數(shù)控高速加工技術(shù)綜述

　　論文摘要:高速切削技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢,其應(yīng)用將大幅度地提高加工效率和加工質(zhì)量。高速切削技術(shù)不僅涉及到高速切削加工工藝及高速切削機(jī)理,而且包括高速切削所用的刀具、機(jī)床等諸多因素。本文著重介紹了高速切削各相關(guān)技術(shù)的研究動(dòng)態(tài),并對高速切削技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

　　一、 高速加工的技術(shù)優(yōu)勢

高速加工在切削原理上是對傳統(tǒng)切削認(rèn)識(shí)的突破。據(jù)資料介紹,在國外的高速加工試驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí),當(dāng)切削速度超過一定值(V=600m/min)后,切削速度再增高,切削溫度反而降低,在切削過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)入切削并從工件處被帶走。試驗(yàn)條件下的測試證明了在大多數(shù)應(yīng)用情況下,切削時(shí)工件溫度的上升不會(huì)超過3℃。相應(yīng)地,在已給定的金屬切除率下,當(dāng)切削速度超過某一數(shù)值之后,實(shí)際切削力會(huì)近似保持不變。
經(jīng)過理想的高速加工后,切屑變形及其收縮加工的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用對航空制造業(yè)有著重要的意義。高速加工自身必須是一個(gè)各相關(guān)要素相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng),是多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用,為此機(jī)床廠商應(yīng)進(jìn)行大力的開發(fā)研制,推出與高速加工相關(guān)的新技術(shù)設(shè)備。

　　二、 數(shù)控高速加工的發(fā)展現(xiàn)狀

實(shí)用的高速加工技術(shù)跟隨引進(jìn)的先進(jìn)數(shù)控自動(dòng)生產(chǎn)線、刀具(工具)、數(shù)控機(jī)床(設(shè)備),在機(jī)械制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用,相應(yīng)的模式、技術(shù)、理念隨之融入企業(yè)。在我國航天、航空、汽輪機(jī)、模具等行業(yè),程度不同地應(yīng)用了高速加工技術(shù),其間的差距在于國家對該行業(yè)投入資金、引進(jìn)政策等支持的多少,以及企業(yè)家們對高速加工系統(tǒng)技術(shù)認(rèn)識(shí)的深淺。相對于汽車制造業(yè)而言,這類機(jī)械制造行業(yè)基本上是屬于工藝離散型制造業(yè)。其高速加工技術(shù)主要表征在對高速數(shù)控機(jī)床與刀具技術(shù)的應(yīng)用上。目前國內(nèi)已引進(jìn)的加工中心、數(shù)控鏜、銑床主軸轉(zhuǎn)速一般≤8 000r/min(極少有12 000r/min),快進(jìn)速度≤40m/min。對鑄鋁、鍛鋁合金體、高強(qiáng)度鑄鐵和結(jié)構(gòu)鋼件,多采用超細(xì)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結(jié)構(gòu)刀具應(yīng)用還較少,加之機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速偏低,一般不能進(jìn)入高速切削領(lǐng)域。以銑削加工為例,這些行業(yè)加工鋁合金工件:切削速度<1 000m/min,進(jìn)給速度<15m/min,每齒進(jìn)刀量<0.35mm。車削:切削速度<700m/min。銑削鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼(含不銹鋼)工件:切削速度<500m/min,進(jìn)給速度<10m/min,每齒進(jìn)刀量<0.3mm。上述行業(yè)中,數(shù)控設(shè)備利用率僅為25%左右。預(yù)計(jì)“十五”期間,上述行業(yè)將會(huì)在應(yīng)用高速加工技術(shù)方面發(fā)生跳躍式的進(jìn)步與發(fā)展。

　　三、 數(shù)控高速加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的前提和關(guān)鍵。具有高精度的高轉(zhuǎn)速主軸,具有控制精度高的高軸向進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度的軸向進(jìn)給系統(tǒng),又是高速機(jī)床的關(guān)鍵所在。分述如下:
1. 高速主軸
高速主軸是高速切削最關(guān)鍵零件之一。目前主軸轉(zhuǎn)速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越來越普及,轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的實(shí)用高速主軸也正在研制開發(fā)中。高速主軸轉(zhuǎn)速極高,主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形,高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦和大功率內(nèi)裝電機(jī)產(chǎn)生的熱會(huì)引起高溫和變形,所以必須嚴(yán)格控制。為此對高速主軸提出如下性能要求:(1)高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速范圍;(2)足夠的剛性和較高的回轉(zhuǎn)精度;(3)良好的熱穩(wěn)定性;(4)大功率;(5)先進(jìn)的潤滑和冷卻系統(tǒng);(6)可靠的主軸監(jiān)測系統(tǒng)。
2. 快速進(jìn)給系統(tǒng)
高速切削時(shí),為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變,隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,進(jìn)給速度也必須大幅度地提高。目前高速切削進(jìn)給速度已高達(dá)50m/min～120m/min,要實(shí)現(xiàn)并準(zhǔn)確控制這樣的進(jìn)給速度對機(jī)床導(dǎo)軌、滾珠絲杠、伺服系統(tǒng)、工作臺(tái)結(jié)構(gòu)等提出了新的要求。而且,由于機(jī)床上直線運(yùn)動(dòng)行程一般較短,高速加工機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)較高的進(jìn)給加減速才有意義。為了適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高速化的要求,在高速加工機(jī)床上主要采用如下措施:(1)采用新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌,直線滾動(dòng)導(dǎo)軌中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積很小,其摩擦系數(shù)僅為槽式導(dǎo)軌的1/ 20左右,而且使用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后,“爬行”現(xiàn)象可大大減少;(2)高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠或粗螺距多頭滾珠絲杠,其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加減速度;(3)高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化,高速切削機(jī)床己開始采用全數(shù)字交流伺服電機(jī)和控制技術(shù);(4)為了盡量減少工作臺(tái)重量但又不損失剛度,高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;(5)為提高進(jìn)給速度,更先進(jìn)、更高速的直線電機(jī)己經(jīng)發(fā)展起來。直線電機(jī)消除了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、彈性變形等問題,減少了傳動(dòng)摩擦力,幾乎沒有反向間隙。直線電機(jī)具有高加、減速特性,加速度可達(dá)2g,為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的10～20倍,進(jìn)給速度為傳統(tǒng)的4～5倍,采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),具有單位面積推力大、易產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)不需要維護(hù)等明顯優(yōu)點(diǎn)。
3. 高速切削刀具技術(shù)
(1)刀具。高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親合力要小,并具有優(yōu)異的性能和熱穩(wěn)定性,抗沖擊、耐磨損。目前在高速切削中常用的刀具材料有單涂層或多涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石等。
(2)高速切削刀具結(jié)構(gòu)。高轉(zhuǎn)速引起的離心力在高速切削中會(huì)使抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都較低的刀片發(fā)生斷裂,除損傷工件外,對操作者和機(jī)床會(huì)帶來危險(xiǎn)。因此,高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必須滿足動(dòng)平衡要求。動(dòng)平衡一般對小直徑刀具要求不嚴(yán),對大直徑刀具或盤類刀具要求嚴(yán)格。外伸較長的刀具,必須進(jìn)行動(dòng)平衡。另外需要對刀具、夾頭、主軸等每個(gè)元件單獨(dú)進(jìn)行平衡,還要對刀具與夾頭組合體進(jìn)行平衡。最后,將刀具連同主軸一起進(jìn)行平衡。但目前還沒有統(tǒng)一的平衡標(biāo)準(zhǔn),對ISO1940-1標(biāo)準(zhǔn)中的平衡質(zhì)量G值為平衡標(biāo)準(zhǔn)也有不同的看法,有的企業(yè)以G1為標(biāo)準(zhǔn)(所謂G1,即刀具在10 000r/min回轉(zhuǎn)時(shí),回轉(zhuǎn)軸與刀具中心軸線之間只允許相差1Lm),有的以G215為標(biāo)準(zhǔn)。
(3)高速切削刀具幾何參數(shù)。高速切削刀具刀刃的形狀正向著高剛性、復(fù)合化、多刃化和表面超精加工方向發(fā)展。刀具幾何參數(shù)對加工質(zhì)量、刀具耐用度有很大的影響,一般高速切削刀具的前角平均比傳統(tǒng)加工刀具小10b,后角約大5b～8b。為防止刀尖處的熱磨損,主、副切削刃連接處應(yīng)采用修圓刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃區(qū)切削刃的長度,提高刀具剛性和減少刀刃破損的概率。
(4)高速切削刀柄系統(tǒng)。加工中心主軸與刀具的連接大多采用7B24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng),ISO、CAT、DIN、BT等都屬此類。用在高速切削加工時(shí),這類系統(tǒng)出現(xiàn)了許多問題,主要表現(xiàn)為:剛性不足、ATC(自動(dòng)換刀)的重復(fù)精度不穩(wěn)定、受離心力作用的影響較大、刀柄錐度大,不利于快速換刀及機(jī)床的小型化。針對這些問題,為提高刀具與機(jī)床主軸的連接剛性和裝夾精度,適應(yīng)高速切削加工技術(shù)發(fā)展的需要,相繼開發(fā)了刀柄與主軸內(nèi)孔錐面和端面同時(shí)貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩大類:一類是對現(xiàn)有7B24錐度刀柄進(jìn)行的改進(jìn)性設(shè)計(jì),如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統(tǒng);另一類是采用新思路設(shè)計(jì)的1B10中空短錐刀柄系統(tǒng),有德國開發(fā)的HSK、美國開發(fā)的KM及日本開發(fā)的NC5等幾種形式。
4. 高速切削工藝
高速切削具有加工效率高、加工精度高、單件加工低等優(yōu)點(diǎn)。高速加工和傳統(tǒng)加工工藝有所不同,傳統(tǒng)加工認(rèn)為,高效率來自低轉(zhuǎn)速、大切深、緩進(jìn)給、單行程,而在高速加工中,高轉(zhuǎn)速、中切深、快進(jìn)給、多行程則更為有利。高速切削作為一種新的切削方式,目前尚沒有完整的加工參數(shù)表可供選擇,也沒有較多的加工實(shí)例可供參考,還沒有建立起實(shí)用化的高速切削數(shù)據(jù)庫,在高速加工的工藝參數(shù)優(yōu)化方面,也還需要做大量的工作。高速切削NC編程需要對標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程加以修改。零件程序要求精確并必須保證切削負(fù)荷穩(wěn)定。多數(shù)CNC軟件中的自動(dòng)編程都還不能滿足高速切削加工的要求,需要由人工編程加以補(bǔ)充。應(yīng)該采用一種全新的編程方式,使切削數(shù)據(jù)適合高速主軸的功率特性曲線。目前, Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM軟件,都已添加了適合于高速切削的編程模塊。
5. 高速機(jī)床的床身、立柱和工作臺(tái)
通過輔助工程的方法,特別是用有限元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),能獲得減輕重量、提高剛度的床身和工作臺(tái)。

　四、 結(jié)語

高速加工技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一,其產(chǎn)生是全球化和各種先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果。在此背景下,高速加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù),并得到越來越廣泛的應(yīng)用。高速加工的巨大吸引力在于實(shí)現(xiàn)高速加工的同時(shí),保證了高速加工精度。航空航天、汽車及模具制造業(yè)對高速加工的認(rèn)同與強(qiáng)烈要求,推動(dòng)著高速加工技術(shù)在國際上的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):
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