切削技术

切削技术（精选十篇）

切削技术 篇1

在切削加工中, 通常出现的刀具磨损包括如下两种形态:a.由于机械作用而出现的磨损, 如崩刃或磨粒磨损等;b.由于热及化学作用而出现的磨损, 如粘结、扩散、腐蚀等磨损, 以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。

切削难加工材料时, 在很短时间内即出现上述刀具磨损, 这是由于被加工材料中存在较多促使刀具磨损的因素。例如, 多数难加工材料均具有热传导率较低的特点, 切削时产生的热量很难扩散, 致使刀具刃尖温度很高, 切削刃受热影响极为明显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降, WC (碳化钨) 等粒子易于分离出去, 从而加速了刀具磨损。另外, 难加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应, 出现成分析出、脱落, 或生成其他化合物, 这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。

在切削高硬度、高韧性被加工材料时, 切削刃的温度很高, 也会出现与切削难加工材料时类似的刀具磨损。如切削高硬度钢时, 与切削一般钢材相比, 切削力更大, 刀具刚性不足将会引起崩刃等现象, 使刀具寿命不稳定, 而且会缩短刀具寿命, 尤其是加工生成短切屑的工件材料时, 会在切削刃附近产生月牙洼磨损, 往往在短时间内即出现刀具破损。

在切削超耐热合金时, 由于材料的高温硬度很高, 切削时的应力大量集中在刃尖处, 这将导致切削刃产生塑性变形;同时, 由于加工硬化而引起的边界磨损也比较严重。

由于这些特点, 所以要求用户在切削难加工材料时, 必须慎重选择刀具品种和切削条件, 以获得理想的加工效果。

2 难加工材料在切削加工中应注意的问题。

切削加工大致分为车削、铣削及以中心齿为主的切削 (钻头、立铣刀的端面切削等) , 这些切削加工的切削热对刃尖的影响也各不相同。车削是一种连续切削, 刃尖承受的切削力无明显变化, 切削热连续作用于切削刃上;铣削则是一种间断切削, 切削力是断续作用于刃尖, 切削时将发生振动, 刃尖所受的热影响, 是切削时的加热和非切削时的冷却交替进行, 总的受热量比车削时少。

铣削时的切削热是一种断续加热现象, 刀齿在非切削时即被冷却, 这将有利于刀具寿命的延长。日本理化研究所对车削和铣削的刀具寿命作了对比试验, 铣削所用刀具为球头立铣刀, 车削为一般车刀, 两者在相同的被加工材料和切削条件 (由于切削方式不同, 切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致) 及同一环境条件下进行切削对比试验, 结果表明, 铣削加工对延长刀具寿命更为有利。

利用带有中心刃 (即切削速度=0m/min的部位) 的钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时, 经常出现靠近中心刃处工具寿命低下的情况, 但仍比车削加工时强。

在切削难加工材料时, 切削刃受热影响较大, 常常会降低刀具寿命, 切削方式如为铣削, 则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工, 中间总会有需要进行车削或钻削加工的时候, 因此, 应针对不同切削方式, 采取相应的技术措施, 提高加工效率。

3 切削难加工材料用的刀具材料。

CBN的高温硬度是现有刀具材料中最高的, 最适合用于难加工材料的切削加工。新型涂层硬质合金是以超细晶粒合金作基体, 选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理, 这种材料具有优异的耐磨性, 也是可用于难加工材料切削的优良刀具材料之一。

难加工材料中的钛、钛合金由于化学活性高, 热传导率低, 可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料的切削加工, CBN成分含量越高, 刀具寿命也越长, 切削用量也可相应提高。据报道, 目前已开发出不使用粘结剂的CBN烧结体。

金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料的切削加工。金刚石刀具刃口锋利, 热传导率高, 刃尖滞留的热量较少, 可将积屑瘤等粘附物的发生控制在最低限度之内。在切削纯钛和钛合金时, 选用单晶金刚石刀具切削比较稳定, 可延长刀具寿命。

涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料的切削加工, 但涂层的性能 (单一涂层和复合涂层) 差异很大, 因此, 应根据不同的加工对象, 选用适宜的涂层刀具材料。据报道, 最近已开发出金刚石涂层硬质合金和DLC (Diamond Like Carbon) 涂层硬质合金, 使涂层刀具的应用范围进一步扩大, 并已可用于高速切削加工领域。

4 切削难加工材料的刀具形状。

在切削难加工材料时, 刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进行适当处理, 对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响, 因此, 在刀具形状方面决不能掉以轻心。但是, 随着高速铣削技术的推广应用, 近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷, 采用逆铣并提高进给速度, 因此, 对切削刃形状的设计思路也有所改变。

对难加工材料进行钻削加工时, 增大钻尖角, 进行十字形修磨, 是降低扭矩和切削热的有效途径, 它可将切削与切削面的接触面积控制在最小范围之内, 这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。钻头在钻孔加工时, 切削热极易滞留在切削刃附近, 而且排屑也很困难, 在切削难加工材料时, 这些问题更为突出, 必须给以足够的关注。

为了便于排屑, 通常在钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口, 可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等, 使排屑变得更为顺畅, 这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。近年来, 已开发出一些润滑性能良好的涂层物质, 这些物质涂镀在钻头表面后, 用其加工3~5D的浅孔时, 可采用干式钻削方式。

孔的精加工历来采用镗削方式, 不过近来已逐渐由传统的连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式, 这种方式对提高排屑性能和延长工具寿命均更为有利。因此, 这种间断切削用的镗削刀具设计出来后, 立即被应用于汽车零件的CNC切削加工。在螺纹孔加工方面, 目前也采用螺旋切削插补方式, 切螺纹用的立铣刀已大量投放市场。

如上所述, 这种由原来连续切削向间断切削的转换, 是随着对CNC切削理解的加深而进行的, 这是一个渐进的过程。采用此种切削方式切削难加工材料时, 可保持切削的平稳性, 且有利于延长工具寿命。

5 难加工材料的切削条件。

难加工材料的切削条件历来都设定得比较低, 随着刀具性能的提高, 高速高精度CNC机床的出现, 以及高速铣削方式的引进等, 目前, 难加工材料的切削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。

现在, 采用小切深以减轻刀具切削刃负荷, 从而可提高切削速度和进给速度的加工方式, 已成为切削难加工材料的最佳方式。当然, 选择适应难加工材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要, 而且应力求刀具切削轨迹的最佳化。例如, 钻削不锈钢等材料时, 由于材料热传导率很低, 因此, 必须防止切削热大量滞留在切削刃上, 为此应尽可能采用间断切削, 以避免切削刃和切削面摩擦生热, 这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时, 工具形状和夹具应很好配合, 这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹持刚性, 以便在高速回转条件下, 保证将每齿进给量提高到最大限度, 同时也可延长工具寿命。

结束语。如前所述, 难加工材料的最佳切削方法是不断发展的, 新的难加工材料不断出现, 对新材料的加工总是不断困扰着工程技术人员。最近, 新型加工中心、切削工具、夹具及CNC切削等技术发展非常迅速, 而且在切削加工之外, CNC磨削、CNC电加工等技术也得到空前的发展, 难加工材料的加工技术选择范围已大为扩展。

当然, 有关难加工材料加工信息的收集与对该技术的深入理解, 还不能尽如人意, 正因为如此, 而对难加工材料的不断涌现, 人们总是感到加工技术有些力不从心。

今后, 难加工材料零件的加工将采取CAD/CAM、CNC切削加工等计算机控制的生产方式, 因此, 数据库的建构、工具设计与制作等工具管理系统的完善, 都极为重要。难加工材料切削加工中, 适用的刀具、夹具、工序安排、工具轨迹的确定等有关切削条件的数据, 均应作为基础数据加以积累, 使零件生产方式沿着以IT化为基础的方向发展, 这样, 难加工材料的切削加工技术才能较快地步入一个新的阶段。

责任编辑:温雪梅

摘要：简要论述切削加工中的难加工材料的切削技术。

高速切削技术的特点 篇2

高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍，铝合金1 500～5 500m/min;铜合金900～5 000m/min;钛合金100～1 000m/min;铸铁750～4 500m/min;钢600～800m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为2～25m/min。

高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：

1.可提高生产效率

高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。

2.降低了切削力

由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

3.提高了加工质量

因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态，

由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅;转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生;因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。

4.加工能耗低，节省制造资源

由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。

5.简化了加工工艺流程

常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。

炼油厂叶轮切削技术研究 篇3

【关键词】叶轮切削；炼化；机泵；节能改造

前 言

切割叶轮是调整定速离心泵水力性能的简便实用方法。一般地说，叶轮切割后，泵的流量减小，扬程下降，轴功率变小，效率下降。计算或预测叶轮切割后泵性能变化规律的关系式称为叶轮切割定律。利用切割定律可以计算出叶轮切割后的离心泵性能，确定出能够达到要求工况的叶轮直径切割量。

迄今为止的叶轮切割定律都是针对离心清水泵的。当泵输送粘度比清水高的粘油时叶轮切害对泵性能影响的规律，目前我们还一无所知。所以，探讨离心油泵输送粘油时的叶轮切割定律对掌握离心油泵工作性能规律具有重大的理论和实际意义。

离心泵叶轮切割定律早见于国外经典的泵专著和国内教科书中。离心泵的叶轮切割定律可以表示为：Q`/Q=(D2`/D2)n1，H`/H=(D2`/D2)n2，其中Q`——切割后的泵流量，Q——切割前的泵流量，H`——切割后的泵扬程，H——切割前的泵扬程，n1和n2分别表示流量和扬程变化关系式的指数，称为切割指数。

切割指数与泵的比转速、叶轮出口处的几何参数和压出室(如蜗壳或导升)有关。几种不同参考文献中的切割指数取值列于表1中。表中的表示离心泵的比转速。目前，对清水泵，一般取n1=1，n2=2。但迄今国内外文献中还没有关于离心油泵输送粘油时的叶轮切割定律的报道，此领域是尚未研究的空白。

综上所述，离心油泵叶轮切割定律是亟待解决，而暂时又没有人解决的十分重要的应用性基础研究课题。

1.实验叶轮

大庆炼化公司储运厂柴油装车泵没有专用的抽底泵、调油泵。用大流量泵进行抽底、调油操作容易造成机泵抽空、憋压现象。解决抽空、憋压造成机封泄漏的现象。如果投资新进调油、抽底泵费用较大，并且泵房内空间有限。如何从实际出发，使用现有的条件实现生产需要呢？结合储运厂现有条件，倒罐泵、装车泵均为一开一备或一开两备，可以将参与调油或抽底频繁机泵的一台备用泵进行叶轮切削，使其达到效率不变，流量降低的效果。

2.切削叶轮计算

以大庆炼化公司储运厂P-34#泵为例，该泵为柴油装车泵，P-33#、P-35#泵互为备用。其型号为150YG-75，转速2950转/分，流量200m3/h，扬程75m，付机功率75KW，工作效率68.7%，轴功率57.7KW，入口管径150mm，出口管径100mm，叶轮直径315mm。

表2：叶轮的切削限量（JB/T 9799.1-1999）

比转数（ns）60120200300350350以上

最大允许切削量（%）201511970

效率下降每切削10%效率下降1%每切削4%效率下降1%

切削量控制在一定范圍内，切削前后泵相应的效率可视为不变。

引入比转数公式：

引入切削定律：Q1/Q2=D1/D2；H1/H2=(D1/D2)2；P1/P2=(D1/D2)3。

其中：

D1、D2---叶轮切削前后的直径；

Q1、Q2---叶轮切削前后的流量；

H1、H2---叶轮切削前后的扬程；

P1、P2---叶轮切削前后的轴功率。

比转数：=

由表2可知该叶轮最大允许切削量为9%，即315*9%=28.35mm。叶轮最多允许切削至287mm。切削至287mm时，其效率由68.7%降至66.7%。

现拟将原叶轮直径由315mm切削至300mm和287mm，来做比较。

方案一

由切割定理方程式有：

Q2=Q1*（D2/D1)=200*（300/315）=190.47m3/h

H2=H1 *（D2/D1) 2=75*（300/315）2=68.03m

方案二

由切割定理方程式有：

Q2= Q1*（D2/D1)=200*（287/315）=182.22m3/h

H2=H1*（D2/D1)2=75*（287/315）2=62.26m

方案一中叶轮切削15mm，流量降低了9.53m3/h。一座2000立储罐，单启该泵理论上导罐时间由原来10小时增加至10.5小时。

方案二中叶轮切削28mm，流量降低了17.78m3/h。一座2000立储罐，单启该泵理论上导罐时间由原来10小时增加至10.9小时。

但是经过叶轮切削后减轻了调油用泵出口限量的程度，同时由于流量降低大罐抽底不至于短时间内抽空。切削叶轮成本800元左右，新近机泵成本10万元。

3.经济效益分析

对于稳后泵来说，在叶轮切削前的实际平均运行功率为274KW，切削后的实际平均运行功率为214KW，全年按345天运行，目前电费为0.5618元/度，则年节电量为：（276-217）×340×24×0.5618≈27.4万元/年即年节约电费27.4万元。

参考文献

[1]Step~el A C衄and AxialFlow Pumps．New york：J0hn W iley＆So口B．1957，87.

[2]关醒凡.泵的理论与设计.北京:机械工业出版杜,198639—41

[2]林达华,胡择明,薛敦松.多缎离心泵叶轮切割的实验水泵技术,1985.(3)，26—29

高速切削关键技术 篇4

高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术, 其切削速度、进给加速度相对于传统的切削加工成倍提高, 效率提高3～5倍以上, 可直接加工淬火钢模具, 实现了模具加工“一次过”的革命性进步。高速加工是制造科学的前沿。高速切削时, 工件材料将处于超常应变速率状态, 在瞬间发生剧变, 完全突破了传统切削理论和现有切削加工的概念, 高速切削机理发生了根本性的变化。与传统切削加工相比, 高速切削加工使切削力下降30%, 切削热的90%被切屑带走, 高速避开了机床的低频共振区, 使机床的效率、精度和柔性得到高度统一, 代表了机床工业发展的方向。在工业发达国家, 高速加工已在航空航天、汽车、高速机车和模具等行业广泛应用, 成为切削加工的发展趋势。高速机床和高速刀具逐步投入市场, 高速切削加工技术得以在德、美、日等工业发达国家进入工业应用阶段并迅速发展, 取得重大经济和社会效益。

高速切削机床是实现先进切削工艺、获得高效加工效益的载体, 也是进行高速切削试验研究的平台。高速切削的关键技术有高速切削机理、高速加工技术、高速加工用刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等, 其中高速机床是实现高速加工的前提和基础条件。

1 高速主轴单元

高速主轴部件是高速机床最为关键的部件之一, 同时高速主轴单元的设计是实现高速加工的关键技术之一。高速主轴在离心力作用下产生振动和变形, 高速运转时产生的摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起温升和热变形, 将直接影响机床最终的加工性能, 因此必须对其进行严格控制。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。不同类型的主轴输出功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速, 并在指定的位置快速准停, 这要求主轴具有很高的角加速度。主轴的驱动如果通过皮带等中间环节, 不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪声, 而且增加了转动惯量, 机床主轴快速准停非常困难。高速加工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电机直接驱动的集成结构形式。集成化主轴有两种形式, 一种是通过联轴器把电机与主轴直接联接, 另一种是把电机转子和主轴做成一体。

目前, 多数高速机床主轴采用内装式电机主轴, 简称“电主轴”。电主轴采用无外壳电机, 将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内, 转子和机床主轴的旋转部件做成一体, 主轴的变速完全通过交流变频控制实现, 将变频电机和机床主轴合二为一。电主轴系统主要包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口等。

目前, 国外高速机床主轴系统一般选用的轴承有陶瓷球轴承、静压轴承、动静压轴承、气浮轴承、磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时, 这是高速切削技术应用的一大制约。国产陶瓷球轴承的转速仅达到20 000 r/min, 且只能承受轻负载。磁悬浮轴承支承的电主轴可以在5 000～80 000r/min的转速下运行上万小时, 但其主轴的支撑刚度较低, 难以应用于铣削加工。液体动静压轴承则拥有动压轴承和静压轴承的优点, 刚度和精度高, 其理论寿命为无限长, 有较大的应用潜力, 但目前设计预计的模型多是基于层流、不可压缩流体、等粘度假设, 有很大的局限性。高速主轴润滑轴承中流体的内摩擦功耗使温度上升。采用低粘度介质如水润滑, 使温升有所改善, 但其高速剪切下的热特性、水的腐蚀作用及高速紊流下气泡的产生对轴承稳定性的影响等问题有待深入解决, 才能形成设计制造技术。

在高速主轴单元中, 机床既要完成粗加工, 又要完成精加工, 因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度要求。高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。

2 高速进给系统

高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统, 这不仅是为了提高生产率, 也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件, 否则会造成刀具急剧磨损, 破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时, 为了保证零件的加工精度, 随着机床转速的提高, 进给速度也必须大幅度提高, 以便保证刀具每齿进给量不变;另一方面, 由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长, 一般只有几十毫米到几百毫米, 进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给, 除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副, 最近几年又出现了采用直线电机驱动和基于并联机构的新型高速进给方式, 从结构、性能到总体布局来看, 3种方式都有很大的差别, 形成了3种截然不同的高速进给系统。

(1) 滚珠丝杠副传动系统

从1958年美国K&T公司生产出世界上第一台加工中心以来, “旋转电动机+滚珠丝杠”至今仍然是加工中心和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动, 进给加速度可以达到1 g, 进给速度可以达到40～60 m/min, 定位精度可以达到20～25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统, 采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案, 因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制, 能够实现的进给速度和加速度比较小。

对于采用滚珠丝杠副的传动系统, 为了提高进给加速度, 可以采取以下措施。

a.加大滚珠丝杠直径以提高其刚度, 且丝杠内部做成空心结构, 这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。

高速滚珠丝杠在运转时, 由于摩擦产生温升, 造成丝杠的热变形, 将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术, 对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用。

b.选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机, 采用多头大导程滚珠丝杠。

c.对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。

另外, 为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度, 可以采用小直径的氮化硅陶瓷球, 并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来, 减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压, 减少丝杠的发热和引起的噪声。也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式, 避免高速运转受临界转速的限制。

改进后的滚珠丝杠其进给速度一般不超过60～80 m/min, 加速度小于1.5 g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。

采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比, 可以大幅度降低成本。日本精工已经研制出进给速度高达100 m/min的滚珠丝杠。采取的改进措施主要有, 采用16～32 mm大导程, 提高滚珠循环部分零件质量;采用多头螺纹以增加有效圈数, 改进滚道形状等。从而, 实现了进给系统的高速、高刚度以及高承载能力。

(2) 直线电机进给驱动系统

直线电机驱动实现了无接触直接驱动, 避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点, 可获得高精度的高速移动, 并具有极好的稳定性。

直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开, 然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固连, 定子则安装在机床床身上, 在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床进给传动链的长度缩短为零, 从而实现所谓的“零传动”。

从1845年Charles Wheastone发明世界上第一台直线电机以来, 直线电机在运输机械、仪器仪表、计算机外部设备以及磁悬浮列车等行业获得了广泛应用。国外第一个采用直线电机的数控机床是1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威机床博览会上展出的HSC240高速加工中心。该加工中心采用了德国Indramat公司开发成功的感应式直线驱动电机, 最高的进给速度可以达到60m/min, 进给加速度可以达到1 g。美国Ingersoll公司在其生产的HVM8加工中心的3个移动坐标轴的驱动上使用了永磁式直线电机, 进给最高速度达76.2 m/min, 进给加速度达1～1.5 g。意大利Vigolzone公司生产的高速卧式加工中心, 三轴采用直线电机, 三轴的进给速度均达到70m/min, 加速度达到1 g。在CIM’97上德国西门子公司曾作了120 m/min直线电机高速进给表演。该公司直线电机最大的进给速度可达200m/min, 最大推力可达6 600 N, 最大位移距离为504 mm。目前直线电机加速度可达2.5 g以上, 进给速度轻而易举就可以达到160 m/min以上, 定位精度高达0.5～0.05μm。

使用直线电机驱动具有以下优点。

a.高速响应性。由于系统取消了各种响应时间常数较大的机械传动件, 整个闭环控制系统动态响应性能大为提高, 反映异常灵敏快捷。

b.传动刚度高。系统避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象, 同时提高了其传动刚度。

c.定位高精度。系统从根本上取消了由于机械机构引起的传动误差, 减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。直线电机驱动系统一般以光栅尺作为位置测量元件, 采用闭环反馈控制系统, 工作台定位精度达0.1～0.01μm。

d.进给速度快、加减速度大。由于系统的高响应性, 其加减速过程大大缩短, 以实现启动瞬时达到高速, 高速运行又能瞬间停止, 可获得较高的加速度, 一般可以达到2～10 g。

e.行程长度不受限制。直线电机的次级连续铺在机床床身上, 次级铺到哪里, 初级 (工作台) 就可以运动到哪里, 使行程距离不受限制, 而且不管有多远, 对整个进给系统的刚度都没有任何影响。

直线电机的结构本身也存在着一些不利因素, 如直线电机的磁场是敞开的, 尤其是采用永磁式直线电机时, 要在机床床身上安装一排磁力强大的永久磁铁。因此必须采取适当的隔磁措施, 否则对其磁场周围的灰尘和切屑有吸收作用。与同容量的旋转电机相比, 直线电机的效率和功率因数要低, 尤其在低速时比较明显, 但从整个装置和系统来看, 由于采用直线电机后省去中间传动装置, 系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。另外, 直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大, 故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减小或消除这种影响。虽然采用直线电机驱动的数控机床需要解决如上问题, 但是目前在加速度大于1 g的情况下, 直线电机仍是唯一的选择。

(3) 基于并联机构的高速进给系统

传统机床的结构一般都是由床身、工作台、立柱、导轨、主轴箱等部件串联而成的非对称的布局, 因此机床结构不但要承受拉压载荷, 而且还要承受弯扭载荷。为了保证机床的整体刚度, 只有采用结构比较笨重的支承部件和运动部件, 这不但要消耗大量的材料和能源, 也制约了机床进给速度和加速度的进一步提高。刀具和工件之间的相对运动误差由各坐标轴运动误差线性叠加而成, 机床结构的非对称还导致受力和受热的不均匀, 这些都影响机床的加工精度。

为了克服传统机床布局上固有的缺陷, 满足高速加工的要求, 近年来出现了一种全新概念的机床进给机构——并联虚拟轴结构, 它的基本工作原理是建立在1964年由英国人Steward设计并获得专利的六杆结构的基础上, 一般称为Steward平台。具有这种进给机构的机床也被称为并联运动机床。1994年在芝加哥国际机床博览会上, 首次展出了由这种机构实现的多坐标进给运动的数控机床和加工中心, 引起国际机床界的轰动, 被认为是机床结构的重大革命。

和传统的串联式机床相比, 并联机床具有以下优点。

a.比刚度高。承受切削力的动平台由完全对称的多根杆件支撑, 杆件只承受拉压, 不承受弯扭应力。其结构简单、标准化程度高、生产成本低。

b.响应速度快。机床运动部件质量小, 对运动速度反映速度快, 能够实现高进给速度和高加速度的加工运动。

c.适应能力强。并联机床采用独特的简单杆系结构, 各杆的结构完全相同, 而其他部件均为外购的标准部件, 并且并联机床采用开放式控制系统, 只要更换平台上的工作部件就可以实现多种类型的加工。

并联机床是实现高速进给的一种崭新的运动机构, 有非常好的应用前景。但是由于并联机床结构上的限制, 其在应用过程中也存在一定的问题, 比如有效的工作空间比较小, 六轴完全并联的机床运动范围很小, 很难同时实现立卧加工, 做出的机床往往体积大而实用的工作空间小, 这是六杆机床发展初期普遍存在的问题。近年来各国都在大力发展混联机床, 这种结构机床可以在很大程度上解决工作空间小的问题。并联机床另一个比较严重的问题是加工精度不高, 其原因主要是杆件热变形以及铰关节制造精度的提高十分困难。研究开发结构尺寸小、承载能力强、精度高的复合滚动关节部件是发展并联机床的关键基础技术问题。并联机床的数控编程和误差补偿比较复杂, 并联机床的自动编程, 特别是自动补偿的难度和工作量都是比较重要和困难的工作。

3 高速CNC控制系统

高速加工机床主轴转速、进给速度和进给加减速非常高, 因此对高速加工机床的控制系统提出了更高的要求。用于高速切削的数控装置必须具备很高的运算速度和精度。采用快速响应的伺服控制, 以满足复杂型腔的高速度加工要求。目前, 主轴电机仍然是采用矢量控制技术的变频调速交流电机, 但必须优化现有的技术, 如采用性能更好的半导体器件和处理速度更高的处理器, 以及进一步优化矢量控制技术。

在高速机床中使用的主轴数字控制系统和数字伺服驱动系统, 应具有高速响应特征。对于主轴单元控制系统, 不仅要求控制主轴电机时有很高的快速响应特性, 而且要求主轴支承系统也应该有很好的动态响应特性。采用液压或磁悬浮轴承时, 要能够根据不同的加工材料、不同的刀具材料, 以及加工过程的动态变化自动调整相关参数, 加工精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的检测组件。

4 高性能的刀具系统

对于高速旋转类刀具来说, 刀具结构的安全性和动平衡精度是至关重要的。当主轴转速超过10 000r/m i n时, 一方面由于离心力的作用, 使主轴传统的7:24锥度产生扩张, 刀具的定位精度和连接刚性下降, 甚至发生连接部的咬合现象。另一方面常用的刀片夹紧机构的可靠性下降, 刀具整体不平衡量的影响加强。为了满足高速机床的加工要求, 德国开发出HSK连接方式、对刀具进行高等级平衡以及主轴自动平衡的系统技术。HSK连接方式能够保证在高旋转的情况下具有很高的接触刚度, 夹紧可靠且重复定位精度高。主轴自动平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90%以上。

目前, 用于高速加工的刀具材料主要包括金刚石 (PCD) 、立方氮化硼 (PCBN) 、陶瓷刀具、TiC (N) 基硬质合金 (金属陶瓷) 、硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等, 它们各有特点, 适于加工的工件材料范围也不同。PCD刀具包括金刚石复合刀片和金刚石涂层刀具, 主要用于有色金属和非金属的超高速加工, 但由于价格昂贵又不能加工钢、铁等黑色金属致使其高速加工的应用受到很大的限制。立方氮化硼 (PCBN) 刀具可分为整体PCBN刀片、单面PCBN复合刀片和单刃PCBN复合刀片, 根据PCBN含量及粘结剂的不同, 可用于铸铁、淬硬钢、热喷涂材料、硬质合金以及某些高温合金的高速加工, 并可实现“以车代磨”、“以铣代抛”的高速干切削和硬切削, 是目前比较理想的高速切削刀具材料, 但PCBN刀具不适于加工铁素体材料, 成本也很高。陶瓷刀具主要有Al2O3基、Si3N4基以及Sialon三大类, 具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性, 也是一种比较理想的高速硬切削刀具材料, 但其强度、韧性及抗热振性较差, 在高速加工中容易发生破损。针对陶瓷刀具的缺点, 目前国内外学者主要通过向陶瓷刀具材料基体中添加ZrO2、TiC、Ti (C, N) 、TiB2、SiC颗粒、SiC晶须等增韧补强相, 采用相变增韧、颗粒弥散增韧、晶须增韧以及几种增韧机制的协同增韧等方式来提高刀具材料的性能。TiC (N) 基硬质合金 (金属陶瓷) 刀具目前主要用于普通钢的高速切削加工, 但由于其硬度和耐磨性低于陶瓷刀具, 而不适于淬硬钢的高速加工。硬质合金涂层刀具的涂层工艺主要有物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD) , 涂层结构有单涂层、多涂层、纳米涂层以及梯度涂层等, 涂层材料主要包括Al2O3、Ti C、TiN、Ti (C, N) 、TiAlN等。由于硬质合金基体、涂层工艺、涂层结构、沉积温度等不同, 涂层刀具在实际生产的应用最为广泛, 几乎涵盖了所有金属材料。超细晶粒硬质合金刀具由于晶粒细化, 可大大提高刀具材料的强度和综合力学性能, 目前主要用做整体式刀具 (立铣刀、钻头) , 可以2 000 m/min以上的速度加工航空铝合金。但由于硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具较低的耐热性、耐磨性以及硬度, 在加工广泛应用于化工、冶金、武器装备、航空发动机等领域的不锈钢、高强合金钢、镍基合金等难加工材料时, 加工效率及刀具寿命普遍较低。

5 机床支撑技术

机床支撑技术主要指机床支撑构件的设计及制造技术。高速机床设计的关键是如何在降低运动部件惯量的同时, 保持基础支撑部件的高静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助设计, 特别是应用有限元分析及优化设计理论, 能获得质量轻、刚度高的机床床身、立柱和工作台结构。

对精密高速机床, 国内外都有采用聚合物混凝土来制造床身和立柱的, 也有将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成, 还有采用钢板焊接件, 并将阻尼材料填充其内腔以提高抗振性, 均取得了很好的效果。

6 辅助单元技术

辅助单元技术包括快速工件装夹、安全装置、高效冷却润滑液过滤、切屑处理和工件清洁等技术。

7 高速切削加工理论

高速切削加工过程的热-力耦合不均匀强应力场中的能量转换机制、切削变形规律;切削加工过程中的力学与传热学行为, 热-力耦合不均匀强场模型;刀具与工件之间的摩擦学行为, 及其与刀具磨损、破损规律和刀具寿命之间的关系;加工表面质量的形成机理、加工精度及其与切削条件之间的关系;“机床-刀具-工件-夹具”高速切削系统的动力学特性与稳定性及其对加工变形以及直接影响刀具寿命和加工表面质量影响规律。

8 高速切削的应用

(1) 大批量生产领域

这一领域的代表是汽车工业。美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心, 其主轴功率达65 kW, 主轴转速为15 000r/min, 进给速度达76.2 m/min。进给系统中采用了永磁式直线电机, 使进给加速度达到1.5 g。

(2) 薄壁零件加工领域

在航空航天工业产品及其他产品中, 为了最大限度地减轻质量、增加可靠性, 常采用整体薄壁的构件。但这些零部件的刚度极差, 不允许采用较大的切削深度。为了提高生产率、降低生产成本、缩短制造周期, 其主要途径是采用高速切削。

(3) 难加工材料领域

工件材料的特性对加工方法的选择有重要的影响, 一些难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等, 在高速切削条件下变得易于切削, 不仅如此, 刀具的耐用度和工件表面质量都得到提高。

(4) 超精密微细加工领域

高速切削加工技术的应用分析 篇5

1 高速切削将成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。

高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。

2 加快关键技术的开发应用

2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。

2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。

模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。

与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，

2.3 快速发展的配套技术

切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。

双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。

在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。

3 机床技术

3.1 驱动和传动技术

高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。

直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。

目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。

3.2 控制和数控技术

高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。

4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施

我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。

浅谈高速切削加工技术的发展 篇6

关键词:高速切削;机床;刀具

高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工因此,有时也称为超高速切削Utra一ligh Speed Machining)。高速切削是一个相对的概念,当使用不同的加工方法和工件材料与加工刀具时,Hsc的切削速度会有很大的不同。高速切削强调的是高的速度,即要有高的主轴转速,高速切削中的高速不是一个技术指标,而应是一个经济指标。高速切削时由于切削速度的大幅度提高,决定了高速切削具有以下特点:一是生产效率提高;二是切削力降低;三是工件的热变形减小;四是工件振动减小;五是可加工各种难加工材料;六是生产成本降低。

一、高速切削的机理

在高速切削过程中,由于切削速度足够快,使应变硬化来不及发生,变形只发生小范围内会使切削力小于传统速度的切削力。高速切屑变形机理在很大程度上与热量有关,随着切削速度的增加,切屑流受到的阻力减小,从而使切屑变薄、切削力减小。

高速切削机理主要包括高速切削中切削力、切削热变化规律.刀具磨损的规律.切屑的成型机理以及这些规律和机理对加工的影响。目前对铝合金的高速切削机理的研究与应用比较成功,但对黑金属和难加工材料的高速切削机理的研究与应用尚处于不断探索之中,应用也是在不成熟的理论指导下进行。另外,高速切削机理的研究与应用已进入钻铰、攻丝等的切削方式中,但还处于探索阶段。随着科学技术的发展,对高速切削的切削力、切削热、切屑成型、刀具磨损、刀具寿命、加工的精度和表面质量等的变化规律将做更加深入的分析与研究。

二、高速切削的发展

高速切削缘起自航空铝合金零件的加工。在该领域,高速加工主要用于铣削高强度铝合金整体构件、薄壁类零件,切除其90%,的材料。

高速切削在现代模具制造业中更具有较大的优势。由于高速性能加工刀具技术的发展使得}IS(:能够加工较硬的钢材,所以可以使用较硬的毛胚直接加工成模具成型零件,减少甚至不需要制造电极,极大程度地消除了耗时的磨削和抛光工序,从而出现了通过高速硬铣实现模具全部加工的发展趋势,促使模具制造朝着快捷、精确和经济的方向发展。采用高速切削替代电火花生产模具,可以明显提高效率、提高模具精度、使用寿命长。在工业发达国家,据统计目前有85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工在国际模具制造工艺中的主流地位已经确立。

从技术发展角度看,高速铣削正与超精加工、干硬切削加工相结合,开辟了以铣代磨的新天地,极大地减轻了模具的研抛工作量,缩短了模具制造周期。高速切削生产模具已

经逐渐成为模具制造的大趋势。因此可以预计,我国的机械制造企业将会越来越多地应用高速切削技术。

三、高速切削的关键技术

目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业和模具行业,尤其是在加工复杂曲面的领域,工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域,显示了强大的功能,而它的发展则涉及到高速切削机床技术、高速切削刀具技术和高速切削工艺技术这三个方面的关键技术。

(一)高速切削机床技术

性能良好的机床是实现高速切削前提和关键,而具有高精度高速主轴和控制精度高高速进给系统,则是高速切削机床技术关键所。高速主轴是高速切削机床核心部件,很大程度上决定着高速切削机床所能达到切削速度、加工精度和应用范围。目前,适于高速切削加工中心其主轴最高转速一般都大于10000r/min,有高达60000r/min～100000r/min,为普通机床10倍左右;主电动机功率15kW～80kW,以满足高速车削、高速铣削之要求。控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的重要技术之一。在进行高速切削时,为了保证零件的加工精度,随着机床转速的提高,进给速度也必须大幅度提高,以便保证刀具每齿进给量不变。

(二)高速切削刀具技术

刀具的使用是实现高速切削重要保证,如何正确选择刀具材料和设计刀具系统对提高零件的加工质量、延长刀具的使用寿命和降低加工成本都起着重要作用。高速切削要求刀具材料具有高硬度、高强度和耐磨性;高韧度、良好耐热冲击性;高热硬性、良好化学稳定性等性能,目前使用最多的刀具材料有:涂层刀具、陶瓷刀具

(A1203,Si3N4)、立方氮化硼(cBN)材料和聚晶金刚石(PcD)材料等。

(三)高速切削工艺技术

进行高速切削时,工件材料不同,所选用切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同。工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何参数、切削参数、振动和切削液等因素对都会对加工表面的粗糙度的产生影响,因此在高速切削加工时切削参数的选择和表面质量控制等工艺技术也是需要重视的。

四、结束语

随着科学技术的不断进步与生产水平的逐步提高,对制造业提出的要求也越来越高。高速切削已成为切削加工发展的主要方向之一,它可以大幅度提高生产的效率和零件的加工效率,更能节约刀具材料和切削液,减少对环境的污染,是制造业必然的发展方向。因此,我们要进一步加大对高速切削研究的投入,并逐步去替代传统的切削加工,让其成为时代发展的主流。

参考文献:

[1]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]艾兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3]席俊杰.高速切削的关键技术及应用[J].润滑与密封,2006,(5).

高速切削技术的探讨 篇7

1 高速切削技术的概念

高速切削加工技术是一个非常庞大而复杂的系统工程,它涵盖了机床材料的研究及选用技术,机床结构设计和制造技术,高性能CNC控制系统、通讯系统,高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统,高精度快速进给系统,高性能刀具夹持系统,高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术,高效高精度测试测量技术,高速切削机理,高速切削工艺,适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上,建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。

Salomon指出:切削温度随切削速度增大而提高,当切削速度达到V临界时,切削温度又随切削速度的增大而下降。如下图所示:

在常规切削范围内(见图1A区)切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高,当切削速度到达临界切削速度后,切削速度再增大,切削温度反而下降(见图1C区),所以越过B区,在高速区C区进行切削,则可用现有的刀具进行高速切削,从而大大地减少切削工时,成倍提高机床的生产率,同时提高加工质量管理,并可用于切削各种硬度、韧性以及难加工材料的工件。

1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义,高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5~10倍的切削加工。因此,根据加工材料的不同和加工方式的不同,高速切削的切削速度范围也不同。不同的被加工材料有不同的高速切削区域如:铝及铝合:VGS=1025~7500m/min钛及钛合金:VGS=100~1000 m/min,当Vc小于VGSmin时,刀具在过渡区域工作。

2 高速切削加工的特点

(1)材料切除率高

进给速度随切速的提高也可相应提高5~10倍,这样,单位时间内的材料切除率Q可提高3~6倍,

Q=apaevf/1000=apaenfzz/1000(cm3/min)

式中:ap为背吃刀量;De为有效切削直径;n为刀具转速、Z为刀具齿数;fz为每齿进给量。

切削速度与进给速度的线性关系导致了“高速下的高进给量”的结果,有效切削直径De的减小,为保持同样的切削速度Ve=Vc,则转速n大大提高。根据Vf=fz·z·n则Vf大大提高,切除率Q大大提高。

(2)

工序集中,加工时间缩短,降低加工成本,零件的单件加工时间缩短高速切削常可使粗精加工工序可集中在一道工序中完成。

(3)切削力低

切速高,使剪切变形区变窄、剪切角增大,变形系数减小以及切屑流出速度快,从而可使切削变形减小、切削力降低,可比常规切削低30%~90%,特别适合加工刚性差的工件,如航空薄壁零件。

(4)热变形小

90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走,工件积累热量极少,因而不会由于温升导致热变形,特别适合加工易热变形的零件。

(5)振动小,切削平稳

由于高转速和高进给速度,使机床的激振频率特别高,已远高于“机床—工件—刀具”系统的固有频率,使加工过程平稳、振动小,加工质量可达到磨削水平。适合于光学及各种精加工领域。

(6)高速切削可以加工各种难加工材料

如航空及动力部门大量采用的镍基合金、钛合金等,这类材料强度大,硬度高,加工中容易硬化,切削温度高,刀具易磨损。应用高速切削可迎刃而解。

高速切削的上述特点反映了在其适用领域内,能够满足效率、质量和成本越来越高的要求。高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用:(1)在航空航天业主要是解决零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、难加工材料和加工效率等问题,特别是整体结构件高速切削,既保证了零件质量,又省去了许多装配工作;(2)模具业中大部分模具均适用高速铣削技术,高速硬切削可加工硬度达50~60HRC的淬硬材料,因而取代了部分电火花加工,并减少了钳工修磨工序,缩短了模具加工周期;高速铣削石墨可获得高质量的电火花加工电极。

3 高速切削刀具技术

高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性,即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。其采用的刀具材料主要是硬质合金,并且普遍采用刀具涂层技术,涂层材料为氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiA LN)等等。

高速切削刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的要求,在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。

从提高耐用度和可靠性角度,需要考虑:(1)刀具基体与涂层材料;(2)刀具几何结构;(3)刀刃数和刀杆伸出量;(4)切削用量;(5)走刀方式;(6)冷却条件;

从提高使用安全性方面,需要考虑:(1)刀具系统强度与尺寸;(2)刀杆与机床的夹持方式;(3)刀具动平衡;

4 高速切削加工工艺

尽可能地保持刀具负荷的稳定,从而最大限度地延长刀具的使用寿命;尽可能地减少任何切削方向的突然变化,从而尽量减少切削速度的降低。要满足上述的这些条件,则在加工中:

(1)必须注重加工策略,采用分层环切加工。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象,不宜采用。坡走进给方式的铣削力是逐渐加大的,因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小,可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋进给方式采用螺旋向下切入,最适合型腔高速加工的需要。

(2)在可能的情况下,都应从工件的中心开始向外加工,以尽量减少全刀宽切削。

(3)粗加工中最好使用顺铣,因为使用顺序可减少刀具磨损。尽管这种加工方法确实存在许多不必要的刀具空程移动,但此时,切削移动速度的提高,足以弥补空程移动的损失。当切削厚度小于0.3mm时,在精加工过程中可安全地组合使用顺铣和逆铣来进行加工。

(4)冷却:在高速铣削时由于金属去除率和切削热的增加,冷削介质必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的能力。微量油雾冷却(MML)一方面可以减小刀具—切屑—工件之间的摩擦,另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换热效果较冷却液热传导的换热效果方式能带走更多的热量,和浇注式冷却方式相比,只消耗1/60000的润滑油,目前已成为高速切削首选的冷却介质。

氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中取得了很好的效果。氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作用外,还具有抗氧化磨损等作用,在33m/min的铣削速度时,相比较空气油雾冷却,刀具耐用度提高60%,铣削力可降低20%~30%。

5 结论

高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一,它会随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。但高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题,如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等等。同时高速切削投资大,这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。

参考文献

[1]艾兴等.高速切削加工技术.北京:国防工业出版社,2004.

[2]刘战强.先进切削加工技术及应用.北京:机械工业出版社,2005.

浅谈高速切削技术 篇8

关键词：高速切削技术,机床,控制系统

高速切削理论最早是由德国物理学家Carl.J.Salomon在1931年4月提出。主要内容是:在常规切削速度范围内, 切削温度随着切削速度的提高而升高, 但切削速度提高到一定值后, 切削温度不但不升高反会降低, 且该切削速度值与工件材料的种类有关, 目前高速切削技术比较普及的定义是根据1992年国际生产工程研究会 (CIRP) 年会主题报告的定义:高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5-10倍的切削加工。

一、高速切削技术的优点

1、可降低机床与刀具的损耗

由于高速切削时机床主轴与刀具所受的径向力小, 减少了主轴轴承、导轨、滚珠丝杠等精度要求较高部位的磨损。同时刀具和工件可保持相对较低的温度, 在高速切削应用中, 单位时间切削量小, 同时由于是高速进给, 比切削热传播的速度快, 大大提高了刀具的使用寿命。

2、显著提高加工生产效率

采用高速切削进行粗、半精加工时, 材料去除率高。同时机动时间和辅助时间大幅度减少, 由于主轴转速和进给的高速化, 加工时间可较之前减少了50%。

3、获得较高的加工精度和表面质量

由于切削吃刀浅, 切削力可减少30%以上, 变化幅度小, 机床的激振频率远大于工艺系统的固有频率, 故振动对表面质量的影响很小, 加上速度快, 切削热还来不及传给工件, 工件的加工变形减小, 有利于保证零件的表面质量、尺寸、形位精度等。对大型的框架件、薄壁槽形件等工件的加工尤为明显。

4、降低加工成本

高速切削时, 单位功率的金属切除率显著增大, 工件的在制时间相对缩短, 提高了能源和设备的利用率, 降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例, 有效的降低加工成本。

二、高速切削对机床、控制系统、刀具、加工工艺等参数的要求

1、高速切削对机床的要求

机床主轴和床身要有良好的刚性, 优良的吸振特性和隔热性能。机床的主轴转速一般应在15000rpm以上, 有些机床主轴转速可以达到60000rpm, 功率在10KW以上, 进给驱动直线进给速度在25-50m/min, 直线电机的驱动速度在80-110m/min。由于加工一直在高速状态, 机床的安全防护、冷却润滑、排屑能力等等因素也要考虑。

2、高速切削对控制系统的要求

要实现高速切削, 具有快速数据处理能力的高性能CNC控制系统是必不可少的。同时需要一个适合于高速加工的CAD/CAM编程系统, 目前比较普及的有美国PTC公司的PRO/ENGINEER软件、以色列的Cimatron软件、英国Del CAM公司的Power Mill软件以及日本Makino公司的FFCUT软件。

3、高速切削对刀具的要求

高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性, 即具有良好的抗冲击、耐磨损、高的强度韧性和抗热疲劳的特性。同时刀应具有合理的几何结构参数、高同心度的刀刃精度质量等, 总而言之, 高速切削刀具要具有很高的耐用度。现阶段, 常用的高速切削刀具种类主要有:

(1) 涂层刀具。

涂层刀具是在硬质合金刀具基体上涂覆金属化合物薄膜, 使刀具获得远高于基体的表面硬度和切削性能。目前常用涂层材料有Ti N、Ti Al N、Ti C、Ti CN、Ti Al CN等, 涂层技术也由原先单一涂层发展为多层、复合材料涂层, 一直到多元复合涂层。

(2) 金属陶瓷刀具。

金属陶瓷主要包括Ti C基硬质合金 (Ti C+Ni或Mo) 、Ti C基硬质合金 (Ti C+Ta C+WC) 、Ti N基硬质合金和Ti CN基硬质合金 (Ti CN+Nb C) 等。金属陶瓷刀具具有较高的室温硬度、高耐磨、高韧性、高温硬度及良好的耐磨性, 对钢件的高速加工速度可达450m/min以上。

(3) 陶瓷刀具。

陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类, 是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的。对钢件的加工速度, 甚至是淬硬钢可达600m/min以上。

(4) 立方氮化硼刀具。

立方氮化硼 (CBN) 刀具具有极高的硬度及红硬性, 是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料;

4、高速切削对加工工艺的要求

实现高速切削, 必须合理的选择加工工艺。刀杆的伸长量、切削用量、走刀方式、冷却条件等等一系列问题都要充分考虑。例如:要尽量避免切削时速度上的突然改变, 可在拐角处增加圆弧过渡, 避免出现尖锐导角;在平面铣削中, 选用螺旋或倾斜方式进退刀运动;在曲面轮廓加工中, 使用切圆弧的进退刀运动;尽可能保持恒定的刀具载荷;多采用分层顺铣方式;冷却方式选用油雾刀具内冷等。

高速切削加工模具的关键技术研究 篇9

1 基于高速加工技术的现代模具制造系统

传统的模具制造技术主要是根据设计图样,采用普通数控铣削、仿形加工、成形磨削、电火花加工以及钳工抛光、修配等方法来制造模具。

现代模具制造能够利用CAD/CAE/CAPP/CAM技术对整个设计制造过程进行有效预测和评估,迅速获得样品,同时节省大量的模具试制材料费用,减少模具返修率,缩短生产周期,大大降低了模具制造成本[1]。高速切削技术因其具有高效率、高精度和良好的经济效益的特点在现代模具制造系统中占有极其重要的地位。在这样的背景下,基于高速切削的模具制造系统应运而生(图1)。

2 高速切削加工模具的机床选择

a) 高速加工模具对机床的要求:模具加工机床在高速切削中占据着最重要的地位。相比于普通切削,高速切削对于使用的机床要求机床主轴转速高、功率大;机床刚度好;极高的主轴转动和工作台运动加速度;较好的高速控制系统。

b) 高速切削机床选用的一般原则:模具制造企业选购高速切削机床应根据加工对象的工艺要求、企业的经济环境和设备的使用环境等诸因素来进行具体的分析,从工艺的适应性、性能价格比、规避风险性等几方面来考虑[2]。

1) 工艺适应性原则:主要是指所选购的机床功能应能适用被加工零件的形状尺寸、尺寸精度和生产节拍等要求;

2) 性能价格比原则:模具加工主要是以单件小批量生产为特征,其加工特点不是以追求高移动速度为主要目的,所以模具制造业通常选择HSM型高速加工中心,因为它比加工能力相当的HVM型高速加工中心价格便宜了许多,但机床并不是越便宜越好,还要注意性能价格比;

3) 风险规避原则:购买机床前要做好市场调研工作,综合考虑,将风险降到最小,使物有所值,调研方法除传统的用户调研、厂家交流和考察外,特别要留意在我国举办的权威性国际机床展览会——CIMT的相关信息。

3 模具高速加工数控编程及策略

a) 高速切削对CAD/CAM系统的要求:为了保证高速加工编程的效率,CAD/CAM系统须满足以下条件[3]:

1) 高效的电脑配置:CAM处理程序计算量非常大,需要足够容量和强劲功能的计算机硬件来支持,要求硬件具有以下特性:处理器速度足够快;足够的内存;具有足够显存和支持Open-GL功能的3D视频显示卡。

2) 合适的CAM编程系统:现有的高速切削数控编程CAM软件,如PowerMILL,MasterCAM,UnigraphicsNX,CATIA,Cimatron E等,都提供了相关功能的高速数控铣削刀具轨迹策略。高速数控加工工艺要求严格,过切保护更加重要,一般需对编程指令进行仿真检验,高速加工编程时间比一般加工编程时间要长得多。

3) 具有输入各种不同格式档案文件的能力:某些加工车间可能面对各种不同的客户,而它们所使用的CAD系统也各不相同。在这种情况下,就需要定义一种文件转换格式,从而将几何数据从客户的CAD系统转入CAM系统。为避免耗时的曲面修复工作,如修复曲面错位、重叠、或几何数据的丢失等,选择合适的档案格式来进行数据转换是至关重要的。

4) 具有丰富的仿真模拟能力:为验证所产生的刀具路径的正确性,需要有不同的仿真模拟模式供用户选择,通常有3种模拟模式,即线架构模式、实体模式和在实体模型上模拟材料的去除过程。

b) 高速切削数控编程策略:高速切削数控编程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要尽一切可能保证刀具轨迹的光滑平稳,这会直接影响加工品质和机床主轴等零件的寿命;最后,要尽量使刀具载荷均匀,这会直接影响刀具的寿命。应用高速切削数控编程CAM软件生成刀具轨迹时,要注意以下几个问题:

1) 避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化,以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏,保持刀具轨迹的平稳,避免突然加速或减速。

2) 下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀,避免垂直下刀直接接近工件材料,行切端点采用圆弧连接,避免直线连接。

3) 残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段,一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工,直至达到模具所需的尺寸,不应用小刀一次加工完成,同时应避免全刀宽切削。

4) 尽可能地保持稳定的切削参数,包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性。此外,当遇到某处切削深度有可能增加时,应降低进给速度。

5) 采用优秀的可视化仿真加工模拟与过切检查软件,可以很好地检测干涉,保证刀具有正确的轨迹路径。

4 模具高速切削制造工艺技术

模具高速切削制造工艺技术主要包括切削方式、走刀、加工阶段、切削参数选择等。

a) 切削方式的选择:在模具高速数控铣削加工中,应尽量选用顺铣加工,因为在顺铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最大,随后逐渐减小。在逆铣时,刀具刚切入工件产生的切屑厚度为最小,随后逐渐增厚,这样增加了刀具与工件的摩擦,在刀刃上产生大量热量,所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多,径向力也大大增加[4,5]。同时在顺铣中,刀刃主要受压应力,而在逆铣中刀刃受拉应力,受力状态较恶劣,降低了刀具的使用寿命,顺铣和逆铣时刀具切入工件的过程如图2所示。

高速切削加工适于浅切深,切削深度不应超过0.2mm,这是为避免刀具的位置偏差,确保加工模具的几何精度,保持恒定的金属去除率,保证加在工件上的切削载荷是恒定的,以获得较好的加工效果。

b) 走刀方式的选择:对于带有敞口模具型腔的区域,尽量从材料的外走刀,以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域,采用螺旋进刀方式,在局部区域切入。

高速切削加工中,由于机床加速的局限性,容易造成时间的浪费,急停或急动则会破坏模具表面精度,且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。故应尽量减少刀具的急速换向,选择单一路径切削模式进行顺铣,不中断切削过程和刀具路径,尽量减少刀具的切入切出次数,以获得相对稳定的切削过程。

c) 加工阶段及策略:高速切削加工阶段包括以去除余量为目的的粗加工、残留粗加工,以及以获取高品质的加工表面及细微结构为目的的半精加工、精加工和镜面加工阶段等。

1) 粗加工阶段:粗加工阶段所应采取的工艺策略是高切削速度、高进给率和小切削量的组合。等高加工方式是众多CAM软件普遍采用的一种加工方式。应用较多的是螺旋等高和Z轴等高两种方式[5]。对陡峭和平坦区域分别处理,计算适合等高及适合使用类似3D偏置的区域,并且同时可以使用螺旋方式,在很少抬刀情况下生成优化的刀具路径,获得更好的表面品质。在高速加工中一定要采取圆弧切入、切出连接方式,以及拐角处圆弧过渡。禁止使用直接下刀的连接方式来生成高速数控加工的程序。

2) 半精加工阶段:半精加工阶段的策略是进行优化以保证半精加工后工件表面具有均匀的剩余加工余量。优化过程包括:粗加工阶段轮廓的计算、最大剩余加工余量的计算、最大允许加工余量的确定、对剩余加工余量大于最大允许加工余量的型面分区(如凹槽、拐角等过渡半径小于粗加工刀具半径的区域)以及半精加工时刀心轨迹的计算等。模具高速加工CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能,并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。

3) 精加工阶段:高速切削精加工阶段的策略包括三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。对许多形状来说,精加工阶段最有效的策略是使用三维螺旋策略,使用这种策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中会出现的频繁的方向改变,从而提高加工速度,减少刀具磨损。在许多场合需要将陡峭区域的等高精加工和平坦区域三维等距精加工方法结合起来使用。

d) 切削参数的选择:

1) 刀柄和刀具:不同加工阶段对刀杆的要求有侧重。粗加工阶段:可能产生明显的机械压力;刀头要求减弱摆动和震动。半精加工阶段:在所有加工表面上产生均衡的预留量;可能需要纤细的刀头来加工深部及细小部份。精加工阶段:此工序目的在于精度及平面光亮度;要求最小的圆跳动、高精度和高强度;可能会要求纤细刀杆和直径小的刀具来加工深部或细小部分。

刀具在高速加工中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷,不同材料的工件高速切削时,刀具的选用要注意其与工件材料相匹配。高速切削加工的刀具材料有金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TiC(N)等。其中涂层硬质合金在高速加工中应用最为广泛,可用于耐热合金、钛合金、高温合金、铸铁、纯钢、铝合金及复合材料的高速切削。

2) 刀具的选择:刀具选择的原则是:安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。

生产中,模具零件周边轮廓的平面加工,常采用立铣刀;铣削平面时,应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行模具自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,为保证加工精度,切削行距一般采用顶端密距,球头刀具常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工品质和切削效率方面都优于球头刀,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀。

3) 切削用量的确定:选择切削用量的原则是:粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本;半精加工和精加工时,应在保证加工品质的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定。考虑以下几个因素:

切削深度t(轴向进给量):在机床、工件和刀具刚度允许的情况下,t就等于加工余量,这是提高生产率的一个有效措施,为保证模具零件的加工精度和表面品质,一般应留一定的余量进行精加工;

切削宽度L:一般L与刀具直径d成正比,与切削深度成反比;

切削速度υc:提高υc也是提高生产率的一个措施,但υc与刀具耐用度的关系比较密切,随着υc的增大,刀具耐用度急剧下降,故υc的选择主要取决于刀具耐用度,切削速度与加工材料也有很大关系,具体的确定方法通常采用下列3种方法:由刀具供应商提供;参考已有的实验数据;通过大量切削实验建立自己的数据库。

4) 主轴转速n(r/min):主轴转速一般根据切削速度来选定。计算公式为:υc=πdn/1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关,可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。

5) 进给速度υf(每齿进给量fz):υf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。υf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时,υf可选择得大些。在加工过程中,υf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整,但最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

由于每齿进给量fz的设定正确与否,对刀具所受切削载荷的合理分布有着极其重要的影响,所以实际生产中的每齿进给量的确定可用类似于确定切削速度的方法来确定:由切削刀具供应商提供;参考别人研究所得的实验数据;通过大量切削实验获得。

5 结语

为保证高速加工在模具制造中的顺利实施,首先要注意高速机床的正确选择和安全使用;其次是要清楚高速加工对编程人员的要求与编程方式发生了改变,高速加工对CAD/CAM系统的要求以及高速加工模具的常用编程策略;重点讨论了高速加工模具的工艺技术如切削方式的选择、走刀方式的选择、各加工阶段的不同任务及相应的加工策略、刀头系统和刀具的正确选用、切削用量的选择等,并阐述了高速加工模具工艺制订的内容和一般步骤。

参考文献

[1]郭新贵,汪德才,等.高速切削技术及其在模具工业中的应用[J].现代制造工程,2001(9):31-33.

[2]H.舒尔茨.高速加工发展概况[J].王志刚,译.机械制造与自动化,2002(1):4-8.

[3]王西彬,解丽静.超高速切削技术及其新进展[J].中国机械工程,2000,11(2):190-194.

[4]艾兴,刘战强,等.高速切削综合技术[J].航空制造技,2002(3):20-23.

[5]张伯霖,杨庆东,陈长年.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

面向高速切削的自动编程技术研究 篇10

高速切削是一项系统技术, 从刀具材料、刀柄、机床、控制系统、加工工艺技术、CAD/CAM 等, 均与常规加工有很大区别。由于高速切削的特殊性和控制的复杂性, 在高速切削条件下, 传统的NC 程序已不能适应要求。因此, 必须认真考虑加工过程中的每一个细节, 深入研究高速切削状态下的数控编程。CAD/CAM/CNC 集成化是目前机械制造业发展的主流。CAD/CAM/CNC 集成化与高速切削技术相结合, 形成高速切削CAD/CAM/CNC 集成系统。它的实现将达到减少人工干预、缩短NC 编程时间、提高产品加工品质和效率的目标。

1 高速切削对数控编程的具体要求

高速切削中的NC 编程代码并不仅仅局限于切削速度、切削深度和进给量的不同数值。NC编程人员必须改变加工策略, 创建有效、精确、安全的刀具路径, 从而得到预期的表面精度。高速切削对数控编程的具体要求如下:

a) 保持恒定的切削载荷:随着高速加工的进行, 保持恒定的切削载荷非常重要。而保持恒定的切削载荷则必须注意以下几个方面:1) 保持金属去除量的恒定, 在高速切削过程中, 分层切削要优于仿形加工;2) 刀具要平滑地切入工件, 在高速切削过程中, 让刀具沿一定坡度或螺旋线方向切入工件要优于让刀具直接沿z向直接插入;3) 保证刀具轨迹的平滑过渡, 刀具轨迹的平滑是保证切削负载恒定的重要条件, 螺旋曲线走刀是高速切削加工中一种较为有效的走刀方式;4) 在尖角处要有平滑的走刀轨迹。

b) 保证工件的高精度:为了保证工件的高精度, 最重要的一点就是尽量减少刀具的切入次数。图1显示了如何尽可能地减少刀具切入次数的有效方法。

c) 保证工件的优质表面:在高速切削过程中, 过小的步进 (进给量) 会影响实际的进给速率, 其往往会造成切削力的不稳定, 产生切削振动。从而影响工件表面的完整性。在高速切削条件下, 采用较大的进给量, 则会产生较好的表面加工品质。

2 粗加工CAM策略

粗加工在高速加工中所占的比例要比在传统加工中的多。在高速加工中, 粗加工的作用就是要比传统加工为半精加工、精加工留有更均衡的余量。粗加工的结果直接决定了精加工过程的难易和工件的加工品质。因此, 在高速粗加工过程中, 要着重考虑以下几个方面:

a) 恒定的切削条件:一般采用顺铣 (爬升切削) 方式, 或采用在实际加工点计算加工条件等方式进行粗加工。在高速切削过程中采用顺铣削方式, 可以产生较少的切削热, 降低刀具的负载, 降低甚至消除了工件的加工硬化, 以及获得较好的表面品质等。

b) 恒定的金属去除率:在高速切削的粗加工过程中, 保持恒定的金属去除率, 可以获得保持的恒定切削负载、刀具和工件均保持在较冷的状态、延长刀具的寿命加工效果。

c) 走刀方式的选择:对于带有敞口型腔的区域, 尽量从材料的外面走刀, 以实时分析材料的切削状况。而对于没有型腔的封闭区域, 采用螺旋进刀, 在局部区域切入。

d) 尽量减少刀具的切入次数:由于之字形模式主要应用于传统加工, 因此在高速加工中大多选择回路或单一路径切削。这是因为在换向时NC 机床必须立即停止 (紧急降速) 然后再执行下一步操作。由于机床的加速局限性, 而容易造成时间的浪费。因此, 将选择单一路径切削模式来进行顺铣, 尽可能地不中断切削过程和刀具路径, 尽量减少刀具的切入切出次数, 以获得相对稳定的切削过程。

e) 尽量减少刀具的急速换向:由于进给量和切削速度非常的高, 编程人员必须预测刀具是如何切削材料的。除了降低步距和切削深度以外, 还要避免可能的加工方向的急剧改变。急速换向的地方要减慢速度, 急停或急动则会破坏表面精度, 且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。尤其在3D型面的加工过程中, 要注意一些复杂细节或拐角处切削形貌的产生, 而不是仅仅设法采用平行之字形切削、单向切削或其他的普通切削等方式来生成所有的形貌。此外, 编程人员还应该了解, 不论高速切削控制器中的前馈功能有多好, 它仍然不知道在一个3D 结构中的加工步长是多少。

通常, 切削过程越简单越好。这是因为简单的切削过程可以允许最大的进给量, 而不必因为数据点的密集或方向的急剧改变而降低速度。从一种切削层等变率地降到另一层要好于直接跃迁, 采用类似于圈状的路线将每一条连续的刀具路径连接起来, 可以尽可能地减小加速度的加减速突变。

f) 在z方向切削连续的平面:粗加工所采用的方法, 通常是在z方向切削连续的平面。这种切削遵循了高速加工理论, 采用了比常规切削更小的步距, 从而降低每齿切削去除量。当采用这种粗加工方式时, 根据所使用刀具的正常的圆角几何形状, 利用CAM 软件计算它的z水平路径是很重要的。如果使用一把非平头刀具进行粗加工, 则需要考虑加工余量的三维偏差。根据精加工余量的不同, 三维偏差和二维偏差也不相同。

3 精加工CAM策略

在高速切削的精加工过程中, 保证精加工余量的恒定至关重要。为保证精加工余量的恒定, 主要注意以下几个方面:

a) 笔式加工 (清根) :在半精加工之前为了清理拐角[如图2 (a) ], 在过去典型的方法就是选择组成拐角的两个表面, 沿着两表面的交界处走刀。采用该方法, 可以处理一些小型的或简单的工件, 也可以在有充足时间编程的情况下处理复杂结构。但是, 由于需要手工选择不同尺寸的刀具和切削所有的拐角, 许多人选择预先进行这步工作, 因此, 在高速加工中可能会产生危险。

笔式铣削采用的策略为:首先找到先前大尺寸刀具加工后留下的拐角和凹槽, 然后自动沿着这些拐角走刀。其允许用户采用越来越小的刀具, 直到刀具的半径与三维拐角或凹槽的半径相一致。理想的情况下, 可以通过一种优化的方式跟踪多种表面, 以减少路径重复。

笔式铣削的这种功能, 在期望保持切屑去除率为常量的高速加工中是非常重要的。缺少了笔式切削, 当精加工这些带有侧壁和腹板的部件时, 刀具走到拐角处将会产生较大的金属去除率。采用笔式切削, 拐角处的切削难度被降低, 降低了让刀量和噪声的产生。该方法即可用于顺铣又可用于逆铣。

由于笔式铣削能够清除拐角处的多余量, 当去除量较大的时候, 通常在3D精加工之前进行笔式铣削。机床操作人员和NC编程人员可以根据增大的金属去除率来适当地降低笔式铣削的进给量, 也可以增加沿角头的清根轨迹以去除多余余量[图2 (b) , (c) ]。

b) 余量加工 (清根) :余量铣削类似于笔式铣削, 但是又可以应用于精加工操作。其采用的加工思想与笔式铣削相同, 余量铣削能够发现并非同一把刀具加工出的三维工件所有的区域, 并能采用一把较小的刀具加工所有的这些区域。余量铣削与笔式铣削的不同之处在于, 余量铣削加工的是大尺寸铣刀加工之后的整个区域, 而笔式铣削仅仅针对拐角处的加工。高速切削的一个重要选择就是高速切削能够计算垂直或平行于切削区域的切削余量。法向选择是在剩余切削区域内来回走刀进行切削, 而平行选择则将遵从剩余切削区域的加工流理 (U-V线) 方向进行切削。高速切削用户可以适当地应用平行选择, 其可以将成百上千的步长数减少到很少的量, 从而使加工过程更加有效。

c) 控制残余高度:在切削3D外形的时候, 计算NC精加工步长的方法主要是根据残余高度, 而不是使用等量步长。这种计算步长的算法以不同的形式被封装在不同的CAM软件包中。过去采用这种功能的优势就是进行一致性表面精加工。特别表现在, 打磨和手工精加工任务的需求将越来越少。在高速切削中采用对自定义的残余高度进行编程还有另外的好处。根据NC精加工路径动态地改变加工步长, 该软件可以帮助保持切屑去除率在一个常量水平。这有助于切削力保持恒定, 从而将不期望的切削振动控制在最小值。可以通过两种方法来实现残余高度的控制:实际残余高度加工:主要根据表面的法向而不是刀具矢量的法向来计算步长[图3 (a) ]。其可以不管工件表面的曲率而保持每一次走刀之间的等距离切削, 并且保持刀具上恒定的切削负载, 特别是在工件表面的曲率急剧变化的时候——从垂直方向变为水平方向或者相反, 其优势更为明显。

xy优化:自动地在最初切削的局部范围内再加工残余材料, 以修整所有的残留高度。这种选择性的刀具路径创建, 精简了再加工整个工件或者必须在CAM中手工设置分界线, 以便加工出光滑表面的一系列工序。如何根据残余高度进行切削, 主要在于软件对3D形貌中的斜坡部分的计算[图3 (b) ]。软件能够根据刀具的尺寸和几何形状来调整加工步长以保持恒定的残余高度。这就意味着坡度越陡峭, 所需精加工操作中的加工步长越密。因此, 用户可以获得一个光滑、精度一致的工件。

d) 采用fp工艺来达到高速高精度工件表面。在高速铣削过程中, 最好采用f=P的铣削方式。其中, f为每刃进给量, P为进给步距。

e) 退刀速率时采用进给速率。

f) 采用不同的加工方法, 如平行线切削、轮廓切削、仿形切削等。

g) 应用边界识别功能 (图4) 。

h) 保证加工轨迹的一致性能够获得优质的加工表面。如图5所示, 不配合的加工轨迹则使型面产生偏差, 而保证加工轨迹的一致性时, 型面的品质较高。

4 总结

在高速切削加工普及的今天, 传统的加工方式已越来越不能满足发展的需要, 高速切削将是一种不可逆转的趋势。由于加工过程是高速运动, 无法靠人工急停来预防过切、碰撞、干涉等问题, 所以在利用CAM软件进行自动编程时, 必须设定适合高速加工的进退刀方式、走刀方式等刀具路径规划方法以获得光滑平顺稳定的刀具轨迹, 生成优化的数控加工程序。目前, CAD/CAM/CNC体系结构还有很多不足, CAM自动编程技术仍需不断完善, 不断地提供适合高速切削环境的新策略。

参考文献

[1]王令其, 缪德建, 左健民.面向高速切削的CAD模型与CAM编程[J].组合机床与自动化加工技术, 2007 (4) :83-86.

[2]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.