淺議數控高速加工技術綜述
論文關鍵詞:數控技術 數控高速加工 數控加工技術
論文摘要:高速切削技術是機械製造業發展的必然趨勢,其應用將大幅度地提高加工效率和加工質量。高速切削技術不僅涉及到高速切削加工工藝及高速切削機理,而且包括高速切削所用的刀具、機床等諸多因素。本文著重介紹了高速切削各相關技術的研究動態,並對高速切削技術的應用前景進行了展望。
一、 高速加工的技術優勢
高速加工在切削原理上是對傳統切削認識的突破。據資料介紹,在國外的高速加工試驗中已經證實,當切削速度超過一定值***V=600m/min***後,切削速度再增高,切削溫度反而降低,在切削過程中產生的熱量進入切削並從工件處被帶走。試驗條件下的測試證明了在大多數應用情況下,切削時工件溫度的上升不會超過3℃。相應地,在已給定的金屬切除率下,當切削速度超過某一數值之後,實際切削力會近似保持不變。
二、 數控高速加工的發展現狀
實用的高速加工技術跟隨引進的先進數控自動生產線、刀具***工具***、數控機床***裝置***,在機械製造業得到廣泛應用,相應的管理模式、技術、理念隨之融入企業。在我國航天、航空、汽輪機、模具等行業,程度不同地應用了高速加工技術,其間的差距在於國家對該行業投入資金、引進政策等支援的多少,以及企業家們對高速加工系統技術認識的深淺。相對於汽車製造業而言,這類機械製造行業基本上是屬於工藝離散型製造業。其高速加工技術主要表徵在對高速數控機床與刀具技術的應用上。目前國內已引進的加工中心、數控鏜、銑床主軸轉速一般≤8 000r/min***極少有12 000r/min***,快進速度≤40m/min。對鑄鋁、鍛鋁合金體、高強度鑄鐵和結構鋼件,多采用超細硬質合金、塗層硬質合金刀具材料和標準結構的各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結構刀具應用還較少,加之機床主軸轉速偏低,一般不能進入高速切削領域。以銑削加工為例,這些行業加工鋁合金工件:切削速度<1 000m/min,進給速度<15m/min,每齒進刀量<0.35mm。車削:切削速度<700m/min。銑削鑄鐵、結構鋼***含不鏽鋼***工件:切削速度<500m/min,進給速度<10m/min,每齒進刀量<0.3mm。上述行業中,數控裝置利用率僅為25%左右。預計“十五”期間,上述行業將會在應用高速加工技術方面發生跳躍式的進步與發展。
三、 數控高速加工機床的關鍵技術
高速機床是實現高速切削加工的前提和關鍵。具有高精度的高轉速主軸,具有控制精度高的高軸向進給速度和進給加速度的軸向進給系統,又是高速機床的關鍵所在。分述如下:
1. 高速主軸
高速主軸是高速切削最關鍵零件之一。目前主軸轉速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越來越普及,轉速高達100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的實用高速主軸也正在研製開發中。高速主軸轉速極高,主軸零件在離心力作用下產生振動和變形,高速運轉摩擦和大功率內裝電機產生的熱會引起高溫和變形,所以必須嚴格控制。為此對高速主軸提出如下效能要求:***1***高轉速和高轉速範圍;***2***足夠的剛性和較高的迴轉精度;***3***良好的熱穩定性;***4***大功率;***5***先進的潤滑和冷卻系統;***6***可靠的主軸監測系統。
2. 快速進給系統
高速切削時,為了保持刀具每齒進給量基本不變,隨著主軸轉速的提高,進給速度也必須大幅度地提高。目前高速切削進給速度已高達50m/min～120m/min,要實現並準確控制這樣的進給速度對機床導軌、滾珠絲槓、伺服系統、工作臺結構等提出了新的要求。而且,由於機床上直線運動行程一般較短,高速加工機床必須實現較高的進給加減速才有意義。為了適應進給運動高速化的要求,在高速加工機床上主要採用如下措施:***1***採用新型直線滾動導軌,直線滾動導軌中球軸承與鋼導軌之間接觸面積很小,其摩擦係數僅為槽式導軌的1/ 20左右,而且使用直線滾動導軌後,“爬行”現象可大大減少;***2***高速進給機構採用小螺距大尺寸高質量滾珠絲槓或粗螺距多頭滾珠絲槓,其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進給速度和進給加減速度;***3***高速進給伺服系統已發展為數字化、智慧化和軟體化,高速切削機床己開始採用全數字交流伺服電機和控制技術;***4***為了儘量減少工作臺重量但又不損失剛度,高速進給機構通常採用碳纖維增強複合材料;***5***為提高進給速度,更先進、更高速的直線電機己經發展起來。直線電機消除了機械傳動系統的間隙、彈性變形等問題,減少了傳動摩擦力,幾乎沒有反向間隙。直線電機具有高加、減速特性,加速度可達2g,為傳統驅動裝置的10～20倍,進給速度為傳統的4～5倍,採用直線電機驅動,具有單位面積推力大、易產生高速運動、機械結構不需要維護等明顯優點。
3. 高速切削刀具技術
***1***刀具材料。高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親合力要小,並具有優異的機械效能和熱穩定性,抗衝擊、耐磨損。目前在高速切削中常用的刀具材料有單塗層或多塗層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼***CBN***、聚晶金剛石等。
***2***高速切削刀具結構。高轉速引起的離心力在高速切削中會使抗彎強度和斷裂韌性都較低的刀片發生斷裂,除損傷工件外,對操作者和機床會帶來危險。因此,高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必須滿足動平衡要求。動平衡一般對小直徑刀具要求不嚴,對大直徑刀具或盤類刀具要求嚴格。外伸較長的刀具,必須進行動平衡。另外需要對刀具、夾頭、主軸等每個元件單獨進行平衡,還要對刀具與夾頭組合體進行平衡。最後,將刀具連同主軸一起進行平衡。但目前還沒有統一的平衡標準,對ISO1940-1標準中的平衡質量G值為平衡標準也有不同的看法,有的企業以G1為標準***所謂G1,即刀具在10 000r/min迴轉時,迴轉軸與刀具中心軸線之間只允許相差1Lm***,有的以G215為標準。
***3***高速切削刀具幾何引數。高速切削刀具刀刃的形狀正向著高剛性、複合化、多刃化和表面超精加工方向發展。刀具幾何引數對加工質量、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、副切削刃連線處應採用修圓刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃區切削刃的長度,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。加工中心主軸與刀具的連線大多采用7B24錐度的單面夾緊刀柄系統,ISO、CAT、DIN、BT等都屬此類。用在高速切削加工時,這類系統出現了許多問題,主要表現為:剛性不足、ATC***自動換刀***的重複精度不穩定、受離心力作用的影響較大、刀柄錐度大,不利於快速換刀及機床的小型化。針對這些問題,為提高刀具與機床主軸的連線剛性和裝夾精度,適應高速切削加工技術發展的需要,相繼開發了刀柄與主軸內孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩大類:一類是對現有7B24錐度刀柄進行的改進性設計,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統;另一類是採用新思路設計的1B10中空短錐刀柄系統,有德國開發的HSK、美國開發的KM及日本開發的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、單件加工成本低等優點。高速加工和傳統加工工藝有所不同,傳統加工認為,高效率來自低轉速、大切深、緩進給、單行程,而在高速加工中,高轉速、中切深、快進給、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引數表可供選擇,也沒有較多的加工例項可供參考,還沒有建立起實用化的高速切削資料庫,在高速加工的工藝引數優化方面,也還需要做大量的工作。高速切削NC程式設計需要對標準的操作規程加以修改。零件程式要求精確並必須保證切削負荷穩定。多數CNC軟體中的自動程式設計都還不能滿足高速切削加工的要求,需要由人工程式設計加以補充。應該採用一種全新的程式設計方式,使切削資料適合高速主軸的功率特性曲線。目前, Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM軟體,都已添加了適合於高速切削的程式設計模組。
5. 高速機床的床身、立柱和工作臺
通過計算機輔助工程的方法,特別是用有限元進行優化設計,能獲得減輕重量、提高剛度的床身和工作臺。
四、 結語
高速加工技術是現代先進製造技術之一,其產生是市場經濟全球化和各種先進技術發展的綜合結果。在此背景下,高速加工技術應運而生,逐步發展成為綜合性系統工程技術,並得到越來越廣泛的應用。高速加工的巨大吸引力在於實現高速加工的同時,保證了高速加工精度。航空航天、汽車及模具製造業對高速加工的認同與強烈要求,推動著高速加工技術在國際上的發展。
參考文獻:
[1]賓鴻贊.加工過程數控[M].武漢:華中科技大學出版社,2004.
[2]朱曉春.數控技術[M].北京:機械工業出版社,2004.
[3]周正幹,王美清,李和平.高速加工的核心技術和方法[J].航空製造 技術,2000***3***.
論文摘要:高速切削技術是機械製造業發展的必然趨勢,其應用將大幅度地提高加工效率和加工質量。高速切削技術不僅涉及到高速切削加工工藝及高速切削機理,而且包括高速切削所用的刀具、機床等諸多因素。本文著重介紹了高速切削各相關技術的研究動態,並對高速切削技術的應用前景進行了展望。
一、 高速加工的技術優勢
高速加工在切削原理上是對傳統切削認識的突破。據資料介紹,在國外的高速加工試驗中已經證實,當切削速度超過一定值***V=600m/min***後,切削速度再增高,切削溫度反而降低,在切削過程中產生的熱量進入切削並從工件處被帶走。試驗條件下的測試證明了在大多數應用情況下,切削時工件溫度的上升不會超過3℃。相應地,在已給定的金屬切除率下,當切削速度超過某一數值之後,實際切削力會近似保持不變。
二、 數控高速加工的發展現狀
實用的高速加工技術跟隨引進的先進數控自動生產線、刀具***工具***、數控機床***裝置***,在機械製造業得到廣泛應用,相應的管理模式、技術、理念隨之融入企業。在我國航天、航空、汽輪機、模具等行業,程度不同地應用了高速加工技術,其間的差距在於國家對該行業投入資金、引進政策等支援的多少,以及企業家們對高速加工系統技術認識的深淺。相對於汽車製造業而言,這類機械製造行業基本上是屬於工藝離散型製造業。其高速加工技術主要表徵在對高速數控機床與刀具技術的應用上。目前國內已引進的加工中心、數控鏜、銑床主軸轉速一般≤8 000r/min***極少有12 000r/min***,快進速度≤40m/min。對鑄鋁、鍛鋁合金體、高強度鑄鐵和結構鋼件,多采用超細硬質合金、塗層硬質合金刀具材料和標準結構的各類刀具加工。超硬刀具材料及專用結構刀具應用還較少,加之機床主軸轉速偏低,一般不能進入高速切削領域。以銑削加工為例,這些行業加工鋁合金工件:切削速度<1 000m/min,進給速度<15m/min,每齒進刀量<0.35mm。車削:切削速度<700m/min。銑削鑄鐵、結構鋼***含不鏽鋼***工件:切削速度<500m/min,進給速度<10m/min,每齒進刀量<0.3mm。上述行業中,數控裝置利用率僅為25%左右。預計“十五”期間,上述行業將會在應用高速加工技術方面發生跳躍式的進步與發展。
三、 數控高速加工機床的關鍵技術
高速機床是實現高速切削加工的前提和關鍵。具有高精度的高轉速主軸,具有控制精度高的高軸向進給速度和進給加速度的軸向進給系統,又是高速機床的關鍵所在。分述如下:
1. 高速主軸
高速主軸是高速切削最關鍵零件之一。目前主軸轉速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越來越普及,轉速高達100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的實用高速主軸也正在研製開發中。高速主軸轉速極高,主軸零件在離心力作用下產生振動和變形,高速運轉摩擦和大功率內裝電機產生的熱會引起高溫和變形,所以必須嚴格控制。為此對高速主軸提出如下效能要求:***1***高轉速和高轉速範圍;***2***足夠的剛性和較高的迴轉精度;***3***良好的熱穩定性;***4***大功率;***5***先進的潤滑和冷卻系統;***6***可靠的主軸監測系統。
2. 快速進給系統
高速切削時,為了保持刀具每齒進給量基本不變,隨著主軸轉速的提高,進給速度也必須大幅度地提高。目前高速切削進給速度已高達50m/min～120m/min,要實現並準確控制這樣的進給速度對機床導軌、滾珠絲槓、伺服系統、工作臺結構等提出了新的要求。而且,由於機床上直線運動行程一般較短,高速加工機床必須實現較高的進給加減速才有意義。為了適應進給運動高速化的要求,在高速加工機床上主要採用如下措施:***1***採用新型直線滾動導軌,直線滾動導軌中球軸承與鋼導軌之間接觸面積很小,其摩擦係數僅為槽式導軌的1/ 20左右,而且使用直線滾動導軌後,“爬行”現象可大大減少;***2***高速進給機構採用小螺距大尺寸高質量滾珠絲槓或粗螺距多頭滾珠絲槓,其目的是在不降低精度的前提下獲得較高的進給速度和進給加減速度;***3***高速進給伺服系統已發展為數字化、智慧化和軟體化,高速切削機床己開始採用全數字交流伺服電機和控制技術;***4***為了儘量減少工作臺重量但又不損失剛度,高速進給機構通常採用碳纖維增強複合材料;***5***為提高進給速度,更先進、更高速的直線電機己經發展起來。直線電機消除了機械傳動系統的間隙、彈性變形等問題,減少了傳動摩擦力,幾乎沒有反向間隙。直線電機具有高加、減速特性,加速度可達2g,為傳統驅動裝置的10～20倍,進給速度為傳統的4～5倍,採用直線電機驅動,具有單位面積推力大、易產生高速運動、機械結構不需要維護等明顯優點。
3. 高速切削刀具技術
***1***刀具材料。高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親合力要小,並具有優異的機械效能和熱穩定性,抗衝擊、耐磨損。目前在高速切削中常用的刀具材料有單塗層或多塗層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼***CBN***、聚晶金剛石等。
***2***高速切削刀具結構。高轉速引起的離心力在高速切削中會使抗彎強度和斷裂韌性都較低的刀片發生斷裂,除損傷工件外,對操作者和機床會帶來危險。因此,高速切削刀具除了滿足靜平衡外還必須滿足動平衡要求。動平衡一般對小直徑刀具要求不嚴,對大直徑刀具或盤類刀具要求嚴格。外伸較長的刀具,必須進行動平衡。另外需要對刀具、夾頭、主軸等每個元件單獨進行平衡,還要對刀具與夾頭組合體進行平衡。最後,將刀具連同主軸一起進行平衡。但目前還沒有統一的平衡標準,對ISO1940-1標準中的平衡質量G值為平衡標準也有不同的看法,有的企業以G1為標準***所謂G1,即刀具在10 000r/min迴轉時,迴轉軸與刀具中心軸線之間只允許相差1Lm***,有的以G215為標準。
***3***高速切削刀具幾何引數。高速切削刀具刀刃的形狀正向著高剛性、複合化、多刃化和表面超精加工方向發展。刀具幾何引數對加工質量、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、副切削刃連線處應採用修圓刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃區切削刃的長度,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。加工中心主軸與刀具的連線大多采用7B24錐度的單面夾緊刀柄系統,ISO、CAT、DIN、BT等都屬此類。用在高速切削加工時,這類系統出現了許多問題,主要表現為:剛性不足、ATC***自動換刀***的重複精度不穩定、受離心力作用的影響較大、刀柄錐度大,不利於快速換刀及機床的小型化。針對這些問題,為提高刀具與機床主軸的連線剛性和裝夾精度,適應高速切削加工技術發展的需要,相繼開發了刀柄與主軸內孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩大類:一類是對現有7B24錐度刀柄進行的改進性設計,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系統;另一類是採用新思路設計的1B10中空短錐刀柄系統,有德國開發的HSK、美國開發的KM及日本開發的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、單件加工成本低等優點。高速加工和傳統加工工藝有所不同,傳統加工認為,高效率來自低轉速、大切深、緩進給、單行程,而在高速加工中,高轉速、中切深、快進給、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引數表可供選擇,也沒有較多的加工例項可供參考,還沒有建立起實用化的高速切削資料庫,在高速加工的工藝引數優化方面,也還需要做大量的工作。高速切削NC程式設計需要對標準的操作規程加以修改。零件程式要求精確並必須保證切削負荷穩定。多數CNC軟體中的自動程式設計都還不能滿足高速切削加工的要求,需要由人工程式設計加以補充。應該採用一種全新的程式設計方式,使切削資料適合高速主軸的功率特性曲線。目前, Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM軟體,都已添加了適合於高速切削的程式設計模組。
5. 高速機床的床身、立柱和工作臺
通過計算機輔助工程的方法,特別是用有限元進行優化設計,能獲得減輕重量、提高剛度的床身和工作臺。
四、 結語
高速加工技術是現代先進製造技術之一,其產生是市場經濟全球化和各種先進技術發展的綜合結果。在此背景下,高速加工技術應運而生,逐步發展成為綜合性系統工程技術,並得到越來越廣泛的應用。高速加工的巨大吸引力在於實現高速加工的同時,保證了高速加工精度。航空航天、汽車及模具製造業對高速加工的認同與強烈要求,推動著高速加工技術在國際上的發展。
參考文獻:
[1]賓鴻贊.加工過程數控[M].武漢:華中科技大學出版社,2004.
[2]朱曉春.數控技術[M].北京:機械工業出版社,2004.
[3]周正幹,王美清,李和平.高速加工的核心技術和方法[J].航空製造 技術,2000***3***.