高速切削的加工技術(shù)和高速機(jī)床
發(fā)布日期:2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽:3954
在現(xiàn)代機(jī)械切削加工技術(shù)中,高速切削正在越來越多地被人提及,其技術(shù)已開始被使用,隨之而來的,首先是高速機(jī)床,那么,高速切削與傳統(tǒng)切削技術(shù)究竟有什么不同? 其實(shí)現(xiàn)的條件是什么? 實(shí)現(xiàn)它有哪些益處? 其適用性怎么樣呢? 本文將試圖回答這些問題,并且盡可能結(jié)合目前在世界上居領(lǐng)先水平的瑞士MIKRON公司的機(jī)床的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)來分析,用它同目前國內(nèi)仍在普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)的加工方法和切削理論相比較,促進(jìn)高新技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和普及。
高速機(jī)床
縮短加工時(shí)的切削與非切削時(shí)間,對(duì)于復(fù)雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序,最大限度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量,是我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)的一個(gè)重要的目標(biāo)。
有人認(rèn)為,一提高速加工,就是主軸轉(zhuǎn)速要幾萬轉(zhuǎn);只要主軸轉(zhuǎn)速一達(dá)到幾萬轉(zhuǎn),就可以實(shí)現(xiàn)高速切削,這其實(shí)是不全面的。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)床已經(jīng)具備了下面的條件,也只有具備這些條件,才會(huì)使得高速切削成為可能。
1.機(jī)電一體化的主軸,即所謂電主軸,F(xiàn)代化的主軸是電機(jī)與主軸有機(jī)地結(jié)合成一體,采用電子傳感器來控制溫度,自有的水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng),使得主軸在高速下成為“恒溫”;又由于使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù),使得主軸可以免維護(hù)、長壽命、高精度。由于采用了機(jī)電一體化的主軸,減去了皮帶輪、齒輪箱等中間環(huán)節(jié),其主軸轉(zhuǎn)速就可以輕而易舉地達(dá)到0~42000r/min,甚至更高。不僅如此,由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,造價(jià)下降,精度和可靠性提高,甚至機(jī)床的成本也下降了。 噪聲、振動(dòng)源消除,主軸自身的熱源也消除了。MIKRON公司便采用了本集團(tuán)“STEP-TEC”公司生產(chǎn)的電主軸,這種電主軸采用了其特別的、最先進(jìn)的矢量式閉環(huán)控制、高動(dòng)平衡的主軸結(jié)構(gòu)、油霧潤滑的混合陶瓷軸承,可以隨室溫調(diào)整的溫度控制系統(tǒng),確保主軸在全部工作時(shí)間內(nèi)溫度衡定。
何為矢量式閉環(huán)控制呢?其實(shí)就是借助數(shù)/模轉(zhuǎn)換,將交流異步電動(dòng)機(jī)的電量值變換為直流電模型,這樣,既可實(shí)現(xiàn)用無電刷的交流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),即在低轉(zhuǎn)速時(shí),保持全額扭矩,功率全額輸出,主軸電機(jī)快速起動(dòng)和制動(dòng)。以UCP710機(jī)床切削45#鋼為例,用STEP-TEC的主軸銑削,銑刀直徑ø63mm, 主軸轉(zhuǎn)速為1770r/min,金切量為540cm³/min;在無底孔鉆孔時(shí),鉆頭直徑ø50mm, 轉(zhuǎn)速1350r/min,可一次鉆出,而無需常用的先打中心孔,而后鉆孔再擴(kuò)孔的方法。
2.機(jī)床普遍采用了線性的滾動(dòng)導(dǎo)軌,代替過去的滑動(dòng)導(dǎo)軌,其移動(dòng)速度、摩擦阻力、動(dòng)態(tài)響應(yīng),甚至阻尼效果都發(fā)生了質(zhì)的改變。用手一推就可以將幾百公斤甚至上千公斤的重工作臺(tái)推動(dòng)。其特有的雙V型結(jié)構(gòu),大大提高了機(jī)床的抗扭能力;同時(shí),由于磨損近乎為零,導(dǎo)軌的精度壽命較之過去提高幾倍。 又因?yàn)榕浜鲜褂昧藬?shù)字伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī),其進(jìn)給和快速移動(dòng)速度已經(jīng)從過去最高的6m/min,提高到了現(xiàn)在的20~60m/min,MIKRON公司的最新型機(jī)床使用線性電機(jī),進(jìn)給和快移速度可達(dá)80m/min。
3.目前最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)可以同時(shí)控制8根以上的軸,實(shí)現(xiàn)五軸五聯(lián)動(dòng),甚至六軸五聯(lián)動(dòng),多個(gè)CPU,數(shù)據(jù)塊的處理時(shí)間不超過0.4ms;同時(shí),均配置功能強(qiáng)大的后置處理軟件,運(yùn)算速度快,仿真能力強(qiáng)且具備程序運(yùn)行中的“前視”功能,隨時(shí)干預(yù),隨時(shí)修改。外接插口,數(shù)據(jù)傳輸速度快,甚至可以與以太網(wǎng)直聯(lián);加上全閉環(huán)的測(cè)量系統(tǒng), 配合使用數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù),機(jī)床的線性移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)1~2g的加速和減速運(yùn)動(dòng)。
4.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,現(xiàn)代機(jī)床均采用落地式床身,整體鑄鐵結(jié)構(gòu),龍門式框架的主軸立柱,盡可能由主軸部件來實(shí)現(xiàn)二軸甚至三軸的線性移動(dòng),考慮到刀具重量的變化極小,這樣,在工件乃至工作臺(tái)不進(jìn)行快速線性移動(dòng)的情況下, 機(jī)床快速線性移動(dòng)的部件的重量近乎常量,因此,更容易實(shí)現(xiàn)快速加速和減速情況下的運(yùn)動(dòng)慣量及實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡,減少由于動(dòng)態(tài)沖擊所帶來的不穩(wěn)定,從而保證穩(wěn)定的且更高的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。
5.刀具的材料和技術(shù)的發(fā)展也是高速切削得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要因素。由于在高速切削時(shí),切削力已經(jīng)不是重要因素,不需大的切削扭矩,因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄,而是短圓柄,即HSK型柄,不需拉釘,主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響。重要的是需要?jiǎng)悠胶猓?即需加上動(dòng)平衡環(huán),在裝好刀具后,由動(dòng)平衡儀進(jìn)行平衡。刀具本身采用通體硬質(zhì)合金刀,或在硬質(zhì)合金上涂CBN、TiC等,也可采用人造金剛石,即PCD等,使刀具可以承受高達(dá)300~500m/min的切削線速度。
6.切削時(shí)采用油霧潤滑加工區(qū),而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。
高速切削
顧名思義,高速切削,首先是高的速度,即要有高的主軸轉(zhuǎn)速,比如12000r/min、18000r/min、30000r/min、40000r/min,甚至還有更高的轉(zhuǎn)速仍在試驗(yàn)中;另一方面,又應(yīng)有更大的進(jìn)給量,如30000mm/min、40000mm/min,甚至60000mm/min;再有就是快速移動(dòng)、快速換刀、主軸換刀后從靜態(tài)到達(dá)其所需轉(zhuǎn)速的加速時(shí)間等等,只有達(dá)到了上述標(biāo)準(zhǔn)才能稱之為高速。
其次是要針對(duì)不同的加工對(duì)象、不同的硬度、不同的材質(zhì)、不同的形狀來選擇相應(yīng)合理的參數(shù),而不能一味地追求為高速而高速,特別是對(duì)于型腔加工,形狀復(fù)雜而刀具直徑又較小時(shí),由于刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡不是簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)而是曲線,甚至有直角拐彎的時(shí)候,工藝參數(shù)的合理性就尤為重要,因?yàn)橐氡3滞贿M(jìn)給速度進(jìn)行直角切削,搞不好會(huì)由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的巨大慣性而導(dǎo)致刀具做彎角運(yùn)動(dòng)時(shí)突然斷裂,而變速運(yùn)動(dòng)又會(huì)由于加速和減速等運(yùn)動(dòng)造成切削厚度的瞬間變化,而導(dǎo)致切削刀變化使工件表面有切紋,由此使加工質(zhì)量下降,所以,針對(duì)不同的加工對(duì)象,需要編程人員選擇合理的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡,優(yōu)化切削參數(shù);另一方面,根據(jù)需要選擇適合的切削速度,只有這樣才能真正發(fā)揮高速切削的長處。
應(yīng)用高速切削,我們可以實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo):
(1)由于采用小的切削深度和厚度,刀具每刃的切削量極小,因而機(jī)床主軸、導(dǎo)軌的受力就小,機(jī)床的精度壽命長, 同時(shí)刀具壽命也延長了。
(2)雖然切削深度和厚度小,但由于主軸轉(zhuǎn)速高,進(jìn)給速度快,因此使單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量反而增加了,由此加工效率也提高了。
(3)加工時(shí)可將粗加工、半精加工、精加工合為一體,全部在一臺(tái)機(jī)床上完成,減少了機(jī)床臺(tái)數(shù),避免由于多次裝夾使精度產(chǎn)生誤差。
(4)可以加工高硬度、難加工材料(可達(dá)62HRC左右),可以鉆ø1mm以下的小孔。
(5)最重要的是,加工時(shí)間短,經(jīng)濟(jì)性能好。
高速切削的應(yīng)用
目前,高速切削已經(jīng)不是實(shí)驗(yàn)室里的技術(shù)了,它更多的是應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。(1)有色金屬,如鋁、鋁合金,特別是鋁的薄壁加工。目前已經(jīng)可以切出厚度為0.1mm、高為幾十毫米的成形曲面。
(2)石墨加工。在模具的型腔制造中,由于采用電火花腐蝕加工,因而石墨電極被廣泛使用。但石墨很脆,所以,必須采用高速切削才能較好地進(jìn)行成形加工。
(3)模具,特別是淬硬模具的加工。 由于淬硬的材料可以直接從供應(yīng)商處購買, 因此采用高速切削可以直接將模具切出,這不單單是省去了過去機(jī)加工→電加工的幾道工序;節(jié)約工時(shí),還由于目前高速切削已經(jīng)可以達(dá)到很高的表面質(zhì)量(Ra≤0.4um),因此省去了電加工后面的磨削和拋光的工序;相反,切削中形成的已加工表面的壓應(yīng)力狀態(tài),還會(huì)提高模具工件表面的耐磨程度(有統(tǒng)計(jì)說模具壽命因此能提高3~5倍),這樣,鍛模和鑄模僅經(jīng)銑削就能完成加工已成為可能。
(4)硬的、難切削的材料,如耐熱不銹鋼等。
高速切削的適用性
高速加工作為一種新的技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,它給傳統(tǒng)的金屬切削理論帶來了一種革命性的變化。那么,它是不是放之四海而皆準(zhǔn)呢?顯然不行。目前, 即便是在金屬切削機(jī)床水平先進(jìn)的瑞士、德國、日本、美國,對(duì)于這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究當(dāng)中。實(shí)際上,人們對(duì)高速切削的經(jīng)驗(yàn)還很少,還有許多問題有待于解決:比如高速機(jī)床的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性;刀具材料、幾何角度和耐用度問題,機(jī)床與刀具間的接口技術(shù)(刀具的動(dòng)平衡、扭矩傳輸)、冷卻潤滑液的選擇、CAD/CAM 的程序后置處理問題、高速加工時(shí)刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。迄今為止,國內(nèi)目前真正在實(shí)際加工中使用的是瑞士MIKRON公司的主軸轉(zhuǎn)速為42000r/min的機(jī)床, 南京航空航天大學(xué)購買了MIKRON的主軸為18000r/min機(jī)床,上海交大、大連理工大學(xué)等也買了主軸轉(zhuǎn)速為18000r/min的機(jī)床,山東工大、西安交大、北京理工大學(xué)都將購買高速機(jī)床做相應(yīng)的研究。應(yīng)該說,高速切削在我國,尚未正式進(jìn)入大學(xué)課堂,如果一些教授、導(dǎo)師們的頭腦中還是空白,那怎么去教學(xué)生、去發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)?更不要說國內(nèi)的機(jī)床廠家的情況了。應(yīng)該實(shí)事求是地講,由于多年來國有企業(yè)科研投入少,現(xiàn)有的機(jī)制不能充分鼓勵(lì)創(chuàng)新,基礎(chǔ)研究和元器件水平薄弱,新產(chǎn)品開發(fā)滯后等諸多問題的影響,我國的機(jī)床行業(yè)與國外同行業(yè)一流水平的差距已經(jīng)拉大,這一差距總的來說恐怕在十年以上。
現(xiàn)在看來,主軸轉(zhuǎn)速為10~42000r/min這樣的高速切削在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍受到一些限制:
(1)主軸轉(zhuǎn)速10~42000r/min時(shí),刀具必須采用 HSK 的刀柄,外加動(dòng)平衡,刀具的長度不能超過120mm,直徑不能超過16mm,且必須采用進(jìn)口刀具。這樣,在進(jìn)行深的型腔加工時(shí)便受到限制。
(2)機(jī)床裝備轉(zhuǎn)速為10~42000r/min的電主軸時(shí),其扭矩極小,通常只有十幾個(gè)N·m,最高轉(zhuǎn)速時(shí)只有5~6N·m。這樣的高速切削,一般可用來進(jìn)行石墨、鋁合金、淬火材料的精加工等。
(3)MIKRON公司針對(duì)這些情況開發(fā)了一些主軸最高轉(zhuǎn)速為12000r/min、15000r/min、18000r/min和24000r/min的機(jī)床,盡力提高進(jìn)給量(40000~60000mm/min),以保證機(jī)床既能進(jìn)行粗加工,又能進(jìn)行精加工,既省時(shí)效率又高。
(4)針對(duì)傳統(tǒng)的加工方式和不同的被切削材料,應(yīng)選擇合適的刀具材料來實(shí)現(xiàn)高速加工,而不能一味地追求高速,為高速而高速。如在美國的航天工業(yè)中,已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)7500m/min的線速度來切削鋁合金;但是切削鋼和鑄鐵時(shí),目前世界上實(shí)際進(jìn)行的高速加工所能實(shí)現(xiàn)的最高速度,也只能達(dá)到加工鋁合金的 1/3~1/5,約為1000~1200m/min, 其原因是切削熱會(huì)使刀尖產(chǎn)生熱破損。由此可見,刀具材料的耐熱性是加工黑色金屬的關(guān)鍵。對(duì)超級(jí)合金,包括鎳基、鈷基、鐵基和鈦基合金而言,其共同特點(diǎn)是在高溫下能保持高強(qiáng)度和高的耐腐蝕性,但它們又都是難加工材料。目前加工這種材料時(shí)的最高進(jìn)給速度為500m/min,主要受制于刀具材料及其幾何形狀。
所以說,高速加工的刀具材料必須根據(jù)工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言,陶瓷(AlO,SiN)、金屬陶瓷及PCBN刀具等適用于對(duì)鋼、鐵等黑色金屬的高速加工;PCD 和CVD等刀具則適用于對(duì)鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工。
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