您当前位置:主页 > 切削技术 >
切断中的最佳化因素 绿色切削技术探讨

超高速切削及其对机床、刀具的要求

切削加工仍是当个主要的机械加工方法,在机械制造业中占据着重要地位。据估计,机械制造业中30%~40%的工作量是切削加工,全世界每年切削加工耗费约2500亿美元。
超高速切削技术是近年来发展起来的集高效、优质和低耗为一身的先进制造技术。它借助于自身独特的加工机理和技术特点,具有极高的加工效率、极高的加工质量。很低的加工成本以及拓宽的应用范围等一系列的优越性,使切削技术发生了彻底的改革性进步。
1 超高速切削加工的主要特点
超高速切削加工不仅可大幅度缩短加工时间,提高加工效率,降低加工成本,而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。超高速切削加工具有以下主要特点:
1工件热变形减少 在超高速切削加工中,由于切屑在极短时间内被切除,切削热绝大部分被切屑带走,因而工件温度并不高,不仅受热变形的可能性减小,而且可避免热应力、热裂纹等表面缺陷。
2有利于保证零件的尺寸、形位精度 在超高速切削加工中,单位切削力由于切削层材料软化减少,从而减少零件加工的变形,这对于加工薄壁类刚性差的零件特别有利。
3可获得较好的加工表面质量 超高速切削加工可减小表面硬化层深度,减小表面层残余应力及表面层微观组织的热损伤,从而减少零件表面层材质的机械、物理及化学性质产生变化的可能性,保证已加工表面的内在质量,确保零件的使用性。粗精加工工序复合加工,几乎不需要在加工后消除内应力,例如模具表面的超高速硬铣削,可以部分取代电火花成形加工。
3工艺系统振动减小 在超高速切削加工中由于机床主轴转速很高,激振频率远离机床固有频率,因而使工艺系统振动减小,提高了加工质量。
4显著提高材料切除率 在提高切削速度的同时可提高进给速度,从而显著提高材料切除率。例如超高速铣削,当保持切削厚度不变(每齿进给量和切深不变),进给速度比常规铣削可提高5~10倍,从而达到很高的材料切除率。超高速铣削已广泛用于汽车工业、航空航天工业和模具制造业,加工铝、镁等轻金属合金、钢材及铸铁。例如汽车发动机缸体、缸盖、减速器壳体,飞机的整体铝合金薄壁零件,淬硬模具钢以及镍基会金、钛合金等难加工材料。提高材料切除率的策略已由强力而缓慢转向快速而轻便,机床由强力型(提高力学特性参数)转向高速型(提高速度特性参数)。
2 超高速切削加工对机床系统的主要要求
高速切削机床是实现高速及超高速切削的必要条件之一。超高速切削对机床的主要要求如下:
1有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统 主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电机来实现,并使电机和机床主轴合二为一,构成所谓的电主轴。由于电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好,并且避免振动与噪声,因而是高速主轴单元的理想结构。
高速主轴单元的核心是高速精密轴承。高速主轴可采用的轴承包括空气轴承、静压轴承、动压轴承、滚动轴承和磁浮轴承。
目前空气轴承受到切削载荷较小及较小过载能力的限制,静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而使转速受限,故这两种轴承应用有限。
动静压混合轴承采用流体动力和流体静力有机结合的方法,使主轴在油膜支撑中旋转,具有径向和轴向跳动精度高、刚度好、阻尼特性好、粗精加工均适用、轴承寿命无限长等优点,受到Ingersoll公司的大力推崇。
经多年努力现已研究开发成功了两种适宜超高速运转的新型轴承——陶瓷滚动轴承和磁浮轴承。
在高速转动条件下,滚动轴承中滚动体的离心力和陀螺力短将急剧增大。为了减少滚珠离心力,一般采取两个措施:①减小滚珠直径。②采用氯化硅陶瓷材料做滚珠(Si3N4)。用这种材料做成的陶瓷轴承具有高速、高刚度、低温升、长寿命的优点,是使用广泛而经济的高速轴承。目前在高速机床主轴上主要采用混合陶瓷球轴承(氯化硅滚珠与钢制轨道),滚道可进行涂层或其他表面处理。
磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触悬浮起来的新型智能化轴承,高速性能好、精度高、易实现实时诊断和在线控制,是高速加工机床主轴理想的支承元件,相继被许多国家用于高速加工机床上。
另外还要合理地选择润滑方式。主轴承润滑为高速主轴转速的提高起着重要作用。特别是滚动轴承,采用油空气润滑或喷油润滑是不可避免的课题。采用油空气润滑后,轴承的dn值将比脂润滑提高30%~50%。喷油润滑的轴承极限转速可达(2.3~2.5)×106r/min。
2有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件 超高速机床是精密的数控机床。在进行超高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度提高。目前,高速加工中心和NC铣床工作台的进给量(进给速度)已达到20~30m/min,快速空程速度高达 40~60m/min,加速度达 25m/s2,因而对进给部件的动态特性提出了非常高的要求。主要措施有:①大幅度减轻移动部件的重量。②采用多线螺纹行星滚柱丝杠代替目前的滚珠丝杠。国外生产的某些高速加工中心(例如法国Ex-cell-O公司的XHC-240型卧式加工中心),已在其X、Y、Z三个坐标方向采用了直线伺服电机,省去了滚动丝杜等中间传动环节,把机床的进给传动系统缩至最短。这种直接传动的最大优点是可得到很高的瞬时加(减)速度,系统动态响应快,从而可大大提高工作台进结和快速行程速度(高达60~80m/min),提高定位精度(0.004mm),并可减少插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。当用20m/min的进给速度铣削圆孔时,其形状误差<0.004mm。③采用快速反应的伺服控制系统。
3大流量喷射冷却系统 在超高速切削时,单位时间内将产生大量的热切屑,必须把它迅速从工作台清除,以免妨碍高速切削的正常进行,避免产生机床、刀具和工件的热变形。解决这个问题的主要方法是:①开发新型的高压喷射装置,把压力为7MPa、流量为60L/min左右的高压切削液射向机床的切削部位。②以“瀑布”方式将大量切削液从机床顶部淋向机床工作台,把大量的热切屑立即冲离工作台,始终保持工作台面的清洁,并形成一个恒温的小环境,保证加工精度。③用防护罩把切削区完全封闭起来,以防止切屑和切削液到处飞溅,污染工作环境。在高速旋转的刀具周围,用足够厚的优质钢板和防弹玻璃做安全罩和观察窗,以确保人身和设备的安全。
4有一个“三刚”(静刚度、动刚度、热刚度)特性都很好的机床支承元件 如用聚合物混凝土(polymer concrete),即所谓的“人造花岗岩”制成的超高速机床的床身或立柱,其阻尼特性比铸铁高7~10倍,而密度只有铸铁的1/3。提高机床刚性的一个措施是改革床体结构,例如美国 Giddings & Lewis公司在其RAM高速加工中心的设计上,大胆地将立柱和底座合为一整体。
据Ingersoll公司称,高速加工对支承固有频率的要求比常规机床高出3倍以上。该公司推出的HVM800卧式加工中心的床身采用钢板焊接件,其内腔充满阻尼材料。
3 超高速切削加工刀具
高速切削刀具是实现高速切削及超高速切削的必要条件之二,同时它也是实现高速及超高速切削的重要条件。
1刀具材料的突破 由于刀具材料的改进,允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍。高速和超高速加工正是基于这一重要前提,对刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐热性(红硬性)好,又要求韧性好、耐冲击。近30年来,刀具材料所取得的突破,使得这一难题得到了很好的解决:①随着增强陶瓷刀具和涂层技术的应用,大大提高了刀具的硬度,并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体。②聚晶立方氮化硼刀片(PCBN),硬度达3500~4500HV,已成为高速切削淬硬钢的首选刀具。③同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石(PCD)刀片,硬度可达6000~10 000HV,已应用于车刀铣刀钻头等,进入了高速切削有色金属领域,有时也应用于切削黑色金属。
高速加工用的刀具材料,必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言,陶瓷、金属陶瓷及PCBN刀具等,适用于对钢、铁等黑色金属的高速加工;PCD和CVD等刀具材料,适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工。
2刀具的结构 采用物美价廉的硬质合金、金属陶瓷、涂层材料制造的可转让刀片和整体刀具,并用集成平衡装置和相应结构对付离心力使刀具产生的高应力。
PCBN和PCD均是先制成0.5~1mm的薄片,然后烧结在硬质合金基体上,达到兼有高硬度和高韧性的目的,同时也节约了成本。
3刀刃形状 刀具切削刃形状对加工质量也有很大影响。例如金刚石刀具切削刃有适当结晶方位时,能极大地改善刀具寿命和加工表面的粗糙度等。刀具的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。
随着新型刀具材料和超硬磨料磨具的实用化以及机床技术的进步,切削加工的高参数化是永无止境的。目前及今后一段时间,高速化仍将具有明显优势。
4 结束语
高速及超高速切削加工是正在发展的一项先进制造工艺。在当前的技术条件下,实现高速及超高速切削的代价还比较昂贵。可以预期,随着世界范围内众多科研机构、高等院校、公司开发部门对高速切削的深入研究和开发应用,高速切削加工的相关技术必将得到长足的发展。



机床 数控机床 数控刀具 粉碎机 风机 离心机 混合机 塑料 橡胶 胶粘剂 润滑油 添加剂 树脂 电动工具 包装袋
助勃增大器 Copyright © 2012-2013 txwz.com.cn 天下网摘 版权所有 点击这里给我发消息