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第七章:先进制造工艺之三

 

 

 

本章内容
  高速加工         

定义

600-1800m/min             高切削速度

1800-18000m/min         高高切削速度

18000-180000m/min     超高切削速度

电主轴   功率>2KW,  >40000 rpm  (max: 45KW) <1KW, 60,000-80,000  rpm    (小孔加工)<0.5KW,100,000   rpm (研磨)

气动主轴;功率>200W,  >15,000 rpm  (max   output : 30W)

   超高速切削技术,是以比常规高10倍左

的速度对零件进行切削加工的一项先进制

造技术。实践证明,当切削速度提高10倍,进给速度提高20倍,远远超越传统的切削

“禁区”后,切削机理发生了根本的变化。

其结果是:单位功率的金属切除率提高了

30-40%,切削力降低了30%,刀具的切削

寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅

度降低,切削振动几乎消失;切削加工发

生了本质性的飞跃。在常规切削加工中备

受困惑的一系列问题亦得到了解决,真可

谓是集高效、优质、低耗于一身的先进制

造技术,是切削加工新的里程碑。

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    该项新技术始于八十年代初期,美、德、法

等国处于领先地位,英、日、瑞士等国亦追

踪而上,至八十年代后期, 在上述国家里已

形成了新兴的产业,年产值已达数十亿美元, 

并正在逐年上升。近悉我国台湾省亦已起步,

但大陆尚属空白。同济大学现代制造技术研

究所已与德国Darmstadt大学建立了项目合作

关系,并获得了初步成果。

    按目前看,工业发达国家的航空,汽车、动力机

械、模具、轴承、机床等行业首先受惠于该项新技

术,使上述行业的产品质量明显提高,成本大幅度降

低,获得了市场竞争优势。

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    超高速切削技术是未来切削加工的方向,也是时代发展的产 物。首先,它仰仗于数控技术、微电子技术、新材料

和新颖构件等基础技术的出现。一系列特殊的关键技术,

归纳起来有以下几方面:

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1.超高速大功率的主运动系统。

  由于主运动需要具有几万 转/

  分甚至十几万转/分的转速和

  几十千瓦的输出功率,并且其

  结构尺寸限制很严。这是常规

  措施难以办到的。

h2b.gif (13835 字节)

按国外 经验,采用内传动链,那

就要涉及到电枢设计,电机冷

却、 交流调频变速系统、超高速

轴承、轴承的特殊润滑、冷却和 

密封、主轴的调整平衡、可靠的

刀具装卸、主轴的状态参数监控

等问题。

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2.超高速的进给运动系统。每分钟几

  十米速度的多维系统,形成轨迹复

  杂而精确的超高速进给系统,其突

  出的难 点有二处:一是运动惯性要

  降低到最小的程度;二是数控伺服

  系统要具有高速而精确的跟踪性能。

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3.超高速切削刀

  。对于不同材

  料的工件,应具

  有相应的刀具材

  料、刀具参数和

  特殊的刀体结

  构。

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4.特殊的支承材料和安全防护体系。

  了使机床的固有频率远离切削颤振

  频率,获得良好的动态响应,国外均

  采用新颖的非金属大阻尼材料作支

  承件。由于高速切削飞溅的切屑和

  碎片具有枪弹般的杀伤力。所以须置

  以具有防弹效果的防护体系,同

  时,还要考虑到观察和操作的方便

  性。

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  高压水射流加工
  1. 加工原理:

    利用水或水中加添加剂、磨料的流

体,经水泵至增压器增压,其压力可达

70~400Mpa, 再经过贮液能器使高压流体

平稳,最后由喷嘴(f 0.15~0.4mm)形成

300~900m/s的高速流体束流,喷射到工件

表面,从而达到去除材料的加工目的。

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   高速流体束的能量密度可

达1010W/mm2,流量为

7.5L/min.,此种液体的高

速冲击,具有固体的加工作

用。

   高压水射流分水射流

(WJ)和磨料水射流(AWJ)

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   磨料水射流 是在水

射流中混入磨料粒子,

形成了射流,水射流

为载体使磨料粒子

速。由于磨料质量

大,硬度高,所以,

磨料射流较之水射流

动能更大,切割效果

更强。

    磨料水射流根据磨料与水混合方式的不同可分为:后混合式与前混合式两种。

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    前混合式如图,磨料箱设置

在高压泵与喷嘴的中间管段。高压水

与磨料在磨料箱内初步混合,然后,

在高压输送管的混合室内流化磨料与

水混合,再通过喷嘴的加速过程获得

具有更大的动能磨料水射流。

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    后混合式如图,在驱动压力作

用下,水介质通过第一个喷嘴(水喷

嘴)而形成高速水射流,与第二个喷嘴

(磨料喷嘴)的混合腔内的磨料发生剧

烈的紊动扩散和掺混,再经过第二个喷

嘴而形成磨料水射流。

                     

    前混合式

磨料水射流具

有较高的能量

传输效率。

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    磨料以很低的初始速度与高

速的水射流互相接触,有些磨料被

水射流直接带走;有些磨料飞溅到

混合腔的壁面,再反弹回水射流表

面;少数着贴附在混合腔的内壁

面。常存在不能使磨料与高速流动

的水进行充分的紊动混合、水介质

对磨料的能量传输效率低的缺点。

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2.设备组成

  • 液压系统(供水系统、增压

  • 系统、高压水路系统、磨料供给系统)
  • 切割系统(WJ/AWJ切割头装置)

  • 运动控制系统。

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    喷嘴是切割系统的最重要的零件,应

具有良好的射流特性和较长的使用寿命。

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    喷嘴的材料应具有良好的耐

磨性、耐腐蚀性和承受高压的性

能。常用的材料:硬质合金、蓝

宝石、红宝石和金刚石

中,金刚石喷嘴的寿命最长,可

达1500小时,但加工困难、成本

高。

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    控制系统可由CNC、机械、

气压和液压控制实现。工作台应

能纵、横向灵活移动。

                  

                

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    美国流体公司推出的ESAB’S

GX型三轴CNC精密门式WJ/AWJ切割

机,X轴和Y轴的切割精度为± 0.25mm,重复精度± 0.076mm,低速

范围为0.6~127cm/min,高速范围5

.0~635cm/min。具有适应性强,可

靠性高,安全性好的特点,适合于

各种平面板材的高效精密切割。

Mvc-022s.jpg (24179 字节)

    目前,世界范围内使用的WJ/AWJ切割机已达1800余种,在几十个国家的许多部门中得到应用。如

宇航工业、汽车工业、机械工业、电子工业、建材工业、造纸工业和服装工业等部门。

    WJ/AWJ结合传统的运动控制方式,进行车削或铣削加工,与激光结合,构成激光/WJ复合加工机,

或与CNC五轴铣床结合,组成铣削/水切割复合加工机,进行适宜的复合加工。

3.水射流切割工艺特点

 1)工艺参数:包括压力、速度、喷嘴直径、喷嘴孔径、喷射

距离、进给速度。

  • 材料去除速度与工件材料、流体压力有关。流体速度一定或去除深度一定时,流体压力增加,材料去除速度提高;

  • 提高流体压力,可提高材料去除深度或去除速度,但是,功率消耗增大,且对密封装置要求提高;

  • 在一定范围内,改变喷嘴与工件表面的距离和增大喷嘴孔径及流体流量,都可不同程度地提高材料去除速度。

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    一般:

  • 流体压力:70~400Mpa ,根据工件材料和加工要求合理选择;
  • 流体速度:300~400m/s,参照束流能量密度和工件材料及加工要求选择,喷射流量一般为7L/min。
  • 喷嘴孔径:0.05~0.38mm。根据加工精度或切割的宽度要求及工件材料确定。
  • 喷射距离:2.5~50mm。根据加工精度和生产率确定。
  • 进给速度:200~400m/s。 根据加工形式(钻孔、切割等)、加工精度和加工效率合理选定。

2)工艺特点

  • 能够切割任何材料。从各种非金属到各种硬、脆、韧性材料,如钛镍合金、陶瓷、玻璃、混凝土和复合材料等。
  • 加工精度高。一般可达± 0.075~0.1mm;切边质量较好;切面平整光滑;没有热影响区和分层现象,所以,一般不需后续精加工工序。
  • 生产效率高。例如,用AWJ切割石墨环氧树脂,生产效率比传统工艺提高40倍。
  • 可控制性好。切割可以从工件上任意点开始,在任意方向上进行。可以加工常规工艺难以加工的部位。易于实现CNC控制。
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    切割无尘、无味、无毒、无火花、振动小。尤其适合

恶劣的工作环境和有防暴要求的危险环境。

 

 

                                       

4.水射流加工工艺的应用

  • 切割:可切割加工很薄、很软的金属和非金属材料。已广泛用于铝、铅、铜、钛合金板、纤维复合材料、石棉、石墨、混凝土、岩石、玻璃、纸、不锈钢、塑料等80多种材料的切割。
  • 铸件的清砂、钢板的除锈、除垢等。

 

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    去毛刺。例如,用水射流喷射去除空调机气缸的毛刺。由于气缸缸

体体积小、精度要求高、盲孔多,用手工去除毛刺,需26名,可用4台

水射流机在2个工位去除毛刺,每个工位可同时加工2个气缸,实现了去

毛刺自动化。

 

Copyright 1999—2000 IMT,GDUT Prof.Dr.Wang Chengyong.

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