淺析高速切削(HSC)技術(shù)
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:4085
一、高速切削的原始定義
1931年,德國切削物理學(xué)家薩洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一個假設(shè),即同年申請了德國專利(Machine with high cutting speeds)的所羅門原理:被加工材料都有一個臨界切削速度V0,在切削速度達(dá)到臨界速度之前,切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大,當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5~6倍時,切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低,刀具磨損隨切削速度增大而減小。 切削塑性材料時,傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”,每一刀切削的排屑量都很大,即吃刀大,但進給速度低,切削力大。實踐證明隨著切削速度的提高,切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀演化,所需單位切削力在初期呈上升趨勢,而后急劇下降,這說明高速切削比常規(guī)切削輕快,兩者的機理也不同。
二、現(xiàn)代高速切削技術(shù)的概念
所羅門原理出發(fā)點是用傳統(tǒng)刀具進行高速度切削,從而提高生產(chǎn)率。到目前為止,其原理仍未被現(xiàn)代科學(xué)研究所證實。但這一原理的成功應(yīng)該不只局限于此。高速切削技術(shù)是切削技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的角度去確切定義高速切削,目前還沒有取得一致,因為它是一個相對概念,不同的加工方式,不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數(shù)。這里包含了高速軟切削、高速硬切削、高速濕切削和高速干切削等等。
事實上,高速切削技術(shù)是一個非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,它涵蓋了機床材料的研究及選用技術(shù),機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù),高性能CNC控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng),高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統(tǒng),高精度快速進給系統(tǒng),高性能刀具夾持系統(tǒng),高性能刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù),高效高精度測試測量技術(shù),高速切削機理,高速切削工藝,適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關(guān)的硬件和軟件技術(shù)。只有在這些技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上,建立起來的高速切削技術(shù)才具有真正的意義。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能,必須是CAD/CAM系統(tǒng)、CNC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、機床、刀具和工藝等技術(shù)的完美組合。
三、高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點
自所羅門原理申請專利以來,高速切削技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)理論探索階段,應(yīng)用探索階段,初步應(yīng)用階段和較成熟應(yīng)用階段。特別是20世紀(jì)70年代后,各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼投入大量的人力、物力、財力研究開發(fā)高速切削技術(shù)及相關(guān)技術(shù),發(fā)展日新月異,德國、美國、瑞典、瑞士、英國和日本等制造強國走在了世界前列。近幾年,隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進和經(jīng)濟發(fā)展的強大推動,高速切削機床、刀具技術(shù)和相關(guān)技術(shù)迅速進步,使高速切削(HSC-High Speed Cutting)技術(shù)以其高效率、高質(zhì)量應(yīng)用于航天、航空、汽車、模具和機床等行業(yè)中,各種切削方式、各種材料幾乎無所不能,尤其是高速銑削和高速車削發(fā)展神速。該技術(shù)為“輕切削”方式,每一刀切削排屑量小,切削深度小,即ap與ae很小,但切削線速度大,為傳統(tǒng)的3~5倍,進給速度大,為傳統(tǒng)的5~10倍。其優(yōu)點在于:
加工時間短,效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3~5倍。
刀具切削狀況好,切削力小,主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高,吃刀量很小,剪切變形區(qū)窄,變形系數(shù)ξ減小,切削力降低大概30%~90%。同時,由于切削力小,讓刀也小,提高了加工質(zhì)量。
刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走,故工件和刀具熱變形小,有效地提高了加工精度。
工件表面質(zhì)量好。首先ap與ae小,工件粗糙度好,其次切削線速度高,機床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率,因而工藝系統(tǒng)振動很小,十分容易獲得好的表面質(zhì)量。
高速切削刀具熱硬性好,且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走,可進行高速干切削,不用冷卻液,減少了對環(huán)境的污染,能實現(xiàn)綠色加工。
可完成高硬度材料和硬度高達(dá)HRC40-62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層(TiAlN)的硬質(zhì)合金刀具,在高速、大進給和小切削量的條件下,完成高硬度材料和淬硬鋼的加工,不僅效率高出電加工(EDM)的3~6倍,而且獲得十分高的表面質(zhì)量(Ra0.4),基本上不用鉗工拋光。
四、高速切削系統(tǒng)
高速切削系統(tǒng)主要由高速切削CNC機床、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、高速切削CAM系統(tǒng)軟件等幾部分組成。
高速切削CNC機床
(1) 高穩(wěn)定性的機床支撐部件 高速切削機床的床身等支撐部件應(yīng)具有很好的動、靜剛度,熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分機床都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料,有的機床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土,以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性,不但保證機床精度穩(wěn)定,也防止切削時刀具振顫;采用封閉式床身設(shè)計,整體鑄造床身,對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強筋,如德國Deckel Maho公司的橋式結(jié)構(gòu)或龍門結(jié)構(gòu)的DMC系列高速立式加工中心,美國Bridgeport公司的VMC系列立式加工中心,日本日立精機VS系列高速加工中心,使機床獲得了在靜態(tài)和動態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性。一些機床公司的研發(fā)部門在設(shè)計過程中,還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構(gòu)計算,優(yōu)化了結(jié)構(gòu),使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。
(2) 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù),也是高速切削機床最重要的部件。要求動平衡性很高,剛性好,回轉(zhuǎn)精度高,有良好的熱穩(wěn)定性,能傳遞足夠的力矩和功率,能承受高的離心力,帶有準(zhǔn)確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。高速切削一般要求主軸轉(zhuǎn)速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kW。通常采用主軸電機一體化的電主軸部件,實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動,電機大多采用感應(yīng)式集成主軸電動機。而隨著技術(shù)的進步,新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機,該電機能更高效,大功率地傳遞扭矩,且傳遞扭矩大。易于對使用中產(chǎn)生的溫升進行在線控制,且冷卻簡單,不用安裝昂貴的冷卻器,加之電動機體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,所以大有取代感應(yīng)式集成主軸電動機之勢。最高主軸轉(zhuǎn)速受限于主軸軸承性能,提高主軸的dn值是提高主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵。目前一般使用較多的是熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承和液體動、靜壓軸承以及空氣軸承。潤滑多采用油-氣潤滑、噴射潤滑等技術(shù)。最近幾年也有采用性能極佳的磁力軸承的。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷。
(3) 高精度快速進給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度、高進給率和小切削量的組合,進給速度為傳統(tǒng)的5~10倍。這就要求機床進給系統(tǒng)很高的進給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進給率不小于60m/min,程序可編輯進給率小于40m/min,軸向正逆向加速大于10m/s²(1g)。機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導(dǎo)程、大尺寸、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導(dǎo)程多頭絲杠。隨著電機技術(shù)的發(fā)展,先進的直線電動機已經(jīng)問世,并成功應(yīng)用于CNC機床。先進的直線電動機驅(qū)動使CNC機床不再有質(zhì)量慣性、超前、滯后和振動等問題,加快了伺服響應(yīng)速度,提高了伺服控制精度和機床加工精度。不僅能使機床在f=60m/min以上進給速度下進行高速加工,而且快速移動速度達(dá)f=120m/min,加速度達(dá)2g,提高了零件的加工精度。但直線電動機在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問題,有待改進。
(4)高效的冷卻系統(tǒng) 高速切削中機床的主軸、滾珠絲杠 、導(dǎo)軌等產(chǎn)生大量的熱,如不進行有效的冷卻,將會嚴(yán)重影響機床的精度。大多采用強力高壓、高效的冷卻系統(tǒng),使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動機、主軸軸承、滾珠絲杠、直線電動機、液壓油箱等。Yamazen公司將壓力為6.8MPa的冷卻液通過主軸中心孔,對機床主軸、刀具和工件進行冷卻。日本日立精機公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液,達(dá)到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導(dǎo)軌受溫升的影響,日立公司和軸承商聯(lián)合研制出Eeo-Eeo的導(dǎo)軌潤滑脂,該潤滑脂潤滑和冷卻效果好,無有害物質(zhì),能進行自動潤滑及不需專用設(shè)備等特點。日立精機機床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤滑脂,具有良好的使用及經(jīng)濟效果。
(5) 高性能CNC控制系統(tǒng) 高速切削加工要求CNC控制系統(tǒng)有快速處理數(shù)據(jù)的能力,來保證高速加工時的插補精度。一般要求程序段傳送速率 1.6~20ms,RS232系列數(shù)據(jù)接口 19.2 Kbit/s(20ms),Ethernet數(shù)據(jù)傳送 200Kbit/s(1.6ms)。 新一代的高性能CNC控制系統(tǒng)采用32位或64位CPU,程序段處理時間短至1.6ms。 近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為CNC機床加工中的主要通訊手段和控制工具,相信不久的將來,將形成一套先進的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng),通訊將更快和更方便。大量的加工信息可通過網(wǎng)絡(luò)進行實時傳輸和交換,包括設(shè)計數(shù)據(jù)、圖形文件、工藝資料和加工狀態(tài)等,極大提高了生產(chǎn)率。但目前用得最多的還是利用網(wǎng)絡(luò)改善服務(wù),給用戶提供技術(shù)支持等等。美國Cincinati Machine公司研制開發(fā)出了網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng),用戶只要購買所需的軟件、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機和耳機等,即可上網(wǎng),無需安裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,通過網(wǎng)上交換多種信息,生產(chǎn)率得到了提高。日立精機機床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式CNC系統(tǒng),能將機床CNC操作系統(tǒng)軟件和因特網(wǎng)連接,進行信息交換。
(6) 高安全性 機床安全門罩高速切削機床普遍采用全封閉式安全門罩,高強度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施,來保證機床操作者及機床周圍現(xiàn)場人員的安全,避免機床、刀具和工件等有關(guān)設(shè)施受到損傷。一些機床公司還在CNC系統(tǒng)中開發(fā)了機床智能識別功能,識別并避免可能引起重大事故的工況,保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
(7) 高精度、高速度的傳感檢測技術(shù) 這包括位置檢測、刀具狀態(tài)檢測、工件狀態(tài)檢測和機床工況監(jiān)測等技術(shù)。
高性能的刀具
夾持系統(tǒng)高速銑床的刀具夾持系統(tǒng)要求其有很高的動平衡性,要求主軸具有30000r/min之上的動平衡能力,且具有絕對的定心性。主軸、刀柄、刀具三者在旋轉(zhuǎn)時應(yīng)具有極高的同心度,這樣才能保證高速、高精度加工。否則轉(zhuǎn)速越高離心力越大,當(dāng)其達(dá)到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)將會使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振,其結(jié)果是加工質(zhì)量下降,刀具壽命縮短,加速主軸軸承磨損,嚴(yán)重時會使刀具與主軸損壞。刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔應(yīng)結(jié)合緊密,現(xiàn)在刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時接觸的雙定位錐柄。如日本的BBT刀柄,德國的HSK空心刀柄。刀具夾持裝置一般用經(jīng)動平衡處理的彈簧卡頭,不過現(xiàn)在已有效果更好的液壓真空裝刀,強力銑卡頭裝刀。
高速切削刀具
刀具技術(shù)和機床制造,從一開始就相輔相成共同發(fā)展,可以毫不夸張的說,只有刀具技術(shù)和機床技術(shù)的不斷發(fā)展,才推進了高速切削技術(shù)。高速切削刀具應(yīng)具有良好的機械性能和熱穩(wěn)定性,即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。其采用的刀具材料主要是硬質(zhì)合金,并且普遍采用刀具涂層技術(shù),涂層材料為氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiALN)等等。涂層技術(shù)由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層。這一技術(shù)已成為提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。世界各大硬質(zhì)合金刀具制造商一般都將銷售收入的3~11%投入到研發(fā)中,其中相當(dāng)一部分用于硬質(zhì)合金和涂層材料的基礎(chǔ)研究。高速切削鋼材時,刀具材料應(yīng)選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、立方氮化硼(CBN)與CBN復(fù)合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵,應(yīng)選用細(xì)晶粒的K類硬質(zhì)合金進行粗加工,選用復(fù)合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)復(fù)合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時,應(yīng)選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具。選擇切削參數(shù)時,針對圓刀片和球頭銑刀,應(yīng)注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應(yīng)按動平衡設(shè)計制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小,后角略大。主副切削刃連接處應(yīng)修圓或?qū)Ы,來增大刀尖角,防止刀尖處熱磨損。應(yīng)加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積,提高刀具剛性。刀具材料與被切削材料應(yīng)具有較小的化學(xué)親和力。高速銑削大多采用硬質(zhì)合金刀具。在保證安全和滿足加工要求的條件下,刀具懸伸盡可能短,刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯,連接柄呈倒錐狀,以增加其剛性。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度,刃口要盡量短,兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復(fù)雜曲面,四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復(fù)雜曲面。
高速切削機理
對高速切削機理的研究,總的來說還處于一種邊探索邊應(yīng)用之中。高速切削機理主要包括高速切削中切削力、切削熱變化規(guī)律,刀具磨損的規(guī)律,切屑的成型機理以及這些規(guī)律和機理對加工的影響。目前對鋁合金的高速切削機理的研究與應(yīng)用比較成功,但對黑金屬和難加工材料的高速切削機理的研究與應(yīng)用尚處于不斷探索之中,應(yīng)用也是在不成熟的理論指導(dǎo)下進行。另外,高速切削機理的研究與應(yīng)用已進入鉆鉸、攻絲等的切削方式中,但還處于探索階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對高速切削的切削力、切削熱、切屑成型、刀具磨損、刀具壽命、加工的精度和表面質(zhì)量等的變化規(guī)律將做更加深入的分析與研究。
高速切削的CAM系統(tǒng)軟件
高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求,除了要有高速切削機床和高速切削刀具,具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。一個優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計算速度,較強的插補功能,全程自動過切檢查及處理能力,自動刀柄與夾具干涉檢查、繞避功能,進給率優(yōu)化處理功能,待加工軌跡監(jiān)控功能,刀具軌跡編輯優(yōu)化功能,加工殘余分析功能等等。數(shù)控編程可分為幾何設(shè)計(CAD)和工藝安排(CAM),在使用CAM系統(tǒng)進行高速加工數(shù)控編程時,除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外,加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關(guān)鍵。一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應(yīng)該同時也是一名合格的設(shè)計與工藝師,他應(yīng)對零件的幾何結(jié)構(gòu)有一個正確的理解,具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設(shè)計的知識和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn),這會直接影響加工質(zhì)量和機床主軸等零件的壽命;最后要盡量使刀具載荷均勻,這會直接影響刀具的壽命。
另外,在國內(nèi)外眾多的CAD/CAM軟件中并不是都適用于高速切削數(shù)控編程。這其中比較成熟適用于高速加工編程的有:英國DelCAM公司的PowerMill軟件模塊,日本Makino公司的FFCUT軟件(其FF加工模塊已集成到美國UGS公司的CAM軟件中),以色列的Cimatron軟件,美國PTC公司的Pro/ENGINEER軟件,國內(nèi)北航海爾華正軟件有限公司的CAXA-ME軟件等。
五、高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用
目前國際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車工業(yè)和模具行業(yè),尤其是在加工復(fù)雜曲面的領(lǐng)域,工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領(lǐng)域,顯示了強大的功能。其高效、高質(zhì)量為人們所推崇。國內(nèi)高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代,應(yīng)用于模具、航空、航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展,作為制造業(yè)的重要基礎(chǔ)的模具行業(yè)迅速發(fā)展,這為高速銑削技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的空間。高速銑削加工技術(shù)加工時間短,產(chǎn)品精度高,可以獲得十分光滑的加工表面,能有效地加工高硬度材料和淬硬鋼,避免了電極的制造和費時的電加工(EDM)時間,大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量。同時,模具表面因電加工(EDM)產(chǎn)生白硬層消失了,扭變絕跡了,這樣就提高了模具的壽命,減少了返修。因為電極的制造工作不需要了,所以模具改型只需通過CAD/CAM,使改型加快。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件,高速銑削可又快又好完成。而且在高速銑削CNC加工中心上,模具一次裝夾可完成多工步加工。這些優(yōu)點在資金回轉(zhuǎn)要求快、交貨時間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的今天是非常適宜的。所以高速銑削得到了快速而廣泛的推廣。反過來,這又促進了高速銑削技術(shù)的發(fā)展。
六、結(jié)束語
高速切削技術(shù)是切削加工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,它會隨著CNC技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而邁上更高的臺階。但我們也應(yīng)清醒的看到,高速切削技術(shù)自身也存在著一些急待解決的問題,如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損、建立高速切削數(shù)據(jù)庫、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)和綠色制造技術(shù)等等。同時高速切削所用的CNC機床,車、銑、鉆等刀具,CAD/CAM軟件等技術(shù)含量高,價格昂貴,使得高速切削投資大,這在一定程度上制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。
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