理微量切削机理微量切削机理微量切削机理3 3 3 3、精密与超精密加工理论、精密与超精密加工理论、精密与超精密加工理论、精密与超精密加工理论l目前以目前以金刚石刀具切削金刚石刀具切削和和金刚石砂轮磨削金刚石砂轮磨削为典型代表方式。为典型代表方式。l金刚石刀具具有

28、很高的高温强度和高温硬度且质地细密，切削刃金刚石刀具具有很高的高温强度和高温硬度且质地细密，切削刃钝圆半径可达钝圆半径可达0.002-0.005um0.002-0.005um，甚至，甚至2nm(2nm(纳米级切削纳米级切削)。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/13“蜕化蜕化”原则或原则或“母性母性”原则原则依靠机床的精度来保证，依靠机床的精度来保证，要求机床的精度高于工件的精度。要求机床的精度高于工件的精度。“进化进化”或或“创造性创

29、造性”加工原则加工原则在精度比工件低的机在精度比工件低的机床上加工出高精度的工件，因而精密或超精密加工设备必床上加工出高精度的工件，因而精密或超精密加工设备必须具备须具备在线检测在线检测和和误差补偿误差补偿能力。能力。返回返回返回返回4 4 4 4、精密与超精密加工的误差补偿理论、精密与超精密加工的误差补偿理论、精密与超精密加工的误差补偿理论、精密与超精密加工的误差补偿理论工件加工的同时进行检测，称为工件加工的同时进行检测，称为工件加工的同时进行检测，称为工件加工的同时进行检测，称为在线检测在线检测在线检测在线检测。采用修正、抵消、均化等措。采用修正、抵消、均化等措。采用修正、抵消、均化等措。

30、采用修正、抵消、均化等措施减小或消除加工中的误差，称为施减小或消除加工中的误差，称为施减小或消除加工中的误差，称为施减小或消除加工中的误差，称为误差补偿误差补偿误差补偿误差补偿。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/141 精密与超精密精密与超精密高速与超高速高速与超高速 2高能与超高能高能与超高能 34 微细与微纳米微细与微纳米机械加工向机械加工向机械加工向机械加工向超精密、超高速超精密、超高速超精密、超高速超精密、超高速方向发展方向发

31、展方向发展方向发展以超精密超高以超精密超高以超精密超高以超精密超高速加工为代表速加工为代表速加工为代表速加工为代表特种加工方法和应用领域不特种加工方法和应用领域不特种加工方法和应用领域不特种加工方法和应用领域不断拓展断拓展断拓展断拓展以激光加工技术以激光加工技术以激光加工技术以激光加工技术为代表为代表为代表为代表采用自动化技术，实现工艺采用自动化技术，实现工艺采用自动化技术，实现工艺采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制过程的优化控制过程的优化控制过程的优化控制以微机以微机以微机以微机械加工为代表械加工为代表械加工为代表械加工为代表加工与设计趋于集成和一体加工与设计趋于集成和一体加工与设计趋于

32、集成和一体加工与设计趋于集成和一体化化化化以快速原型制造为代以快速原型制造为代以快速原型制造为代以快速原型制造为代表表表表P引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/15超高速加工概念超高速加工概念超高速加工概念超高速加工概念一种用比常规高很多（一般是一种用比常规高很多（一般是一种用比常规高很多（一般是一种用比常规高很多（一般是10101010倍以上）的速度对零件倍以上）的速度对零件倍以上）的速度对零件倍以上）的速度对零件进行加工的先进技术，

33、它以高加工速度、高加工精度为主要特征，具有非常进行加工的先进技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，具有非常进行加工的先进技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，具有非常进行加工的先进技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，具有非常高的生产效率。高的生产效率。高的生产效率。高的生产效率。一、基本概念一、基本概念加工效率高加工效率高切削力小切削力小热变形小热变形小加工精度高，表面质量好加工精度高，表面质量好减少后续加工工序减少后续加工工序国外分类采用机床主轴转速：国外分类采用机床主轴转速：国外分类采用机床主轴转速：国外分类采用机床主轴转速：8 0008 0008 0008 00012

34、 000 r/min12 000 r/min12 000 r/min12 000 r/min为准高速切削为准高速切削为准高速切削为准高速切削15 00015 00015 00015 00050 000 r/min50 000 r/min50 000 r/min50 000 r/min为高速切削；为高速切削；为高速切削；为高速切削；大于大于大于大于50 000 r/min50 000 r/min50 000 r/min50 000 r/min为超高速切削。为超高速切削。为超高速切削。为超高速切削。思考题：思考题：思考题：思考题：1 1、什么是超高速加工？高速和超高速加工的特点是什么？、什么是超高

35、速加工？高速和超高速加工的特点是什么？、什么是超高速加工？高速和超高速加工的特点是什么？、什么是超高速加工？高速和超高速加工的特点是什么？2超高速加工技术引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/16超高速加工的研究，起源于上世纪超高速加工的研究，起源于上世纪3030年代，当时德国学者卡尔年代，当时德国学者卡尔.萨洛蒙博士做了一项研究。他用大直径的圆锯片对不同材料的萨洛蒙博士做了一项研究。他用大直径的圆锯片对不同材料的工件进行了高速切削实验，

36、得到了著名的工件进行了高速切削实验，得到了著名的萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线。二、超高速加工理论二、超高速加工理论1931.41931.4超高速切超高速切削理论发表削理论发表19791979法国维纳博士高效法国维纳博士高效深磨机理学说深磨机理学说引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/17非铁金属非铁金属(铝铝)铸铁铸铁钢钢切切削削温温度度切削速度切削速度m/minm/min萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线不同材料，随切削速度的提高，切削温度的变化不同。不同材

37、料，随切削速度的提高，切削温度的变化不同。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/18A A常规切削区域常规切削区域B B不能切削的区域不能切削的区域C C高速切削区域高速切削区域T T刀具耐受温度刀具耐受温度T在常规切削区域，切削温度随着切削速度提高而升高，但当切削速度达到某在常规切削区域，切削温度随着切削速度提高而升高，但当切削速度达到某一临界值时，切削速度进一步提高，切削温度反而下降。因此确定了临界切一临界值时，切削速度进一步提高，切

38、削温度反而下降。因此确定了临界切削速度值，切削加工时，就可以避开这一过渡区域，直接进入高速切削区。削速度值，切削加工时，就可以避开这一过渡区域，直接进入高速切削区。针对不同的材料，临界的切削速度不同针对不同的材料，临界的切削速度不同。思考题：思考题：思考题：思考题：2 2、试解释萨洛蒙曲线的特、试解释萨洛蒙曲线的特、试解释萨洛蒙曲线的特、试解释萨洛蒙曲线的特点及意义。点及意义。点及意义。点及意义。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/19

39、三、超高速加工机床及其支撑技术三、超高速加工机床及其支撑技术1.主轴单元主轴单元技术技术主轴动力源、主轴、轴承和机架；主轴动力源、主轴、轴承和机架；2.进给单元进给单元技术技术进给伺服驱动技术、滚动元件技术、检进给伺服驱动技术、滚动元件技术、检测单元技术和其他边界密封润滑技术等；测单元技术和其他边界密封润滑技术等；3.机床支承及其辅助单元机床支承及其辅助单元技术；技术；4.加工用刀具加工用刀具、磨具及材料；、磨具及材料；5.加工测试技术加工测试技术。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSIT

40、Y2024/7/182024/7/18http:/201.1.高速主轴单元（电主轴）高速主轴单元（电主轴）机床主轴由机床主轴由内装式电动机直接驱动内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的缩短为零，实现了机床的“零传动零传动”。电主轴是一种智能型功能电主轴是一种智能型功能部件部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机

41、床主的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一。轴合二为一。思考题：什么是电主轴？高速主轴分为哪几种形式？思考题：什么是电主轴？高速主轴分为哪几种形式？思考题：什么是电主轴？高速主轴分为哪几种形式？思考题：什么是电主轴？高速主轴分为哪几种形式？引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/211.1.高速主轴单元（电主轴）高速主轴单元（电主轴）引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJ

42、TULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/22高速主轴主要有三种形式高速主轴主要有三种形式滚珠轴承高速主轴滚珠轴承高速主轴静压轴承高速主轴静压轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴1.1.高速主轴单元（电主轴）高速主轴单元（电主轴）引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/23高速主轴轴承的最新发展是使用高速主轴轴承的最新发展是使用高速主轴轴承的最新发展是使用高速

43、主轴轴承的最新发展是使用陶瓷混合滚动轴承陶瓷混合滚动轴承陶瓷混合滚动轴承陶瓷混合滚动轴承。即轴承外圈是。即轴承外圈是。即轴承外圈是。即轴承外圈是轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷制成。陶瓷滚珠密度比钢珠低大约轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷制成。陶瓷滚珠密度比钢珠低大约轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷制成。陶瓷滚珠密度比钢珠低大约轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷制成。陶瓷滚珠密度比钢珠低大约60%60%60%60%，所以可大幅度降低离心力；，所以可大幅度降低离心力；，所以可大幅度降低离心力；，所以可大幅度降低离心力；（1）滚珠轴承高速主轴）滚珠轴承高速主轴陶瓷的弹性模量陶瓷的弹性模量陶瓷的弹性模量陶瓷的弹性模量

44、E E E E比钢高比钢高比钢高比钢高50%50%50%50%，所以滚珠尺寸相同时，轴承具所以滚珠尺寸相同时，轴承具所以滚珠尺寸相同时，轴承具所以滚珠尺寸相同时，轴承具有更高的刚度。有更高的刚度。有更高的刚度。有更高的刚度。氮化硅摩擦系数也低，可减少氮化硅摩擦系数也低，可减少氮化硅摩擦系数也低，可减少氮化硅摩擦系数也低，可减少摩擦发热，减少磨损。摩擦发热，减少磨损。摩擦发热，减少磨损。摩擦发热，减少磨损。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http

45、:/24液体静压轴承高速主轴液体静压轴承高速主轴液体静压轴承高速主轴液体静压轴承高速主轴的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在0.2um0.2um0.2um0.2um以下，因而不但可提高刀具使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和很以下，因而不但可提高刀具使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和很以下，因而不但可提高刀具使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和很以下，因而不但可提高刀具使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度。低的表面粗糙度。低的表面粗糙度。低的表面

46、粗糙度。（2）静压轴承高速主轴）静压轴承高速主轴液体静压轴承的不足之处是高液体静压轴承的不足之处是高液体静压轴承的不足之处是高液体静压轴承的不足之处是高压液压油会引起油温升高，造压液压油会引起油温升高，造压液压油会引起油温升高，造压液压油会引起油温升高，造成热变形，且驱动功率损失较成热变形，且驱动功率损失较成热变形，且驱动功率损失较成热变形，且驱动功率损失较大。大。大。大。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/25空气静压轴承空气静压轴承

47、空气静压轴承空气静压轴承可使主轴的转速和回转精度更高。最高转速可达可使主轴的转速和回转精度更高。最高转速可达可使主轴的转速和回转精度更高。最高转速可达可使主轴的转速和回转精度更高。最高转速可达10 00010 00010 00010 000转，回转误差在转，回转误差在转，回转误差在转，回转误差在50nm50nm50nm50nm以下。以下。以下。以下。（2）静压轴承高速主轴）静压轴承高速主轴缺点是承载能力较低，不适合缺点是承载能力较低，不适合缺点是承载能力较低，不适合缺点是承载能力较低，不适合材料切除量大的场合，且使用材料切除量大的场合，且使用材料切除量大的场合，且使用材料切除量大的场合，且使用

48、高清洁度压缩空气，故使用费高清洁度压缩空气，故使用费高清洁度压缩空气，故使用费高清洁度压缩空气，故使用费用和维护费用较高。用和维护费用较高。用和维护费用较高。用和维护费用较高。引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU JIAOTONG UNIVERSITY2024/7/182024/7/18http:/26磁浮轴承的工作原理如图所示。磁浮轴承的工作原理如图所示。磁浮轴承的工作原理如图所示。磁浮轴承的工作原理如图所示。电磁铁绕组通如电流，对转子产生吸引力，电磁铁绕组通如电流，对转子产生吸引力，电磁铁绕组通如电流，对转子产生吸引力

49、，电磁铁绕组通如电流，对转子产生吸引力，使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的位移信号送至控制器，控制器将位移信号转位移信号送至控制器，控制器将位移信号转位移信号送至控制器，控制器将位移信号转位移信号送至控制器，控制器将位移信号转换成控制信号，再经功率放大器变换成控制换成控制信号，再经功率放大器变换成控制换成控制信号，再经功率放大器

50、变换成控制换成控制信号，再经功率放大器变换成控制电流，通过改变控制电流改变吸引力方向和电流，通过改变控制电流改变吸引力方向和电流，通过改变控制电流改变吸引力方向和电流，通过改变控制电流改变吸引力方向和大小，使转子重新回到平衡位置。大小，使转子重新回到平衡位置。大小，使转子重新回到平衡位置。大小，使转子重新回到平衡位置。（3）磁浮轴承高速主轴）磁浮轴承高速主轴1-1-电磁铁（电磁铁（电磁铁（电磁铁（定子）；定子）；定子）；定子）；2-2-传感器传感器传感器传感器；3-3-转子转子转子转子引领专业投资引领专业投资兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学兰州交通大学 LZJTULZJTULANZHOU