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摘要:高速切削技术是机械制造业发展的必然趋势,其应用将大幅度地提高加工效率和加工质量。高速切削技术不仅涉及到高速切削加工工艺及高速切削机理,而且包括高速切削所用的刀具、机床等诸多因素。本文着重介绍了高速切削各相关技术的研究动态,并对高速切削技术的应用前景进行了展望。
关键词:数控技术;数控高速加工;数控加工技术
一、 高速加工的技术优势
高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。据资料介绍,在国外的高速加工试验中已经证实,当切削速度超过一定值(V=600m/min)后,切削速度再增高,切削温度反而降低,在切削过程中产生的热量进入切削并从工件处被带走。试验条件下的测试证明了在大多数应用情况下,切削时工件温度的上升不会超过3℃。相应地,在已给定的金属切除率下,当切削速度超过某一数值之后,实际切削力会近似保持不变。
经过理想的高速加工后,切屑变形及其收缩加工的实现与应用对航空制造业有着重要的意义。高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统,是多项先进技术的综合应用,为此机床厂商应进行大力的开发研制,推出与高速加工相关的新技术设备。
二、 数控高速加工的发展现状
实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。在我国航天、航空、汽轮机、模具等行业,程度不同地应用了高速加工技术,其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进政策等支持的多少,以及企业家们对高速加工系统技术认识的深浅。相对于汽车制造业而言,这类机械制造行业基本上是属于工艺离散型制造业。其高速加工技术主要表征在对高速数控机床与刀具技术的应用上。目前国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一般≤8 000r/min(极少有12 000r/min),快进速度≤40m/min。对铸铝、锻铝合金体、高强度铸铁和结构钢件,多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少,加之机床主轴转速偏低,一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件:切削速度<1 000m/min,进给速度<15m/min,每齿进刀量<0.35mm。车削:切削速度<700m/min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度<500m/min,进给速度<10m/min,每齿进刀量<0.3mm。上述行业中,数控设备利用率仅为25%左右。预计“十五”期间,上述行业将会在应用高速加工技术方面发生跳跃式的进步与发展。
三、 数控高速加工机床的关键技术
高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴,具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统,又是高速机床的关键所在。分述如下:
1. 高速主轴
高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越来越普及,转速高达100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高,主轴零件在离心力作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(3)良好的热稳定性;(4)大功率;(5)先进的润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。
2. 快速进给系统
高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达50m/min～120m/min,要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且,由于机床上直线运动行程一般较短,高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求,在高速加工机床上主要采用如下措施:(1)采用新型直线滚动导轨,直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小,其摩擦系数仅为槽式导轨的1/ 20左右,而且使用直线滚动导轨后,“爬行”现象可大大减少;(2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠,其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化,高速切削机床己开始采用全数字交流伺服电机和控制技术;(4)为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度,高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;(5)为提高进给速度,更先进、更高速的直线电机己经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题,减少了传动摩擦力,几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减速特性,加速度可达2g,为传统驱动装置的10～20倍,进给速度为传统的4～5倍,采用直线电机驱动,具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需要维护等明显优点。
3. 高速切削刀具技术
(1)刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小,并具有优异的机械性能和热稳定性,抗冲击、耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等。
(2)高速切削刀具结构。高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂,除损伤工件外,对操作者和机床会带来危险。因此,高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。动平衡一般对小直径刀具要求不严,对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具,必须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡,还要对刀具与夹头组合体进行平衡。最后,将刀具连同主轴一起进行平衡。但目前还没有统一的平衡标准,对ISO1940-1标准中的平衡质量G值为平衡标准也有不同的看法,有的企业以G1为标准(所谓G1,即刀具在10 000r/min回转时,回转轴与刀具中心轴线之间只允许相差1Lm),有的以G215为标准。
(3)高速切削刀具几何参数。高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。刀具几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响,一般高速切削刀具的前角平均比传统加工刀具小10b,后角约大5b～8b。为防止刀尖处的热磨损,主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃的长度,提高刀具刚性和减少刀刃破损的概率。
(4)高速切削刀柄系统。加工中心主轴与刀具的连接大多采用7B24锥度的单面夹紧刀柄系统,ISO、CAT、DIN、BT等都属此类。用在高速切削加工时,这类系统出现了许多问题,主要表现为:刚性不足、ATC(自动换刀)的重复精度不稳定、受离心力作用的影响较大、刀柄锥度大,不利于快速换刀及机床的小型化。针对这些问题,为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度,适应高速切削加工技术发展的需要,相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄主要有两大类:一类是对现有7B24锥度刀柄进行的改进性设计,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系统;另一类是采用新思路设计的1B10中空短锥刀柄系统,有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。
4. 高速切削工艺
高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高速加工和传统加工工艺有所不同,传统加工认为,高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程,而在高速加工中,高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。高速切削作为一种新的切削方式,目前尚没有完整的加工参数表可供选择,也没有较多的加工实例可供参考,还没有建立起实用化的高速切削数据库,在高速加工的工艺参数优化方面,也还需要做大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足高速切削加工的要求,需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式,使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。目前, Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM软件,都已添加了适合于高速切削的编程模块。
5. 高速机床的床身、立柱和工作台
通过计算机辅助工程的方法,特别是用有限元进行优化设计,能获得减轻重量、提高刚度的床身和工作台。
四、 结语
高速加工技术是现代先进制造技术之一,其产生是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。在此背景下,高速加工技术应运而生,逐步发展成为综合性系统工程技术,并得到越来越广泛的应用。高速加工的巨大吸引力在于实现高速加工的同时,保证了高速加工精度。航空航天、汽车及模具制造业对高速加工的认同与强烈要求,推动着高速加工技术在国际上的发展。
参考文献:
[1]宾鸿赞.加工过程数控[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.
[2]朱晓春.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]周正干,王美清,李和平.高速加工的核心技术和方法[J].航空制造
技术,2000(3).
(南京机电职业技术学院)
关键词:数控技术;数控高速加工;数控加工技术
一、 高速加工的技术优势
高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。据资料介绍,在国外的高速加工试验中已经证实,当切削速度超过一定值(V=600m/min)后,切削速度再增高,切削温度反而降低,在切削过程中产生的热量进入切削并从工件处被带走。试验条件下的测试证明了在大多数应用情况下,切削时工件温度的上升不会超过3℃。相应地,在已给定的金属切除率下,当切削速度超过某一数值之后,实际切削力会近似保持不变。
经过理想的高速加工后,切屑变形及其收缩加工的实现与应用对航空制造业有着重要的意义。高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统,是多项先进技术的综合应用,为此机床厂商应进行大力的开发研制,推出与高速加工相关的新技术设备。
二、 数控高速加工的发展现状
实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。在我国航天、航空、汽轮机、模具等行业,程度不同地应用了高速加工技术,其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进政策等支持的多少,以及企业家们对高速加工系统技术认识的深浅。相对于汽车制造业而言,这类机械制造行业基本上是属于工艺离散型制造业。其高速加工技术主要表征在对高速数控机床与刀具技术的应用上。目前国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一般≤8 000r/min(极少有12 000r/min),快进速度≤40m/min。对铸铝、锻铝合金体、高强度铸铁和结构钢件,多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少,加之机床主轴转速偏低,一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件:切削速度<1 000m/min,进给速度<15m/min,每齿进刀量<0.35mm。车削:切削速度<700m/min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度<500m/min,进给速度<10m/min,每齿进刀量<0.3mm。上述行业中,数控设备利用率仅为25%左右。预计“十五”期间,上述行业将会在应用高速加工技术方面发生跳跃式的进步与发展。
三、 数控高速加工机床的关键技术
高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴,具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统,又是高速机床的关键所在。分述如下:
1. 高速主轴
高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越来越普及,转速高达100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高,主轴零件在离心力作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(3)良好的热稳定性;(4)大功率;(5)先进的润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。
2. 快速进给系统
高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达50m/min～120m/min,要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且,由于机床上直线运动行程一般较短,高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求,在高速加工机床上主要采用如下措施:(1)采用新型直线滚动导轨,直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小,其摩擦系数仅为槽式导轨的1/ 20左右,而且使用直线滚动导轨后,“爬行”现象可大大减少;(2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠,其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化,高速切削机床己开始采用全数字交流伺服电机和控制技术;(4)为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度,高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;(5)为提高进给速度,更先进、更高速的直线电机己经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题,减少了传动摩擦力,几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减速特性,加速度可达2g,为传统驱动装置的10～20倍,进给速度为传统的4～5倍,采用直线电机驱动,具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需要维护等明显优点。
3. 高速切削刀具技术
(1)刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小,并具有优异的机械性能和热稳定性,抗冲击、耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等。
(2)高速切削刀具结构。高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂,除损伤工件外,对操作者和机床会带来危险。因此,高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。动平衡一般对小直径刀具要求不严,对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具,必须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡,还要对刀具与夹头组合体进行平衡。最后,将刀具连同主轴一起进行平衡。但目前还没有统一的平衡标准,对ISO1940-1标准中的平衡质量G值为平衡标准也有不同的看法,有的企业以G1为标准(所谓G1,即刀具在10 000r/min回转时,回转轴与刀具中心轴线之间只允许相差1Lm),有的以G215为标准。
(3)高速切削刀具几何参数。高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。刀具几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响,一般高速切削刀具的前角平均比传统加工刀具小10b,后角约大5b～8b。为防止刀尖处的热磨损,主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃的长度,提高刀具刚性和减少刀刃破损的概率。
(4)高速切削刀柄系统。加工中心主轴与刀具的连接大多采用7B24锥度的单面夹紧刀柄系统,ISO、CAT、DIN、BT等都属此类。用在高速切削加工时,这类系统出现了许多问题,主要表现为:刚性不足、ATC(自动换刀)的重复精度不稳定、受离心力作用的影响较大、刀柄锥度大,不利于快速换刀及机床的小型化。针对这些问题,为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度,适应高速切削加工技术发展的需要,相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄主要有两大类:一类是对现有7B24锥度刀柄进行的改进性设计,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系统;另一类是采用新思路设计的1B10中空短锥刀柄系统,有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。
4. 高速切削工艺
高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高速加工和传统加工工艺有所不同,传统加工认为,高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程,而在高速加工中,高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。高速切削作为一种新的切削方式,目前尚没有完整的加工参数表可供选择,也没有较多的加工实例可供参考,还没有建立起实用化的高速切削数据库,在高速加工的工艺参数优化方面,也还需要做大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足高速切削加工的要求,需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式,使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。目前, Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM软件,都已添加了适合于高速切削的编程模块。
5. 高速机床的床身、立柱和工作台
通过计算机辅助工程的方法,特别是用有限元进行优化设计,能获得减轻重量、提高刚度的床身和工作台。
四、 结语
高速加工技术是现代先进制造技术之一,其产生是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。在此背景下,高速加工技术应运而生,逐步发展成为综合性系统工程技术,并得到越来越广泛的应用。高速加工的巨大吸引力在于实现高速加工的同时,保证了高速加工精度。航空航天、汽车及模具制造业对高速加工的认同与强烈要求,推动着高速加工技术在国际上的发展。
参考文献:
[1]宾鸿赞.加工过程数控[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.
[2]朱晓春.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]周正干,王美清,李和平.高速加工的核心技术和方法[J].航空制造
技术,2000(3).
(南京机电职业技术学院)