超聲波——硬質(zhì)切削的量子飛躍
發(fā)布日期:2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽:4922
GILDEMEISTER公司推出了高效加工易碎材料的革新方法——超聲波技術(shù)。這些易碎材料包括陶瓷、玻璃、鎢鉻鈷合金、硅、石墨、復(fù)合材料和寶石等
高速切削與傳統(tǒng)加工方式的區(qū)別
市場(chǎng)對(duì)于強(qiáng)應(yīng)力部件的需求一直在增長(zhǎng),這在醫(yī)學(xué)技術(shù)和光學(xué)工業(yè)以及汽車工業(yè)和許多其他行業(yè)都是如此。這些需求由于使用“先進(jìn)材料”已逐步得到滿足。這些材料雖然有優(yōu)秀的性能(如重量輕、抗腐蝕、耐高溫和耐磨損等),但是用傳統(tǒng)方法加工的話,比如用鉆石刀具在磨床上加工,那么所需花費(fèi)也是很大的。其原因就是這些材料又硬又脆。
這些難度的挑戰(zhàn)使超聲波技術(shù)成為當(dāng)今加工技術(shù)上的一個(gè)量子飛躍。此超聲波技術(shù)是由德國洪呂克地區(qū)Stlpshauscn的Herman Sauer公司開發(fā)的。此發(fā)明是該公司30多年革新加工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。自從GILDEMEISTER公司獲得了該高科技開發(fā)商的控股權(quán)以來,此廠已成為歐洲最大的金屬切削機(jī)床制造廠商中的第10個(gè)供應(yīng)商。
之所以起名為“超聲波”,是由于金屬切削工藝是靠超聲波技術(shù)支持的,銑、鏜、磨的刀具頭上鑲有工業(yè)鉆石,以20kHz的頻率,或每秒20000次“打”入工件里,即使是最硬的材料也可以很低的接觸力和很高的進(jìn)給功率來進(jìn)行加工。
傳統(tǒng)的易碎材料加工方法十分麻 煩,因?yàn)橛性S多耗時(shí)的步驟必須進(jìn)行, 成本也特高,因?yàn)榈毒吆筒牧系哪p都十分可觀。而超聲波加工可以直接達(dá)到指標(biāo),在工藝上還有以下令人信服的優(yōu)越性。比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)效率提高5倍;表面粗糙度Ra<0.2um;因?yàn)橛兄悄芸刂扑惴ˋDR和 ACC,即使是達(dá)0.3mm直徑的精密鉆孔也能保證過程安全;工件和刀具均得到保護(hù),因?yàn)榻佑|力和熱應(yīng)力都;鉆石刀具會(huì)自我銳化,保證了在低接觸力之下的高切削率;機(jī)械使用壽命長(zhǎng)。
超聲波工藝是從高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)開始,然后增壓器放大振蕩幅度,鉆石刀具以額定頻率為20kHz即每秒 20000次的脈動(dòng)方式伸縮,在伸出或振幅的最高點(diǎn),附在刀具上的多個(gè)鉆石核與工件的表面碰撞,于是材料就變成極小的顆粒。
與此同時(shí),刀具也在旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速在3000~4000r/min之間,主要是使工件達(dá)到圓滑的效果,同時(shí)也把多余的材料顆粒從工作區(qū)清除掉。最后它們很容易用水從工作區(qū)沖走。根據(jù)所選擇的不同工藝,在磨削過程中可以進(jìn)行淹沒式?jīng)_洗,而在銑削和鉆削過程中則通過軸分別進(jìn)行沖洗和冷卻。
決定工藝過程效率和質(zhì)量的因素不僅有振幅和受控變量,而且還有鑲鉆石核的刀具。這對(duì)于鉆石分裂器的硬度及核的尺寸,尤其是對(duì)于按照超聲波工藝來校準(zhǔn)的刀具架及切削材料的化學(xué)機(jī)械連接來說,的確是如此。當(dāng)然,正如整個(gè)超聲波軸一樣,粘合材料也在過程中伸縮,因而此材料的選擇有講究,在伸出的最高點(diǎn),鉆石核繼續(xù)保持強(qiáng)力粘附在刀具上;另一方面,還需要有一定的柔性以便核在與工件接觸時(shí)不會(huì)脫落,而只有在大范圍里的核頭裂開。通過這種分裂,刀刃數(shù)得以增加,于是鉆石刀具便在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)了自我銳化,從而使高切削率在機(jī)器的整個(gè)使用壽命中基本保持不變。
超聲波工藝鏈中另一個(gè)重要元件是專門設(shè)計(jì)的刀具架。其錐形螺紋提供了一個(gè)剛性連接與壓力裝配的完美結(jié)合,保證了從軸到刀具的振蕩傳遞。軸有類似于單向節(jié)流閥的特殊結(jié)構(gòu),可保證不會(huì)有軸向的振蕩返回來沖擊到軸承并進(jìn)入到機(jī)器。
然而,超聲波技術(shù)不斷取得成功的關(guān)鍵因素,并非只是提高了生產(chǎn)效率、被加工工件的精度和質(zhì)量。或許它被潛在用戶接受的更重要的原因,可以在以下兩個(gè)因素里找到:安全、產(chǎn)品可復(fù)制,換句話說,超聲波在實(shí)際工作環(huán)境下的能力。為此,CNC控制超聲波機(jī)器的方式多種多樣,智能控制算法通過流程監(jiān)控及調(diào)整加工過程的操作和控制變量,例如振幅、進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速,可保證運(yùn)行平穩(wěn)。偏離變量的情況可以立即發(fā)現(xiàn),所以刀具碰壞的情況幾乎不會(huì)發(fā)生。這一點(diǎn)已經(jīng)在超聲波機(jī)每天三班倒頻繁運(yùn)行的多年實(shí)踐中得到了證明。
超聲波機(jī)使用ADR和ACC兩種過程控制方式。ADR是德文Adaptivregelung的縮寫,意為自適應(yīng)控制。其控制功能通過監(jiān)控刀具來進(jìn)行,所以這種方法保證的是最佳進(jìn)刀量。與引導(dǎo)刀具的ADR相反,ACC是聲學(xué)控制,監(jiān)控加工過程中工件發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)。ACC主要用于對(duì)表面質(zhì)量要求極高的情況。
ADR和ACC都連續(xù)不斷地檢測(cè)物理參數(shù)。平心而論,使用這些智能控制算法也離不開運(yùn)氣和實(shí)驗(yàn)觀察。ADR和ACC也可以結(jié)合起來使用,這樣可以保證靈活加工以取得最佳效果。例如,加工一開始,靠ADR可以使進(jìn)刀量為最小。在最后拋光表面時(shí),控制方式自動(dòng)切換到ACC聲學(xué)控制。
DMS超聲波機(jī)系列產(chǎn)品有兩種規(guī)格,X方向分別為350mm和500mm。DECKEL MAHO以基本配置把這兩種機(jī)器送到Sauer,在那里給它們配備新開發(fā)的超聲波元件,如超聲波主軸、超聲波發(fā)生器、振蕩敏感器及鉆石刀具。除了DMS超聲波系列的標(biāo)準(zhǔn)供貨方式之外,還有另外的補(bǔ)充備用品專為特殊應(yīng)用場(chǎng)合例如微切削加工而提供。
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