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模具高速加工技术 高速加工的几个问题

如何选择适合您需要的高速加工机床

高速切削技术在近年来变成了一个热门的话题,人们被汹涌而来的高速切削概念冲击着。面对着机床展上不同品牌的高速机床,您可能既兴奋又犹豫:我该怎么去识别这些机床,是否能真正满足高速切削的要来呢?高速切削=高速主轴吗?根据米克朗公司多年进行高速铣削技术研究以及高速加工机床制造的经验,我们一起来看一看何谓高速切削技术,它对高速加工机床有哪些要求。
早在70年前,就有人开始研究高速切削技术。直至20世纪60年代,科学家们才得出了一个结论:随着切削速度的提高,切削力先是增加,随后急剧下降。刀具的磨损则始终随着切削速度的提高而增加。高速切削所带来的效率和工件表面质量的显著提高使得工件加工的总费用下降了至少40%。这个结论成为高速切削技术的理论基础和动力,随后的研究是围绕着如何提高刀具耐磨度,如何使机床的结构、主轴和驱动控制系统能满足高速切削技术的要求而进行的。
高速切削技术从实验室阶段走向生产,是一个系统工程。它需要各个方面的配合以形成完整的高速切削工艺(图1)。
在各环节中,高速加工机床无疑对整个工艺过程起着决定性作用。以铣削机床为例,高速铣削加工中心与普通加工中心相比,在机床结构、切削主轴、进给驱动装置、冷却和润滑方式、安全防护以及数控系统等方面都要与其高速性能相匹配。
尽可能降低机床震动
按照高速切削技术的基础理论,随着主轴转速的大幅度提高,切削力将迅速减小。但这并不意味着对机床刚性和抗振性的要求降低。因为由高频主轴引起的机床共振则成了加工的大敌,同时高速加工中各进给轴的高移动速度,也使得各移动部件对床身的冲击力加大。因此,高速铣削机床应采用尽可能对称的结构形式,使机床的固有振动频率降至最小。同时应采用受力封闭的结构形式,如龙门式或封闭龙门框架结构,增加机床的耐冲击性和抗振性。瑞士米克朗公司研制生产的 HSM系列和 VCP/UCP系列高速铣削加工中心均采用龙门式或封闭龙门框架床身结构,并逐渐采用抗振性及热稳定性均优于铸铁的混凝土聚合物(人造花岗岩)作为床身材料。在部件设计中尽可能减小各移动部件的重量以减小移动惯量,从而获得最佳的加工精度。
高速机床并不仅仅意味着高速主轴
高速主轴是高速铣床的核心部件,它的发展始终决定着高速铣床的发展。要提高主轴转速,主轴的传动方式和轴承材料是技术中的关键。经过几代的发展,目前高速主轴通常采用整体电机主轴,电机的转子与主轴的输出轴通过过盈配合来实现传动,从而保证高转速下主轴良好的动平衡。主轴轴承采用复合陶瓷球轴承,并采用高压油/气动轴承进行润滑和冷却。电机线圈产生的热量是造成主轴热膨胀和旋转部件磨损的主要原因,必须设法消除。比如米克朗公司生产的高速电机主轴通过主轴外部的冷却水套来对电机线圈及轴承外圈进行冷却。主轴冷却水采用循环冷却方式,并有单独的制冷单元和电子调温装置,使得主轴在连续运转时能保持温度的恒定。对于不能充分冷却的部位,比如电机主轴法兰盘的位置,还放置了温度传感器,通过电子热补偿软件来补偿温度变化造成的误差。
离心力对高速主轴造成的影响也是不容忽视的,传统的ISO系列的锥柄型式已不再适应高速加工的需要。ISO系列的锥柄在径向和轴向均靠锥面定位,但当离心力引起主轴内锥孔胀大时,锥柄受切削力的影响会向上窜动,从而造成刀尖位置改变,并可能在停机后产生主轴抱死刀柄的现象。为了消除ISO锥柄在高速加工中的种种弊端,一种专为高速加工而设计的HSK刀柄正被各厂家广泛应用。这种短锥柄采用锥面和端面同时定位,有效防止了轴向的窜动,并提高了抵抗径向切削力的能力。
所有这一切并不能百分之百地消除主轴高速运转时热膨胀和离心力所带来的刀尖漂移,而这种漂移造成的误差可达20µm,消除这一误差的最直接的办法是采用动态测刀装置,对切削转速下刀尖的具体长度进行直接测量。所以米克朗公司的HSM系列高速铣削加工中心将机上激光对刀装置作为标准配置提供。
高速机床中的“高速”是指切削线速度,反映在机床上也就是主轴转速。然而,仅仅提高主轴转速,能满足高速加工的需要吗?让我们来看看下面的公式:
主轴转速:n=Vc/(D*π)

进给速度:Vf=fz*z*n;

将n代入上式,得出进给速度
Vf=fz*z*Vc/(d*π)
可以看出,在选定了刀具的情况下,进给速度与主轴转速成正比。因此高速机床不仅要具备高的主轴转速,也应具备与主轴转速相匹配的高进给速度。
我们再来看看进给加速度的关系:
 
高速机床的行程通常在500~1,000mm之间,若在如此短的距离内使机床进给速度从零增大到40m/min,则机床的进给加速度值应达到1g(10m/s²)。在进行曲面轮廓加工时,进给加速度则更为重要,其与进给速度的关系如下(图2):
由此可以得出结论:高进给速度要求高加速度。
如果一台高速机床没有足够高的进给加速度,它将无法进行高精度高表面质量的复杂曲面轮廓加工,因为它无法胜任加工复杂曲面时根据不同的曲率半径不断地调整进给速度的需要。那如何提高机床的进给速度和加速度呢?由于近年来发展起来的直线电机价格昂贵、控制系统复杂、磁力吸引切屑等缺点,短时间内很难普及,所以目前大部分机床的进绘系统还采用滚珠丝杠驱动方式。为了达到高速驱动目的,设计时在提高电机转速的同时,使用大导程的滚珠丝杠副,从而使进给速度达到40-90m/min。米克朗的HSM系列高速铣就采用这种大导程的滚珠丝杠驱动方式,经合理的预紧后,可在保证定位精度的前提下实现进给速度40m/min,加速度可达每轴1g(10m/s²)即空间加速度1.7g。
在高速加工时采用干式切削
在金属加工行业使用切削液已经形成习惯,大多数人认为切削液是取得良好的加工表面、提高对具寿命的必要手段。可是研究和实践表明:由于今天的刀具材料有了很大的发展,情况也在不断地变化。新的硬质合金刃具特别是一些带涂层的刃具,在高速、高温的情况下不用切削液,切削效率会更高。
在铣削主轴高速旋转时,切削液若要达到切削区,首先要克服极大的离心力。即使它克服了离心力进入切削区,也可能由于切削区的高温而立即蒸发了,它的冷却效果很小甚至没有。同时切削液会使刀具刃部的温度激烈变化,容易导致裂纹的产生。因此米克朗公司的高速机床在转速达到20,000r/min以上时,均建议用户采用油/气冷却润滑的干式切削方式。这种方式可以用高压气体迅速吹走切削区产生的切屑,从而将大量的切削热带走。同时经雾化的润滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一层极薄的微观保护膜,可有效地延长刀具寿命并提高零件的表面质量。
充分考虑加工安全性
当您想到高速切削中的切屑将像子弹一样射出时,您就会理解安全防护对于一台高速机床是多么的重要。因此米克朗的高速机床均采取各种防护措施,比如在操作门打开时主轴无法启动,各进给轴及主轴都有防碰撞装置等。同时机床外罩全部采用双层钢板防护置,当主轴转速超过20,000r/min时采用防弹玻璃视窗,充分考虑了操作的安全性。
CNC采用以太网通讯
高速加工,尤其用高速切削技术铣削3维曲面时,刀具路径和切削参数的选择至关重要。与传统的数控机床加工相比,程序量要大得多,因此程序的传输和储存是机床执行程序的前提。随着网络技术的发展,通过TCP/IP通讯协议进行网络通讯的以太网是目前较普及的网络方式。它的程序传输速度较RS232接口要提高几百倍,而且长距离传输的抗干扰能力要大得多。米克朗高速加工机床的数控系统均可采用以太网通讯,并均配有大硬盘以加大程序的存储量。
 
总之,一台优秀的高速加工机床,应是一个完善的加工方案的体现。以上几点仅是一些大的框架,还有一些细节的部分比如油雾吸收过滤装置、除尘装置、红外工件测头等的附件的配备,对干某些零件的加工也是必不可少的。所以,认真地阅读机床的介绍资料,确认它的结构及各功能部件是否符合高速加工机床的特点,并根据需要加工的工件材料选择合适的主轴转速,这样才能买到物有所值的高速铣床。图3为米克朗经多年实践后总结的铣削不同材料的工件时主轴的转速范围,或许对用户选择主轴转速有所帮助。
在用户选择高速铣床时,除了考虑其硬件设备的性能,其销售商所能提供的应用支持服务也至关重要。对于大多数用户来讲,高速切削是一个全新的技术,从对夹具的选择到切削参数的确定都不同于传统加工,因此米克朗公司作为高速铣削机床制造的先锋,在设计制造高速铣床之初就参与高速应用的研究,在其销售机床之时能将其整套的加工方案提供给用户,使其产品在用户手中能发挥最大的作用。米克朗中国有限公司还在上海外高桥保税区设立了应用培训中心,配置了两台主轴转速为42,000r/min的高速铣削加工中心和一台主轴转速为20000r/min的5轴联动高速加工中心,我们将借助米克朗瑞士总部的技术优势,将最先进的高速切削技术介绍给中国的用户。同时米克朗公司还与世界知名的高速刀具制造商Schaublin和 Fraisa合作,在为用户提供高速机床的同时提供高速刀柄和刃具的配套解决方案。



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