高速切削机床
高速切削机床综述
李纪如
(沈阳理工大学机械工程学院 沈阳 110159)
摘要:本文简要叙述了高速切削机床的发展历史,分析了高速切削对机床的要
求,并介绍了高速切削机床在国民生产中起到的重要作用。
关键词:高速切削 数控机床 应用
Summary of High-speed Cutting Machine Tools
Jiru Li
(College of Mechanical Engineering Shengyang Ligong University Shenyang 110159)
Abstract : This paper introduces history of the high-speed machine
development ,analyzes the requirements of high-speed cutting machine, and
explained the importance of high-speed machine tools to National Product according to the domestic and international situation of high-speed machine tools.
Key word : High-speed cutting CNC machine tools Applications
0 前言
高速切削加工是一项综合性的高新技术。实现高速切削加工,机床的高速化是首要条件和最基础因素,高速机床是提供高速加工的主体。因此,开发和研制性能优良的可使机床执行部件带动刀具或工件获得极高工作速度的高速机床是发展高速切削加工的重中之重。现代数控机床加工中心的高速化已成为机床发展的主要方向和
特征之一。
机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。高速切削在航空和航天工业中用于高速铣削铝件加工已证明是有效的。高生产率的高速切削正在模具工业中,
尤其在模具精加工方面打开新局面, 今后将在更为传统的加工中得到发展。得容易和轻松。此后美国,日本,英国等国家才先后有人开始高速切削机由于高速切削把切削速度提高近10倍, 从而缩短了加工时间也提高了产品质量。
1高速切削机床的发展史 传统的切削速度和刀具寿命的关系被假定为线性关系,即刀具的速度越高,刀具的磨损越快。20世纪上半叶,一些研究人员开始发现,在某些加工过程中,切削速度达到某个值后,情况开始发生变化,刀具磨损加剧,但是速度继续上升,超过这一阈值,又可以恢复正常加工。经过长期的生产实践,人们意识到对于某一特定的被加工材料来说,在比现行使用的切削速度高许多倍的区域可能存在一个十分理想的切削条件,在这个切削条件下,生产率高,刀具耐用度长,而且切削力也比较小。 德国的切削物理学家Carl Salomon博士于1929年进行了超高速模拟试验,1931年4月发表了著名的超高速切削理论,提出了高速切削假设。 Salomon认为在常规的切削速度范围内,切削温度随着切削速度的增大而提高。当切削速度增大到超过一个速度范围,切削温度反而随切削速度的提高而降
低,同时切削力也会大幅下降。按照
他的假设,在具有一定速度的高速区进行切削加工,会有比较低的切削温度和较小的切削力。这就是著名的高速切削状态下切削温度的死谷理论(Dead Volley)。 由于第二次世界大战的种种原因,20世纪30—50年代后期之前的20多年时间里,没有人对此进行深入和系统地研究。 知道50年代末期,美国工程师Robert L.Vaughan才开始继续Salomon 的研究工作,从切削行程过程和切削形态的变化说明了高速切削时切削机理将发生变化,切削过程将变理及相关技术的研究,,其中以德国Darmstadt 工业生产工厂和机床研究所(PTW )的研究工作最为出色。 并且该研究所在H.Schulz 教授的领
导下,从1980年开始高速加工研究,1984年有联合众多家相关技术制造厂商在德国研究技术部的支持下,对高速加工工艺,机床,刀具,控制系统等各个方面进行了全面的研究,对刚,铸铁,铝合金等7种材料的高速切削性能进行了系统的实验,许多研究成果处于国际领先地位,成为高速加工技术发展历程中的里程碑。 经过长期的探索、研究和发展,才在近期被广泛应用于工业生产。今天,在加工钢件时切削速度已达到3000m/min,加工铸铁时达到3000m/min,加工铝合金则达到7000m/min,比常用的切削速度高了许多倍。除了高速切削外,高速磨削技术也已进入实用阶段。常规磨削速度为30~40m/s,而超高速磨削的速度已达到150m/s以上了。高速切削和磨削除了能大幅度提高生产率以外,还可以提高加工质量,特别是改善已加工表面质量。 2高速切削机床的要求 高速切削机床是实现高速切削的必不可少的设备。研究和开发性能优良的高速机床, 是实现高速切削的前提条件和关键因素, 其中重要的是设计和制造高速、大功率的主轴单元、进给单元和其它辅助装置。 (1)高速电主轴 高速机床主轴是实现高速切削加工最重要的关键技术, 是高速机床最重要的部件。集成内装式电主轴是高速机床主轴的理想结构。它采用无壳电机, 将其空心转子用压配合的形式直接装在机床主轴上, 带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中, 形成内装式电机主轴。除此之
外, 主轴运转时, 还必须配备冷却系统、编辑进给率小于40m/min,轴向正逆向
润滑系统和变频驱动系统。集成内装式电主轴由于直接传动, 省去了电机、主轴间的传动链, 消除了传动误差。 电主轴设计中十分关键的问题是轴承。高速电
主轴的轴承有陶瓷球轴承、空气静压轴承、液体动静压轴承、磁浮轴承。陶瓷球轴承以其标准化程度高, 精度、刚度和寿命能满足要求, 价格相对便宜而广泛用于电主轴。如目前美国90%以上的电主轴都采用陶瓷球轴承。空气静压轴承一般用于高精度、高转速、轻载荷的场合, 如零件的光整加工。液体动静压轴承目前主要用于低速、重载主轴, 有时也用于高速主轴。磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来的一种新型智能化轴承, 它的高速性能好, 最高表面速度可达
200m/s,精度高, 易实现实时诊断和在线监控, 在未来的超高速主轴单元中具有更大的潜力, 但价格昂贵。从目前来看, 这四种轴承中陶瓷球轴承更为实际。
国外高速主轴单元的发展较快, 中等规格的加工中心的主轴转速已普遍达到10000r/min甚至更高。美国福特汽车公司推出的HVM800卧式加工中心主轴单元采用液体动静压轴承最高转速为15000r/min;德国KAPP 公司采用的磁浮轴承制造的高速主轴, 转速达到了60000r/min;德国GMN 公司的磁浮轴承主轴单元的转速最高达
100000r/min以上。现在国内10000~15000r/min的立式加工中心和
18000r/min的卧式加工中心已开发成功并生产问世; 生产的高速数字化仿形铣床最高转速达到了40000r/min。 (2)高精度快速进给系统 高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合,进给速度为传统的5~10倍。这就要求机床进给系统很高的进给速度和良好的加减速特性。一般要求快速进给率不小于60m/min,程序可
加速大于10m/s2(1g)。机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。随着电机技术的发展,先进的直线电动机已经问世,并成功应用于cnc 机床。先进的直线电动机驱动使cnc 机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题,加快了伺服响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工精度。不仅能使机床在f=60m/min以上进给速度下进行高速加工,而且快速移动速度达f=120m/min,加速度达2g ,提高了零件的加工精度。但直线电动机在使用中存在着承载力小、发热等问题,有待改进。
(3) 高性能cnc 控制系统 高速切削加工要求cnc 控制系统有快速处理数据的能力,来保证高速加工时的插补精度。一般要求程序段传送速率 1.6~20ms ,rs232系列数据接口 19.2 kbit/s(20ms),ethernet 数据传送 200kbit/s(1.6ms)。 新一代的高性能cnc 控制系统采用32位或64位cpu ,程序段处理时间短至1.6ms 。 近几年网络技术已成为cnc 机床加工中的主要通讯手段和控制工具,相信不久的将来,将形成一套先进的网络制造系统,通讯将更快和更方便。大量的加工信息可通过网络进行实时传输和交换,包括设计数据、图形文件、工艺资料和加工状态等,极大提高了生产率。但目前用得最多的还是利用网络改善服务,给用户提供技术支持等等。美国cincinati machine公司研制开发出了网络制造系统,用户只要购买所需的软件、调制解调器、网络摄像机和耳机等,即可上网,无需安装网络服务器,通过网上交换多种信息,生产率得到了提高。日立精机机床公司开发的万能用户接口的开放式cnc 系统,能将机床cnc 操作系统软件和因特网连接,进行信息交换。
3高速切削机床应用
铝合金为主的飞机,零件通常采取在整块板料或毛坯上直接铣削出大型构件,不仅材料去除量较大,而且有时候需要加工出壁厚小于1mm 的薄壁。切削热容易造成工件的变形。
高速切削由于切削力小,热影响小,加工效率高,非常适合这类零件的加工,采用高速切削加工飞机铝合金零件比传统的加工效率提高3倍以上,并且避免了残余应力和变形。
航空发动机上的镍基合金和钛合金,材料强度,硬度高,切削温度高,刀具磨损快,通常属于难加工材料。采用传统方法不仅加工效率低,而且也容易造成工件表面的烧伤。如果采用高速切削工艺,不仅加工效率比传统的方法提高10倍以上,还可以延长刀具使用寿命,改善零件的加工质量。 另外,航空发动机叶片的加工,采用高速切削加工工艺,不仅使制造费用降低一半,而且减少了零件的热负载荷,降低了内应力,提高使用寿命。 此外,高速切削在模具制造领域也得到了广泛的应用。大量的模具有复杂的三维几何形状,传统加工方法要经过粗加工,热处理和磨削等工序,最后靠手工抛光。
大多数模具都是由高硬度,耐磨性好的合金材料(经热处理)制造。以往广泛采用电火花加工成性,生产效率极低。
用高速铣削加工模具,不仅可以用高转速,大进给,粗加工和精加工一次完成,而且加工过程是在热处理之后,大大提高了生产效率,避免了热处理变形。
在锻模加工上高速切削能高速 、高效地加工锻模 ,表面质量好 ,刀具寿命长 ,缩短加工的周期 ,降低成本 。同时加工后模具精度高 ,使用性能好 ,延长模具的使用寿命 。
目前,据统计,在美国和日本,大约有30%的公司已经使用高速加工,在德国,这个比例高于40%。
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