面向加工中心的高速铣刀优选系统
CNC机床高速切削工艺优化
CNC机床高速切削工艺优化第一章：引言CNC机床高速切削技术是目前机械制造业的重要发展方向之一，可以提高生产效率、改善加工质量、降低生产成本。
在大量应用历史的积累下，高速切削技术已经逐渐变得成熟稳定，但针对不同材料、不同加工过程的刀具建议仍有很大的研究空间。
本文将从高速切削的基本概念、切削机床的分析和优化、刀具选型等方面进行探讨。
第二章：CNC机床高速切削的基本概念1. 高速切削的定义高速切削是一种采用高速、高精度的运动控制技术和刀具几何学来实现高效率加工的方法。
高速切削的关键是实现高效切削和降低加工金属的热影响，通过这种方式可以缩短加工时间、提高加工精度和表面质量。
2. 高速切削的优势高速切削通过提高切削速度减少加工时间，同时提高加工精度、表面光洁度，降低加工成本，增强生产力。
这种技术适用于各种发动机、轴承、涡轮机叶片等高精度零部件的制造。
第三章：切削机床的分析和优化1. 机床的结构分析CNC机床的结构分析包括床身、主轴箱、进给系统、传动系统、切削液系统分析，通过建立数学模型可以优化机床结构参数，以便获得出色的切削性能。
2. 切削系统的仿真与优化为了确定最佳的切削参数，必须进行仿真和优化。
优化的主要目标是减少切削过程中的热影响和机床振动，并确保表面质量和切削力控制在可接受的范围内。
3. 刀具选型高速切削需要使用特殊的刀具，以便适应高速切削的要求，常使用的刀具包括高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、CBN刀具、PCD刀具等。
每种刀具都有其特殊的使用条件和材料成分。
刀具的选用要考虑加工材料的硬度、切削速度和切削深度等因素。
此外，刀具的合理配合必须考虑到切削液的使用和润滑要求以及刀柄的尺寸匹配等因素。
第四章：结论CNC机床高速切削技术的发展前景十分广阔，可以大幅提高机械制造业生产效率、改善加工质量、降低生产成本，但在实际应用过程中，需要针对不同材料、不同加工过程的刀具建议仍有很大的研究空间。
高速切削技术的优化不会出现简单、单一或确定的结果，而是一个难度较大的综合性问题，需要从切削力、表面光洁度、刀具寿命、成本和可操作性等多个方面综合考虑，才能够找到最优的解决方案。
HSM-基础知识介绍(高速铣削)
3R DAMPING 夹头
普通装夹
使用 3R DAMPING 夹头
High-speed tooling:
同样能使刀具的寿命更长 (= 运营成本降低)
高轴
机床的重要指标
本质:
高速主轴 象
F1 赛车的引擎: 高转速 & 高功率
高速主轴的制造商
标准控制主轴
矢量伺服控制主轴
•普通铣床配上高速主轴就是高速铣 • 较高的主轴转速,较高加工速度 •高速铣是一种新技术,将替代普通铣床. • 20,000 的主轴转速,完全满足模具加工的需求 •高速铣要比普通铣床加工的更快 •…
高速铣削是 一种新的技术: 一种新的理念:
高速铣 刀具
高 速主轴
高 速
动 态特性
运 动轴
高 速CNC
9 Temperature Monitoring System
TMS ( 温度监视系统 )
4 Labyrinth with Protecting Air Flow
PAF ( 气路密封回路 ) 10 Acceleration Sensor
AS ( 加速度传感器 )
5 Analog Sensor System
➢ 2 种类型:
50
42,000
主轴转速 [min-1]
50
42,000
主轴转速 [min-1]
• 使用轴承 => 高扭矩, 但目前的最高转速为 60K rpm • 无轴承(汽浮) => 低扭矩, 超高速>100K rpm (如: ROKU-ROKU)
➢ 高扭矩:可获得大去除量和使用较大的刀具,刚性好可攻丝 ➢高转速:可获得较快的切割速度,实现在单位时间内铣削较大面积(高速铣特性)
研究数控铣削加工刀具系统的选择原则
研究数控铣削加工刀具系统的选择原则数控铣削加工刀具系统的选择原则是：应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄等。
刀具系统选用总的原则是：适用、安全、经济。
①适用是要求所选择的刀具能达到加工的目的，完成材料去除，并达到预定的加工精度。
如粗加工时，选择有足够刚性的刀具能快速去除材料；而精加工时，为了能把结构形状全部加工出来，要使用较小的刀具加工到每一个角落。
再如，切削低硬度材料时，可以使用高速钢刀具；而切削高硬度材料时，就必须要用涂刀具、硬质合金刀具等。
②安全指的是在有效去除材料的同时，不会产生刀具的碰撞、折断等。
要保证刀具及刀柄不会与工件相碰撞或者挤擦，避免造成刀具或工件的损坏。
如加长的直径很小的刀具切削硬质材料时，很容易折断，选用时一定要慎重。
③经济指的是能以最小的成本完成加工。
在同样可以完成加工的情形下，选择相对综合成本较低的方案，而不是选择最便宜的刀具。
刀具的耐用度和精度与刀具价格关系非常大。
必须引起注意的是，在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，可以使总体成本比使用普通刀具更低，产生更好的效益。
如进行钢材切削时，选用高速钢刀具，其进给只能达到100mm/min；而采用同样大小的硬质合金刀具，其进给可以达到500mm/min以上，可以大幅缩短加工时间，虽然刀具价格较高，但总体成本反而更低。
通常情况下，优先选；经济性良好的可转位刀具。
选择刀具时还要考虑安装调整方便、刚性好、耐用度和精席高。
在满足加工要求的前提下，使刀具的悬伸长度尽可能短，以提高刀具系统的刚性和切削稳定性。
在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀动作。
因此，必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具能迅速、准确地装到机床主轴或刀库上。
编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围，以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸，便于编程时输人程序中。
加工中心刀具工作原理详解
加工中心刀具工作原理详解
加工中心刀具的工作原理是通过切削刀具在工件上进行切削、铣削、钻孔、镗削等加工操作，实现工件形状、尺寸和表面质量的精确加工。
具体工作原理可分为以下几个步骤：
1. 夹紧工件：首先，将待加工的工件夹持到加工中心的工作台上。
工作台通常是多轴旋转的，可以在不同的角度上固定工件以便于进行多个方向上的加工。
2. 选择合适刀具：根据具体的加工任务和要求，选择适当的切削刀具。
切削刀具的选择包括刀具类型（例如铣刀、钻头、镗刀）和刀具的材质、形状、尺寸等。
3. 刀具路径规划：根据加工任务和工件的几何形状，通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）软件，对刀
具的运动路径进行规划。
路径规划一般考虑切削刀具的进给速度、转速，以及加工深度等参数。
4. 进行切削加工：按照事先规划好的刀具路径，将切削刀具移动到正确的位置，然后启动加工中心进行切削加工操作。
加工中心的主轴通常是高速旋转的，切削刀具通过主轴进行驱动。
5. 冷却润滑：在加工过程中，切削刀具会因为摩擦而产生高温，为了保证加工质量和刀具寿命，需要使用冷却润滑剂进行冷却和润滑。
6. 控制与监测：加工中心通常可以通过计算机数控（CNC）
系统进行精确控制。
CNC系统可以控制刀具的运动路径、进给速度、切削力等参数，以及对加工过程实时监测和检测，如工件尺寸、表面粗糙度等。
通过以上步骤，加工中心刀具可以对工件进行精确高效的加工操作。
加工过程中，刀具的切削、铣削、钻孔等操作可根据具体的工件需求进行不同的组合，实现各种复杂的形状和结构的加工。
加工中心刀具选用资料讲解
加工中心刀具选用2010-05-12 13:24 星期三一．顺铣和逆铣的特点（1）逆铣时，每个刀的切削厚度都是由小到大逐渐变化的。
当刀齿刚与工件接触时，切削厚度为零，只有当刀齿在前一刀齿留下的切削表面上滑过一段距离，切削厚度达到一定数值后，刀齿才真正开始切削。
顺铣使得切削厚度是由大到小逐渐变化的，刀齿在切削表面上的滑动距离也很小。
而且顺铣时，刀齿在工件上走过的路程也比逆铣短。
因此，在相同的切削条件下，采用逆铣时，刀具易磨损。
（2）逆铣时，由于铣刀作用在工件上的水平切削力方向与工件进给运动方向相反，所以工作台丝杆与螺母能始终保持螺纹的一个侧面紧密结合。
而顺铣时则不然，由于水平铣削力的方向与工件进给运动方向一致，当刀齿对工件的作用力较大时，由于工作台丝杆与螺母间间隙的存在，工作台会产生窜动，这样不仅破坏了切削过程的平稳性，影响工件的加工质量，而且严重时会损坏刀具。
（3）逆铣时，由于刀齿与工件间的摩擦较大，因此已加工表面的冷硬现象较严重。
（4）顺铣时，刀齿每次都是由工件表面开始切削，所以不宜用来加工有硬皮的工件。
（5）顺铣时的平均切削厚度大，切削变形较小，与逆铣相比较功率消耗要少些（铣削碳钢时，功率消耗可可减少5%，铣削难加工材料时可减少14%）。
二．在什么情况下选用顺铣或逆铣采用顺铣时，首先要求机床具有间隙消除机构，能可靠地消除工作台进给丝杆与螺母间的间隙，以防止铣削过程中产生的振动。
如果工作台是由液压驱动则最为理想。
其次，要求工件毛坯表面没有硬皮，工艺系统要有足够的刚性。
如果以上条件能够满足时，应尽量采用顺铣，特别是对难加工材料的铣削，采用顺铣不仅可以减少切削变形，降低切削力和功率的消耗。
模具高速加工的CNC编程策略2010-05-21 13:05 星期五1 引言高速加工技术是采用高转速、快进给、小切深和小步距来提高切削加工效率的一种加工方式。
它已在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造出了惊人的效益。
基于ProMechanica的数控立铣刀优化设计技术总结报告
磨向心角及 端刃后角
磨周刃 后角
CAM子系统的功能
CAPP模块：实现高精度数控刀具的工艺过程设计。以
知识库为核心，对三维刀具设计结果，采用CAD/CAPP集成 技术，自动提取CAD子系统中各工序的设计参数，完成工 艺过程设计，生成工艺文件。
三维动态模拟模块 ：将机床、砂轮数据等约束条件和
NC程序，导入三维动态模拟软件Simvk0010中，直接观察 三维动态仿真加工过程和刀具的最终形态，检查设计和工 艺的正确性。
前言
课题研究的背景 课题研究的必要性及意义 课题的提出
研究内容及总体结构
主要研究内容 系统的总体结构 系统的运行环境
研究内容
建立高精度数控刀具CAD/CAM集成系统的总体框架及轴向数控刀具 基于工艺设计流程的三维参数化设计模型。采用面向对象的程序设计 方法建立系统的总体框架；采用基于特征的参数化建模方法，在大型 商用CAD软件——Pro/E平台上，建立高精度数控刀具基于工艺设计 流程的各工序的三维参数化设计模型； 刀具结构的优化设计。采用Pro/Mechanica有限元分析方法，对数控 刀具的三维结构模型进行优化分析，通过静态分析、灵敏度分析（包 括：局部灵敏度和全局灵敏度分析），挑选出对刚度影响较大的参数 及参数变化范围，优选出最佳的刀具几何参数，以提高其切削性能；
总体结构
高精度数控刀具CAD/CAM集成系统 CAD CAE CAM
平 头 立 铣 刀 设 计
球 头 立 铣 刀 设 计
静 态 分 析
灵 敏 度 分 析
优 化 设 计
工 艺 设 计
三 维 动 态 仿 真
N C 编 程
共
用
CNC高速加工中心的优势和应用详细介绍
CNC高速加工中心的优势和应用详细介绍CNC高速加工中心是一种先进的数控机床，它能够在短时间内完成高精度、高效率的加工任务。
一、原理CNC高速加工中心采用计算机数控技术，通过数字信号对机床进行控制，实现高速加工。
其主要原理是：首先通过CAD软件对产品进行三维建模，然后将建模文件输入到机床控制系统中；接着根据加工工艺和材料特性选择适当的刀具和加工参数，进行加工路径的规划和编程；机床根据程序指令自动进行加工，实现零件的高精度加工。
二、与传统的机械加工相比，具有以下优势：1.高精度：采用数控技术，可以实现高精度的加工。
2.高效率：配备了高速电主轴和自动换刀装置，可以快速地更换不同的刀具和工作台，实现多种工艺的快速转换和高效加工。
3.灵活性：加工路径和参数可以在计算机上进行优化，可根据零件不同的形状和要求进行灵活调整，实现多种复杂的加工任务。
4.一次性加工：可以在一次夹紧中完成多个面的加工，避免了因多次夹紧而引起的误差和浪费。
5.自动化程度高：加工程序可以存储在计算机中，实现自动化、连续化的生产过程。
同时，还具有故障诊断和报警功能，能够及时发现并解决可能出现的问题。
三、应用CNC高速加工中心广泛应用于航空航天、汽车制造、模具制造、电子元器件等领域，在产品开发、样机制作和大批量生产中都发挥着重要作用。
1.航空航天领域：可以用于加工航空发动机叶轮、涡轮盘、进气道导流板、发动机外壳等关键部件，保证了产品的高精度和高质量要求。
2.汽车制造领域：可以用于汽车发动机缸体、曲轴、齿轮等零件的加工，具有高效率和一次性加工的优势，提高了生产效率和产品质量。
3.模具制造领域：可以用于模具零件的加工，实现了复杂形状的高精度加工，提高了模具的加工质量和寿命。
4.电子元器件领域：可以用于PCB板、接插件、散热器等零部件的加工，具有高精度和高效率的特点，保证了电子产品的质量和性能。
CNC机床加工中的高速切削技术
CNC机床加工中的高速切削技术在CNC机床加工中，高速切削技术是一种先进的加工方法，其具有高效、高精度和高质量的特点。
本文将就高速切削技术在CNC机床加工中的应用进行探讨，并分析其对加工效率和产品质量的影响。
一、高速切削技术的基本原理高速切削技术是指在CNC机床中，将切削速度提高到较高的水平，以达到更快的加工速度和更高的精度。
其基本原理是通过增加切削刀具的转速和提高进给速度，以缩短切削时间并提高加工效率。
同时，高速切削技术还要求切削刀具具备足够的硬度和耐磨性，以保持切削效果的稳定性。
二、高速切削技术的优点1. 提高加工效率：高速切削技术能够显著缩短加工时间，提高CNC 机床的生产效率。
通过提高切削速度和进给速度，大大缩减了加工时间，缩短了生产周期，使企业能够更快速地响应市场需求。
2. 提高产品质量：高速切削技术能够实现更高的加工精度和更好的表面质量。
较高的切削速度使得加工过程中切削力的波动更小，有利于减少振动和共振现象的产生，从而提高了加工精度和表面质量。
3. 延长刀具寿命：高速切削技术还可以有效延长刀具的使用寿命。
相比传统的低速切削，高速切削可以减少刀具与工件的接触时间，降低了刀具磨损，延长了刀具的使用寿命，降低了生产成本。
4. 降低能耗：高速切削技术由于加工时间的减少，可以减少机床的运行时间，从而降低了能耗。
这对于提高企业的生产效益和环境保护都具有积极的意义。
三、高速切削技术的应用高速切削技术广泛应用于CNC铣床、车床、磨床等机床领域。
以下是常见的高速切削技术应用场景：1. 高速铣削：在零件加工中，采用高速切削技术可以显著提高铣削效率和表面质量。
高速切削铣削通常用于加工铝合金、镁合金等轻金属材料，同时还可以用于精密模具的加工。
2. 高速车削：在车削加工中，采用高速切削技术可以提高车削效率和降低成本。
高速车削通常应用于加工不锈钢、钛合金等难切削材料，可以大幅提高车削效率和降低能耗。
3. 高速磨削：在精密磨削中，采用高速切削技术可以提高磨削效率和减少磨削温度。
技能认证铣工高级考试(习题卷1)
技能认证铣工高级考试(习题卷1)说明：答案和解析在试卷最后第1部分：单项选择题，共42题，每题只有一个正确答案,多选或少选均不得分。
1.[单选题]下面程序号中哪种是用于机器人操作程序（）。
A)O8000~O8999B)O9000~O9019C)O9020~O9899D)O9900~O99992.[单选题]刀具磨损补偿值应输入到系统( )中去。
A)程序B)刀具坐标C)刀具参数D)坐标系3.[单选题]加工中心上加工的既有平面又有孔系的零件是指()零件。
A)齿轮类B)箱体类C)盘、套、板类D)凸轮类4.[单选题]在补偿寄存器中输入的D值的含义为()。
A)只表示为刀具半径B)粗加工时的刀具半径C)粗加工时的刀具半径与精加工余量之和D)精加工时的刀具半径与精加工余量之和5.[单选题]在坐标镗床上加工双斜孔,通过两次转直,按新坐标调整机床,使主轴与待加工孔的轴线(),即可以进行孔的镗削。
A)平行B)垂直C)重合D)倾斜6.[单选题]平键的工作表面为(）。
A)顶面B)底面C)端面D)侧面7.[单选题]对于游标卡尺主尺的刻线间距为( )mm。
A)1B)0.5C)2D)0.028.[单选题]加工键槽时,一般选用的刀具是( )。
A)圆柱铣刀B)端面铣刀C)球头铣刀D)键槽铣刀9.[单选题]防止积屑瘤崩碎的措施是（）。
A)采用高速切削B)采用低速切削C)保持均匀的切削速度D)选用合适的切削液10.[单选题]铣削凸模平面外轮廓时,一般用立铣刀的侧刃切削,应沿轮廓( )切入和切离A)法向B)斜向C)曲线延长线的切向D)曲线延长线的法向11.[单选题]数控机床出现"OVERHEAT:SPINDLE"报警信息，可能的原因是（ ）。
A)主轴轴线方向机床超程B)切削力过大造成主轴转速波动超差C)转速设定错误造成程序报警D)进给速度太快造成伺服电机过热12.[单选题]机械性能指标“HB”是指( )。
A)强度B)塑性C)韧性D)硬度13.[单选题]下列哪种措施不一定能缩短进给路线。
学习园地：工具系统（二）
学习园地：⼯具系统（⼆）第⼋章⼯具系统第⼀节⼯具系统四、⼯具系统装⼑器装⼑器即为⼑具的装配夹具，⽤于组装和拆卸⼑柄，⼀般常将装⼑器分为两种，⼀种是普通装⼑器（见图8-11a），⼀种是模块化装⼑器（见图8-11b）。
普通装⼑器由于结构限制，只能应⽤于固定⼏种型号的⼑柄，⽽模块化装⼑器可以通过改换衬套和法兰盘，⽽使之与各种型号的⼑柄配套，这样就可以应⽤于各种型号的⼑柄。
应⽤装⼑器组装⼑柄的过程简单叙述如下：（1）选择适合⼑具的法兰、轴环和衬套以便装配（见图8-12）。
（2）选择适合接⼝的衬套。
⽤3个内六⾓头螺钉将夹具紧固到⼯作台上（见图8-13）。
（3）将⼑柄各模块按顺序装⼊即可。
五、⼯具系统的规格1.⼑柄的规格镗铣类机床和加⼯中⼼⼑柄多数采⽤7∶24圆锥⼯具⼑柄，并采⽤相应形式的拉钉拉紧机构与机床主轴相配合，常⽤的规格有30号、40号、45号、50号。
新型⼑柄中采⽤1∶10圆锥结构设计的HSK⼑柄有A、B、C、D、E、F六种型号，常⽤的有A型63号、100号，C型63号、100号，E 型40号、50号、80号，F型40号、50号、80号。
CAPTO⼑柄常⽤型号有C3、C4、C5、C6、C8以及C10。
2.⼑柄的规格数量整体式的TSG⼯具系统包括20种⼑柄，其规格数量多达数百种，⽤户可根据所加⼯的典型零件的数控加⼯⼯艺来选取⼑柄的品种规格，既可满⾜加⼯要求⼜不致造成积压。
考虑到数控机床⼯作的同时，还有⼀定数量的⼑柄处于预调或⼑具修磨中，因此通常⼑柄的配置数量是所需要⼑柄的2～3倍。
第⼆节整体式数控⼯具系统（TSG）⼀、TSG⼯具系统概述（⼀）TSG⼯具系统简介TSG⼯具系统属于整体式结构，是专门为加⼯中⼼和镗铣类数控机床配套的⼯具系统，如图8-14所⽰。
该⼯具系统锥柄和连杆连成⼀体；其优点是结构简单、整体刚性强、使⽤⽅便、⼯作可靠、更换迅速等；缺点是锥柄的品种和数量较多。
图8-14 TSG⼯具系统（⼆）TSG⼯具系统表⽰⽅法TSG⼯具系统的表⽰形式由⼯具柄部形式、柄部尺⼨、⼯具⽤途、⼯作长度和⼯具规格组成，如图8-15所⽰。
高速切削刀具及刀柄概述
引言高速切削加工作为制造业中最为重要的一项先进制造技术，已经越来越受到人们的关注．随着高速切削加工的应用范围扩大，高速切削在制造领域的应用主要是加工复杂曲面，其中高速铣削（也称为硬铣削，可以把复杂形面加工得非常光滑。
加工表面粗糙度值很小、浅腔大曲率半径的零件完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率半径的零件可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，而电加工只作为精加工。
这样可大大节约电火花和抛光的时间以及有关材料的消耗，这对保护环境的贡献是不言而喻的。
同时，极大地缩短了加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本。
1 高速切削加工技术1.1 高速切削技术概述[2]1931年4月德国物理学家Carl.J.Saloman最早提出了高速切削（High Speed Cutting）的理论，并于同年申请了专利。
他指出：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值之后，切削温度不但不会升高反而会降低，且该切削速度VC与工件材料的种类有关。
对于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行。
要是能越过这个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。
由于实验条件的限制，当时高速切削无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示。
高速加工技术经历了理论探索，应用探索，初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广。
特别是20世纪80年代以来，航空工业和模具工业的需求大大推动了高速加工的应用。
飞机零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、长桁、框等，它们有很薄的壁和筋，加工中金属切除率很高，容易产生切削变形，加工比较困难；另外，飞机制造厂方也迫切要求提高零件的加工效率，从而缩短飞机的交付时间。
在模具工业和汽车工业中，模具制造是一个关键，缩短模具交货周期，提高模具制造质量，也是人们长期努力的目标。
高速切削无疑是解决这些问题的一条重要途径。
机械制造工艺与设备
ｌ４ Ｏ 环反馈 ；层 次分析法
Ｏ １ｏ ７ ７０７９ ４ ０ ・２ ６ ０
中国学术期刊文摘 （ 中文版）
２０ ０ ７年 １ ３卷 第 １ 期 ０ 到 四连杆变幅机构 的优化设计 中，结果 表 明，稳健优化后的变幅机构性能得到 了改善 ，设计质量得到了提 高．图 ３表 ３参 ５ 关键词 ：稳健设计；优化设计 ；变幅机 构；正交试验 ；容差模型
０ １０ ８ ７０７６ ４ ０ ・２ ６ ０
面 向加 工 中心 的高速 铣 刀优选 系统 ：
Ｔｈ ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ ｙ ｔｍ ｆ ｈ ｇ ｓ ｅ ｄ ｅｏｔ ｍｉ ａｉ ｓ ｓ ｏ ｅ ｏ ｉｈ ｐ ｅ
ｉ ｌ ｇｃｔ ｒ ｏ ｃ ｉｉｇｃｎｅ 刊 ｍ ｌｎ ｕｔ ｒ ａｈｎｎ ｅｔｒ［ ， ｉ ｅｆ ｍ
１ （ １． ２ ３ ～２ ３ ７２ ） ２ ３ ２ ７ —＿
提 出基 于实体一 属性一约 束（ｎｉ —ｔ ． ｅ ｔ ａｒ ｙ ｔ ｔｉ ｂ ｔ．ｏ ｓ ａ ｔ Ｅ Ｃ） ｕｅ ｎｔ ｉ ， Ａ 模型的产 品族建模 ｃ ｒ ｎ 方法 ，将产 品族表达 为实体、属性 、约 束三元组 ．实体 是产 品族 的物理对象及 其抽象 ； 属性是对物理对象 的特性描述； 约束是维护产 品族实体对象和 属性对象 的关系集合 ．提出基于 ＶＧ ＯＭ 的产品 Ｂ 族描述模型 ，该模型 除了能表示一族产 品 的结构和关系 ，涵盖产 品所有可能的 产 品变型 的特点外 ，还具有变量化的特 点 ，使得产品族通过配置更易于实现产 品变型 ．图 ５参 １ １ 关键词 ：产品族 ；结构建模；实体；属 性 ；约 束
２ ０ ，（） ２ ～２ ，４ ０７ １一 ８ ９ ９ ．
， ， 现代制造工程． ２０ ，（） ～１ 一 ０ ７ １． —９ １ 针对运动链再生创新设计 中构件 的相似 性判定 问题 ，提 出一种基于 “ 标准化 ” 邻接矩阵幂矩阵的构件相似判定 的新方 法 ，并举例说 明此方法 的具体运用 ．该 方法解决了机构型综合 中关键性技术难 题 ，减少冗余设计方案 的产生 ，提 高了 运 动 链 再 生 创 新 设 计 的 效 率 和 可 靠 性 ．图 ２ １ ５ 表 参 关键词：运动 链；创新设计；构件 ；相 似性判定；邻接矩 阵的幂矩 阵
2024年高速铣削刀具的安全性技术（三篇）
2024年高速铣削刀具的安全性技术高速铣削工艺在汽车、飞机和模具制造业中应用广泛。
由于铣刀高速旋转时刀具各部分承受的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷，而离心力达到一定程度时会造成刀具变形甚至破裂，因此研究高速铣刀的安全性技术对发展高速铣削技术有着极其重要的意义。
2高速铣刀安全性技术研究的现状20世纪90年代初德国就开始了对高速铣刀的安全性技术研究，并制订了DIN6589-1《高速铣刀的安全要求》标准草案，规定了高速铣刀失效的试验方法和标准，在技术上提出了高速铣刀设计、制造和使用的指导性意见，规定了统一的安全性检验方法。
该标准草案已成为各国高速铣刀安全性的指导性文件。
2.1高速铣刀的安全失效形式与试验方法标准草案规定了高速切削的速度界限，超过该速度后离心力将成为铣刀的主要载荷，必须采用安全技术。
在刀具直径与高速切削范围关系图中，曲线以上区域为该标准规定的铣刀必须经过安全检验的高速切削范围：对于直径d1≤32mm的单件刀具（整体或焊接刀具），其切削速度超过10000m/mm为高速切削范围；对于直径d132mm的装配式机夹刀具，高速切削范围为线段BC以上区域。
高速铣刀的安全失效形式有两种：变形和破裂。
不同类型铣刀的安全试验方法也不同。
对于机夹可转位铣刀，有两种安全试验方法：一种方法是在1.6倍最大使用转速下进行试验，刀具的永久性变形或零件的位移不超过0.05mm；另一种方法是在2倍于最大使用转速下试验，刀具不发生破裂（包括夹紧刀片的螺钉被剪断、刀片或其他夹紧元件被甩飞、刀体的爆裂等）。
而对于整体式铣刀，则必须在2倍于最大使用转速条件下试验而不发生弯曲或断裂。
2.2高速铣刀强度计算模型高速刀具在离心力的作用下是否发生失效的关键在于刀体的强度是否足够、机夹刀的零件夹紧是否可靠。
当把离心力作为主要载荷计算刀体强度时，由于刀具形状的复杂性，用经典力学理论计算得出的结果误差很大，常常不能满足安全性设计的要求。
高速加工机床的合理选用
高速电主轴由内装交流高频伺服电动机直接驱 动 ,机床转速高 、功率大 、结构简单 、高转速下可保持良 好的动平衡 。与传统的皮带和齿轮传动相比 ,高速电 主轴更具有高速运转的可靠性与安全性 ,且具有高速 恒功率 、低速恒转矩的输出特性 。但电主轴的电动机 不易散热 ,影响了机床高速时的加工精度稳定性[1 ,2 ,5] 。
工。 因此选取主轴切削速度时 ,必须综合考虑工件材
料和硬度 、刀具寿命 、零件的生产工艺流程及主轴负载 功率等诸因素 ,大致确定所需要的最大工作切削速度 。 主轴的工作转速可由该切削速度和刀具直径换算得 到 ,机床主轴所能够达到的最高转速应大于该工作转 速 (如图 2 所示) ,以确保高速加工的安全性和可靠性 。 1. 1. 2 高速主轴的结构形式
如图 1 和图 2 所示 ,不同工件材料具有不同的高 速加工临界转速值及其特定的最佳高速切削转速范 围 ,而且影响不同材料工件的高速加工过程的主要因 素也不同 。例如 ,航空铝合金材料的高速加工主要受 机床主轴转速及材料熔点的限制 ,而刀具寿命并非主 要限制因素 。高速加工合金模具钢时 ,由于材料硬度 一般都超过 50 HRC ,比较难以加工 ,其限制高速加工 的切削速度的主要因素就是刀具寿命 ,而不是机床的 主轴转速 。
作者 :陈民 ,米克朗中国有限公司总经理 ,北京市 朝阳区左家庄国门大厦 C 座 2M ,电话 : (010) 64606822
(编辑 符祚钢)
(收稿日期 :2003 - 02 - 13)
Ξ 广东省“十五”科技重大专项计划项目
技能认证铣工高级考试(习题卷24)
技能认证铣工高级考试(习题卷24)说明：答案和解析在试卷最后第1部分：单项选择题，共41题，每题只有一个正确答案,多选或少选均不得分。
1.[单选题]下面指令中，（）是高速深孔钻削循环指令(华中系统)。
A)G73B)G81C)G82D)G832.[单选题]高速加工时应使用( )类刀柄。
A)BT40B)CAT40C)JT40D)HSK63A3.[单选题]程序段"N30IF[A)如果变量<1的值大于10，程序继续按顺序向下运行B)如果变量<1的值大于10的条件不成立，程序继续按顺序向下运行C)如果变量<1的值大于10，循环执行此程序段之后的程序段至N80的程序段D)如果变量<1的值不大于10，循环执行此程序段之后的程序段至N80的程序段4.[单选题]检查数控机床几何精度时，首先应进行（）。
A)坐标精度检测B)连续空运行试验C)切削精度检测D)安装水平的检査与调整5.[单选题]主轴的轴向窜动和径向跳动会引起（）。
A)机床导轨误差B)夹具制造误差C)调整误差D)主轴回转运动误差6.[单选题]加工中心按主轴的方向可分为( )两种。
A)Z坐标和C坐标B)经济性、多功能C)立式和卧式D)移动和转动7.[单选题]一个数控加工程序的运行轨迹的位置是由( )决定的。
C)程序内容D)上述三者共同8.[单选题]遵循切削用量选择的一般原则，粗加工时合理选择的顺序为( ）。
A)V→f→apB)f→ap→VC)ap→f→VD)V→ap→f9.[单选题]下列叙述中,防止锯片铣刀加工沟槽时折断所采取的措施不正确的是( )。
A)加工时若出现停刀现象,应停止进给再停止主轴转动B)锯片铣刀的外圆稍低于切削槽底面C)提高装夹的刚性D)不要使用两侧面磨损不均匀的铣刀10.[单选题]"tooldiameteris25mm"的含义是（）。
A)刀具直径25mmB)刀具长度25mmC)毛坯直径25mmD)刀具半径25mm11.[单选题]数控机床使用的刀具必须具有较高强度和较长寿命，铣削加工常用的刀具材料是( )。
高速切削刀具系统
高速切削刀具系统吴明友"广东机电职业技术学院!广东广州510515#摘要I根据高速切削对刀具系统的要求分析了高速回转刀具的结构特点以及常规7I24锥度刀柄结构存在的不足介绍了国外对7I24锥度刀柄的多种改进型设计和替代性设计方案分析了各种设计方案的优缺点O关键词I高速切削;回转刀具;刀具系统中图分类号I T G506 文献标识码I B文章编号I1001-3881(2006)10-059-5T h e T ool s ys t e m of h i gh-s p e e dc u t t i n gW Um i ng y o u(G ua ng do ng V o c a t i o na I C o I I e g e o f m e c ha ni c a I&e I e c t r i c a I T e c hno I o g y G ua ng z ho u G ua ng do ng510515C hi na)A b s t r ac t Z A c c o r di ng t o t he r e gui r e m e nt o f t o o I s y s t e m us e d i n hi g h-s pe e d c ut t i ng t hes t r uc t ur e c ha r a c t e r i s t i c o f t he hi g h-s pe e d r o t a t i ng t o o I a nd t he i na de gua c y e x i s t e d i n t he7I24t a pe r t o o I ho I de r s t r uc t ur e w e r e a na I y z e d t he m a ni f o I d de s i g ni ng pI a ns o f i m-pr o v e m e nt a nd r e pI a c e m e nt f o r t he7I24t a pe r t o o I ho I de r i n f o r e i g n c o unt r i e s w e r e i nt r o duc e d a nd t he s t r o ng a nd w e a k po i nt s o f m a ni-f o I d de s i g ni ng pI a ns w a s a na I y z e d.K e yw or d s Z H i g h-s pe e d c ut t i ng;R o t a t i ng t o o I;T o o I s y s t e m1 高速切削对刀具系统的要求由于高速切削加工时离心力和振动的影响刀具的结构安全性和高精度的动平衡是至关重要的O刀具系统必须有良好的平衡状态和安全性O刀柄是高速切削加工的一个关键部件它传递机床的动力和精度O 刀柄一端是机床主轴另一端是刀具O高速切削加工时既要保证加工精度又要保证高的生产率还要保证安全可靠O所以高速切削刀具系统必须满足下列要求Z几何精度和装夹重复精度高装夹刚度高高速运转时安全可靠O2 高速回转刀具由于高速切削回转刀具在很高的回转速度下工作刀具体和可转位刀片均受到很大的离心力的作用O故对刀体材料~刀体结构和夹紧机构提出了十分严格的要求;刀体材料重量要轻刀体结构形式与刀片之间要形成封闭连接刀片装卸应尽可能简单容易刀片夹紧机构要可靠并要有足够的夹紧力O(1)高速切削对回转刀具的要求C刀体材料O为了减轻所承受的离心力的作用刀体材料的设计应减轻质量选用密度小~强度高的刀体材料O刀体结构O刀体上的槽(包括Z刀座槽~容屑槽~键槽)会引起应力集中降低刀体的强度O 因此刀体结构应尽量避免贯通式刀槽减少尖角防止应力集中尽量减少机夹零件的数量刀体的结构应对称于回转轴使重心通过刀具轴线O刀片和刀座的夹紧~调整结构应尽可能消除游隙;并且要求重复定位性好需要使用接头~加长柄等连接时也应避H SK刀柄与机床主轴连接甚至做成整体式结构以提高刚性和安装重复定位精度O此外机夹式高速铣刀的直径趋小长度增加刀齿数也趋少有的只有两个刀齿这种结构便于调整刀齿的跳动提高加工质量O刀具(片)的夹紧方式O高速切削回转刀具按刀片固定方式可分为三大类即Z干体结构带有固定刀片座和可调刀片座结构O高速铣削时常常在6000~10000r/m i n以上的旋转速度下工作在这样高的回转速度下工作的机夹可转位铣刀的刀体和刀片均受很大的离心力作用故要求设计十分可靠的刀体结构和刀片夹紧结构O刀体与刀片之间的连接配合要封闭刀片夹紧机构要有足够的夹紧力O对于高速旋转的机夹刀具通常不允许采用摩擦力夹紧要用带中心孔的刀片用螺钉夹紧O可转位刀片应有中心螺钉孔或有可卡住的空刀窝保证刀具精确定位和高速旋转时的可靠例如有一种可转位刀片刀片底面有一个圆的空刀窝可与刀体上的凸起相配合对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用O刀座~刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致还要控制螺钉的预紧力防止螺钉因过载而提前受损O与安全有关的结构参数包括刀片中心孔相对螺孔的偏心量~刀片中心孔和螺钉的形状这些因素决定螺钉在静止状态下夹紧刀片时所受的预应力的大小O过大预应力甚至能使螺钉产生变形O刀片的夹紧应施加规定的扭矩并使用合格的螺钉在拧入前应涂敷润滑剂减少夹紧扭矩的损失螺钉应定期检查和更换O对于小直径的带柄铣刀现在有两种高精度~高刚性的夹紧方法即Z度更高,传递的扭矩比前者大1.5~2倍,径向刚性高2~3倍,能承受更大的离心力,更适合于整体硬质合金铣刀高速铣削淬硬的模具日本和德国都开发了相应的加热装置用于刀具的装卸这种夹头的缺点是适用的直径范围小,刀具装卸费时@刀具的动平衡在高速旋转时,刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷,其大小与转速成平方关系,从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响因此,用于高速切削的回转刀具必须经过动平衡测试,并应达到I SO1940/1规定的G40平衡质量等级,即铣刀在最大转速时nm a x的单位重量允许不平衡量不超过3.8197>105(m m>g/kg) 为此,在机夹铣刀的结构上要设置调节动平衡的位置实际上,目前某些精加工高速铣刀(或镗刀)不平衡品质已达到G2.5级(=0.23873>105),平衡性比G40级好得多,目前美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0级,铣刀在机床主轴上的重复安装精度也会影响铣刀旋转时的不平衡效果,使用H SK刀柄可以保证很高的重复安装精度(2)高速铣刀铣刀的种类很多,有面铣刀~立铣刀~球头铣刀~长刃铣刀等,广泛应用于平面~沟槽~凸台~曲面等的加工C面铣刀面铣刀主要用于加工平面,生产效率高,加工表面质量也较好,广泛应用于铸铁的粗~精加工面铣刀的结构种类很多,有可调节式~复合式和固定式它是将多刃刀片用机械夹固法装夹在刀体上,由刀体~刀片~调整螺钉~楔块~楔块螺钉等组成,可使用带孔或不带孔的多种形式的刀片立铣刀立铣刀主要用于铣削沟槽~台阶等,采用机夹可转位刀片球头铣刀球头铣刀主要用于数控机床和仿形铣床上进行凹腔~内外轮廓~弧形~沟槽的铣削主要种类有:立装球头立铣刀~平装球头立铣刀~90 和120 球形精铣刀~角R平面仿形铣刀~角R直柄仿形铣刀等,球头铣刀圆弧部分带有两个高效切削刃,刀片在刀杆上靠两支撑平面定位,采用定位槽来防止刀片倾斜或旋转,可控制同一刀片的波动在5P m以内,平衡后可稳定加工高精度球头立铣刀刀刃前端作出小的凸状中心刃,既能保持刀刃的锋利性,又具有高的刃口强度,广泛应用于模具上三维曲面的精加工,刀柄有莫氏锥柄结构和圆柱平柄等多种形式@长刃铣刀长刃铣刀适合于在大功率机床上高效铣削立面~台阶面~槽及凹腔更换不同牌号的刀片可加工各种钢~铸铁~有色金属,包括钛合金和稀量可增加2~2.5倍;长刃铣刀有整体式结构~直柄结构和套筒结构等多种形式(3)高速钻头高速切削钻头一般用整体硬质合金或可转位机械夹刀片制成小尺寸的高速切削硬质合金钻头做成整体式,较大尺寸的一般做成可转位式为了减小钻孔时的悬伸长度以增加刚度,钻头工作部分一般较短,钻芯加粗;为减小切削力,整体硬质合金钻头切削刃靠近钻削中心,横刃较短,钻头顶角21做成140 ,为了可靠地夹紧钻头,需要使用弹性夹头或侧面压紧接刀柄;一般对钻头采用P V D (T i N)涂层;也有带内孔的钻头,通过内孔可输送切削液3 常规7:24锥度刀柄目前市场上大量应用的是7I24锥度的刀具系统(如B T~I SO等) 标准的7I24锥联结有许多优点如:C可实现快速装卸刀具;刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下,紧紧地与主轴的内锥面接触,实心的锥体直接在主轴的锥孔内支撑刀具,可以减小刀具的悬伸量;只有一个尺寸(即锥角)需加工到很高的精度,所以成本较低而且可靠,多年来应用非常广泛随切削高速化的发展,此类工具系统也暴露出以下不足(1)刚性不足由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位,所以标准的7I24锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙,在I SO标准规定7I24锥度配合中,主轴内锥孔的角度偏差为~- ,刀柄锥体的角度偏差为~+ ,以保证配合的前段接触,所以它的径向定位精度不够,在配合的后段还会产生间隙如典型的A T4级(I SO1947,G B11334-89)锥度规定角度的公差值为13",这就意味着配合后段的最大径向间隙高达13P m,这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡,还会形成以接触前端为支点的条件,当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向托力产生的摩擦力矩时,刀具会以前段接触区为支点摆动,在切削力作用下,刀具在主轴内锥孔的这种摆动,会加速主轴锥孔前段的磨损,形成喇叭口,引起刀具轴向定位误差7I24锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感当拉力增大4~8倍时,联结的刚度可提高20%~50%,但是,过大的拉力在频繁换刀过程中会加速主轴内孔的磨损,使主轴内孔膨胀,影响主轴前轴承的寿命且高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀,膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大;因此,要保证这种联结在高速下仍有可靠的接触,需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴轴端的膨胀,如标准40号公差带的过盈量,因此这个过盈量很大0这样大的过盈量需拉杆产生很大的拉力,拉杆产生这样大的拉力一般很难实现,对换刀也非常不利,还会使主轴端部膨胀,对主铀前轴承产生不良影响0(2>A T C(自动换刀>的重复精度不稳定0每次自动换刀后刀具的径向尺寸都可能发生变化0(3>轴向尺寸不稳定0主轴高速转动时因受离心力的作用内孔会增大,使刀具轴向尺寸发生变化,在拉杆拉力的作用下,刀具的轴向位置会发生改变0(4>刀柄锥度较大,锥柄较长,不利于快速换刀及机床小型化0(5>主轴的膨胀还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离,从而影响主轴的动平衡0高速切削加工对动平衡要求非常高,不仅要求主轴组件需精密动平衡,而且刀具及装夹机构也需精密动平衡0但是,传递转矩的键和键槽很容易破坏动平衡,而且,标准的7I24锥柄较长,很难实现全长无间隙配合,一般只要求配合面前段70%以上接触,因此配合面后段会有一定的间隙,该间隙会引起刀具径向跳动,影响结构的动平衡0当主轴高速旋转时,一方面由于离心力的作用使主轴7I24锥度端口扩张,刀具的定位精度和连接刚度下降,振动加剧,甚至发生连接部分的咬合现象0另一方面常用刀片夹紧机构的可靠性下降,刀具整体不平衡的影响加剧0针对7I24锥联结结构存在的问题,一些研究机构和刀具企业开发了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式0其中最具有代表性的是屏弃原有的7I24标准锥度而采用新思路的替代性设计,如德国的H SK系列美国的K m系列刀具银柄和日本开发的B I G-P L U S工具系统0另外为了降低成本,仍采用现有的7I24锥度而进行改进性设计,这种设计可实现现有主轴结构向高速化的过渡,如美国的WSU系列刀柄0其中H SK刀柄的开发是机床-刀具连接技术的一次飞跃,被誉为21世纪接口与制造技术的一项重大革新04 对7:24锥度刀柄的改进型设计(1>B I G-P L U S系列0其结构设计可减小刀柄装入主轴时(锁紧前>与端面的间隙,锁紧后可利用主轴内孔的弹性膨胀对该间隙进行补偿,使刀柄与主轴端面贴紧0B I G-P L U S刀具系统具有以下优点C增大了与主轴的接触面积,增强了系统刚性,提高了对振动的衰减作用利用端面的矫正作用提高了A T C的重复精度端面定位作用使系统轴向尺寸更为稳定由于B I G-P L U S刀具系统仍然采用7I24锥度,锁紧机构也一样0因此它与一般非两向定位系以迅速推广的一个重要因素(2>WSU-1系列0该类型的连接是以开发出比7I24锥连接具有较好精度刚度和高速性能,同时又能与现存的主轴端部和刀柄兼容为出发点设计出来的0这种设计利用了虚拟锥度g的概念,即以离散的点或线形成一个锥面,与主轴内锥孔面接触,实现这些点线接触的元件是弹性的0因此,当拉杆轴向拉力使刀柄主轴端面定位接触时,只会使刀柄锥体的这些弹性元件变形,刀柄不变形0这种方法可使接触锥部获得较大的过盈量,而不需太大的拉力,也不会使主轴膨胀,对接触面的污染不敏感0WSU-1要求的加工精度与7I24刀柄相同,刀柄的锥部仍采用7I24锥度,但它的直径比相同法兰尺寸的标准刀柄锥度直径要小,锥柄的外表面套有由金属或塑料保持架固定的相同直径的滚珠,由滚珠形成的虚拟锥的直径约比主轴内锥孔直径大5~10P m,在拉杆拉力作用下,滚珠发生弹性变形,刀柄在主轴锥孔内移动直到刀柄法兰与主轴端面接触为止0滚珠的材料为金属塑料或者玻璃,但其制造精度要求很高,球面精度和直径的制造精度都在1P m以上,严格的制造精度可以保证虚拟锥与主轴锥孔良好的配合0这种联结的主要优点有C实现了端面与锥面的同时接触定位,刚度和高速性能好,主轴不会膨胀接触区变形大,虚拟锥部与主轴锥孔没有间隙,因此刀杆跳动小拉杆产生的轴向力在接触锥部损失小,因此施加在刀轴接触端面的压力大,接触面摩擦力增大,在某种程度上可用来传递转矩,替代传动键的作用,具有良好的动平衡性能0其主要的缺点是滚珠的加工精度要求很高,否则所形成的虚拟锥与主轴锥孔难以形成良好的配合,滚珠与锥面接触会产生永久变形,出现压痕,对重复定位精度会有影响0为了获得良好效果,要求的拉杆拉力较大0(3>W SU-2系列0对标准的7I24锥配合分析可知,它的主要缺点是配合区特别是配合的后段会出现间隙,引起刚度下降,磨损加剧和跳动等问题,因此只要消除配合后段间隙,这些问题即可解决,W SU-2就是基于这种考虑,在标准锥柄基础上设计出的一种方案0刀柄的结构完全与7I24标准锥柄相同,只是在尾部加上有同轴凹槽,凹槽内安装有一列或几列同直径滚珠,滚珠形成的外包络直径约大于刀柄与主轴锥孔配合时可能的间隙直径,滚珠由保持架固定0刀柄与主轴锥孔配合时,滚珠及其接触区变形,消除配合后段可能出现的间隙0这种方案较好地解决了标准连接的静态问题,对标准7I24锥连接结构改动小,但同轴凹槽的加工精度要求较高,高速时标准7I24刀具的连接4A B SC系列K e m e t公司的A B SC结构该结构实现了主轴与刀柄的端向定位具有很高的轴向连接刚度主轴的转速对连接的影响很小它在结构上仍然采用了7I24的锥度允许使用标准的7I24刀柄不同的是这种结构的专用刀柄中设计有一个内装式的增力器使用普通的10~15kN拉杆即可产生较大的轴向拉力实现刀柄与主轴的端面接触定位它的缺点是刀柄的结构复杂成本较高而且会使主轴端部膨胀影响主轴前轴承工作5 对7:24锥度刀柄的替代性设计1H SK系统H SK刀柄是由德国阿亨大学机床研究室专为高速机床主轴开发的一种刀轴联结结构已被列入德国标准D I N69893H SK短锥刀柄采用1I10的锥度它的锥体比标准的7I24锥短锥柄部分采用薄壁结构锥度配合的过盈量较小对刀柄和主轴端部关键尺寸的公差带特别严格由于短锥严格的公差和具有弹性的薄壁在拉杆轴向拉力的作用下短锥有一定的收缩所以刀柄的短锥和端面很容易与主轴相应结合面紧密接触具有很高的联结精度和刚度当主轴高速旋转时尽管主轴端会产生扩张短锥的收缩得到部分伸张仍能与主轴锥孔保持良好的接触主轴转速对联结刚度影响小H SK采用由内向外的锁紧方式具有良好的静动态刚度和极高的径向轴向定位精度其轴向定位精度比7I24锥柄提高3倍径向跳动精度提高2~3倍特别适合于高速粗精加工和重负荷切削H SK薄壁液压夹头体积小不平衡点少因而振动小夹紧力大无间隙装夹牢靠随主轴转速的增加H SK和B T 刀夹的刚度均有所下降但H SK刀夹的刚度在各种速度下均高于B T刀夹在不同径向力作用下H SK 刀夹的刚度均比B T刀夹高目前H SK已列入国际标准它以其端面及1I10锥度的空心锥套作双重定位与7I24锥柄相比有如下优点C重量减少约50%重复使用时装夹和定位精度高刚度高并可传递大的力矩@装夹力随转速升高而增大H SK的结构形式有A B C D e F型等国内多采用69893-I中A型和C型标准例如H SK50A H SK63A H SK100A所有H SK整体式刀柄都经过平衡式设计H SK50和H SK63刀柄的主轴转数可达到25000r/m i n H SK100刀柄可达到12000r/m i nH SK短锥分机动和手动两种利用双重定位配合原则在足够的拉紧力作用下H SK空心工具锥提供封闭结构的径向定位平面夹紧定位阻止任何轴向窜动H SK连接具有很高的连接刚性在整个速度范围内静态和动态刚度高夹紧可靠传递的扭矩大径向定位和轴向定位以及重复定位精度高而主轴自动平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90%以上目前一些刀具公司已能提供具有H SK接口和不同平衡精度的高速切削刀具如m A P A L公司可提供完整的H SK模块化刀具系统对于小直径的带柄铣刀现在有三种高精度和刚性的夹紧方法收缩夹头液压夹头和力膨胀夹头C收缩夹头利用材料热胀冷缩原理把刀具装入刀柄时先用辅助系统把刀柄孔加热使之膨胀待刀具插入刀柄后进行冷却刀具就被稳当地夹持在刀柄内这种夹头的优点是精度高刚性大缺点是操作不便每次装夹必须对刀柄进行加热和冷却容易引起刀柄的热疲劳和变形收缩夹头的夹持精度比液压夹头高传递的扭矩比液压夹头大1.5~2倍径向刚性高2~3倍能承受更大的离心力更适合于整体硬质合金铣刀高速铣削淬硬的模具液压膨胀夹头的原理在刀柄的周围是一个液压腔刀具插入刀柄后用螺栓推动油腔顶部的活塞使刀柄孔内壁膨胀从而夹紧刀具其优点是精度高刚性大操作方便缺点是对刀具的尺寸公差要求严格力膨胀夹头的原理刀柄的孔呈三棱形在装夹刀具时先用辅助装置在三棱孔的3个顶点施加预先调整好的力使刀柄孔变形成圆形然后把刀具插入刀柄再去除变形外力刀柄孔弹性恢复刀具就被夹持在孔内这种夹头的优点在于装夹精度高操作简单结构紧凑造价较低缺点是需要备一个辅助的加力装置H SK也有缺点它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容制造精度要求较高结构复杂成本较高刀柄的价格是普通标准7I24刀柄的1.5~2倍锥度配合过盈量较小2K m系统K m系统是美国肯纳维公司的专利它采用1I10短锥配合锥柄的长度仅为标准7I24锥柄长度的1/3由于配合锥度较短部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题刀柄设计成中空的结构在拉杆轴向拉力作用下短锥可径向收缩实现端面与锥面同时接触定位由于锥度配合部分有较大的过盈量所需的加工精度比标准的7I24长锥配合所需的精度低与其它类型的空心锥连接相比相同法兰外径采用的锥柄直径较小主轴锥孔在高速旋转时的扩张小高速性能好这种系统的主要缺点是主轴端部需重新设计与传统的7I24锥连心的 所以不能用作刀具的夹紧 夹紧需由刀柄的法兰实现 这样增加了刀具的悬伸量 对于连接刚度有一定的削弱 由于端面接触定位是以空心短锥和主轴变形为前提实现的 主轴的膨胀会恶化主轴轴承的工作条件 影响轴承的寿命 表1列出了H SK ~K m 和B T 刀柄的结构特点表1 H SK K m 和B T 刀柄的结构特点刀柄类型结合部位夹紧力传递方式刀具基径/m m 柄部形式牵引力/kN 夹紧力/kN 过盈量/P m 锥度H SK 锥面+端面弹性套筒H SK-63B 138空心柄 3.510.53~101I 10K m 锥面+端面钢球K m 6350140空心柄11.233.510~251I 10B T锥面弹性套简B T 40144.5实心柄12.112.17I 24结束语高速刀具与机床主轴的连接技术今后将会得到不断的发展 即使一些新概念的刀柄~~~H SK ~K m ~C A P T O ~m I T ~N C 5~B I G-P L U S ~3L O C K ~WSU 等 也都要进一步加以改进和完善 目前主轴与刀具连接技术的发展趋势 采用双面定位系统 刀柄带平衡和减振装置 提高刀柄制造精度和平衡精度 发展多功能和智能型刀柄 提高刀柄的使用寿命等 今后要解决的主要问题 刀柄的结构和形式要尽量统一 各种规格的刀柄应通过理论分析和试验 给出一个明确的极限转速 提高影响动平衡精度的回转体及其上结构元件的加工精度 采用新方法对刀柄进行圆周方向的定位 取消现有的非对称性结构等纵观世界各国和各大刀具公司在高速刀柄的开发和应用方面的情况 性能优越且应用量比较大的还是H SK 和K m 刀柄 但K m 刀柄的应用只在美国市场比较多 德国的H SK 刀柄不仅已形成了相当的生产规模 而且得到了国际上的广泛承认 国际市场上高速刀柄的主要产品是H SK 系列的刀柄 采用的刀柄标准也是H SK 的标准 世界各国大部分的机床生产厂家在生产高速机床时 都把H SK 刀柄作为首选刀柄参考文献I 1I 艾兴 等.高速切削加工技术[m ].北京 国防工业出版社 2003.10.I 2I 张伯霖 等.高速速切削技术及应用[m ].北京机械工业出版社 2002.9.I 3I 刘利.数控机床刀具锥柄结构综述[J ].制造技术与机床 1998<11>.I 4I 魏志强 王先逵.高速加工机床及其关键技术[J ].制造技术与机床 1998<1>.I 5I 陈丹民 刘宏跃.适用高速加工的工具系统[J ].工具技术 2001<3>.I 6I 肖曙红 张伯霖 李志英.高速机床主轴/刀具联结设计[J].机械工艺师 2000<3>.作者简介 吴明友 男 1966年2月生 江苏灌南人 工学硕士 副教授 高级工程师 主要研究方向 数控加工 C A D /C A m/C A e 发表论文7篇 电话 020-********<H > e -m a i I w um y 20050101@s i na .c o m收稿日期%从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从从｛｛2005-08-172007年!材料保护"征订启事<材料保护>杂志创刊于1960年 月刊 国内外公开发行 每月15日出版 由机械科学研究院武汉材料保护研究所~中国腐蚀与防护学会~中国表面工程协会共同主办本刊为中国材料表面处理行业权威性应用技术期刊 主要报道电镀与化学镀~化学转化膜~腐蚀与防护~涂料与涂装~热喷涂与喷焊~阳极与微弧氧化~防锈与润滑~摩擦与磨损等表面工程领域的最新科研成果~工艺研究~实用技术~分析检测以及行业动态信息等国内材料表面处理业品牌期刊 于1999年~2002年~2004年连续三届荣获国家期刊奖 国内双重核心期刊 所载文章被<e I ><P a g e O ne ><美>~<C A ><美>~<C A S ><美>~<ST T A ><英>~<m A ><美>~<科学技术速报><日>等国际著名检索刊物广泛收录 2007年期刊订阅即将开始 国内新老用户请到当地邮政局<所>订阅 国内邮发代号 38-30 国外订阅者请到中国国际图书贸易总公司订阅 国外邮发代号 m 4164 或至本刊订阅刊 号I SSN 1001-1560C N 42-1126/T B地 址 武汉市汉口宝丰二路126号邮 编 430030定 价 8元/册 全年96元<含邮资>联系电话 027-836158468 83641679传 真 027-********发行人员 王 宇ht t p //w w w .m a t -pr o .c o me-m a i I bj b@m a t -pr o .c o m。
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面向加工中心的高速铣刀优选系统3王云华,姜彬,郑敏利,杨树财(哈尔滨理工大学机械动力工程学院,哈尔滨150080)摘要:针对加工中心高速铣削中刀具及其切削参数选择问题,以已有高速铣削机理研究成果为基础,进行工件高速铣削加工特征研究,并建立高速铣刀优选目标模型和优选规则,完成了基于关系型数据库的高速铣刀优选系统的开发。
结果表明,采用该系统优选的铣刀及其切削参数进行高速铣削加工,能有效提高加工品质和加工效率、降低加工成本。
关键词:高速铣刀;优选系统;数据库;加工中心中图分类号:TG392 文献标识码:B 文章编号:1671—3133(2007)01—0080—04The opti m i za ti on system of h i gh speed m illi n g cutter for mach i n i n g cen terW ang Yun2hua,J iang B in,Zheng M in2li,Yang Shu2cai(Mechanical&Power Engineering College,Haerbin Univ.Sci.Tech,Haerbin150080,CHN) Abstract:T o s olve p r oble m s in choosing high s peed cutter and its cutting parameters for machining center,an op ti m izati on syste m of high s peed m illing cutter using relevant database has been devel oped,which based on the study of correlative high s peed m ill2 ing mechanis m and the built of its op ti m izati on target models and regularity.The experi m ent results show that the op ti m ized m ill2 ing cutter and its para meters can i m p r ove the machining quality and efficiency and reduce machining cost efficiently.Key words:H igh s peed m illing cutter;Op ti m izati on syste m;Database;M achining center 加工中心和高速铣刀是目前进行复杂零件高速铣削加工的重要手段,工序集中和刀具库的配置有利于实现关键零、部件的高速、高效、高精度切削[1,2]。
面对种类繁多的各系列高速铣刀,工艺人员通常根据经验选取,这种刀具选择的随意性直接影响了加工中心高速切削性能的发挥,因此,建立具有较强实用性的数控高速铣刀优选系统是目前生产中亟待解决的问题之一。
针对高速铣削工艺参数复杂性,以高速切削机理研究为基础,结合加工中心和高速铣削加工实际,建立基于关系型数据库的高速铣刀优选系统,实现了高速铣刀及其切削参数的准确而快速的优选,对促进高速切削加工技术应用与发展具有实用价值。
1 系统功能设计本系统基于V isual Foxp r o610开发,主要应用了关系数据库技术。
V isual Foxp r o610是基于W indo ws环境的数据库编译工具,性能好、速度快、工具丰富而完整、界面友好、数控维护方便等特点,并与其他应用程序的兼容性好。
系统功能设计如图1所示,包括工件加工特征提取、系统数据库建立、优选模型定制等,其图1 系统功能设计图中工件高速铣削加工特征提取与识别是确定铣刀类型的前提条件;数据库的建立是优选的数据来源和基础;符合实际的优选目标明确用户追求;优选规则的制定从工件高速铣削加工特征出发,是实现优选目标的关键。
2 工件高速铣削加工特征提取工件高速铣削加工特征主要包括形状特征、材料特征、精度特征和技术特征等。
形状特征包括工件的形状和尺寸,决定加工方法和铣刀类型、铣刀尺寸;材料特征包括工件材料的物理特性和高速切削加工性,利用材料匹配原则选择最合适的刀具材料;精度特征表明工件所追求的表面加工质量和精度,是高速切削的技术优势的体现;技术特征包括动平衡和安全性要求等,以安全转速n和动平衡等级G为指标,保证高速铣刀的安全性,确保生产过3黑龙江省重大科技攻关项目(G A02A401-3);黑龙江省高等学校骨干教师创新能力资助计划(1054G011)程顺利进行。
工件铣削加工特征的提取通过用户根据系统提示点选完成,可选项分别有:工件形状(平面/台肩/槽/复杂三维形状/其他),工件尺寸(长×宽×高/半径/其他),工件材料(材料类别/材料牌号),尺寸精度要求(I T01/I T0/I T12I T18),形状精度要求(共12等级),位置精度要求(共12等级)和动平衡等级要求(等级上限/等级下限)等,并配有相应的示意图片,达到直观的效果。
运行时系统提取各选项值,获取的工件材料信息可信度较高。
3 面向加工中心的系统数据库建立系统数据库是优选系统的基础,包括工件材料表、铣刀数据库表和加工中心表等,结构图如图2所示。
各表同属于一个数据库,建表时同时定义其与库中其他表之间的关系。
图2 数据库结构图在关系数据库设计中,一般采用E 2R (实体-联系模型)图表示数据库的概念结构。
通过E 2R 图的表示形成整个应用系统包含的所有实体集、实体属性集、码以及实体之间的联系类型。
E 2R 图如图3所示。
图3 实体之间的E 2R 图将图3中E 2R 转换成如下关系模式:工件材料(小组号、材料牌号、硬度、切削性能、工件尺寸)刀体信息(刀片类型、刀体型号、齿数、刀具直径、安装直径、刀体重量、刀柄形式、刀具厂家)刀片信息(刀片类型、刀片型号、刀片宽度、刀片厚度、刀尖圆角半径、修光刃长度、刀片材质)高速铣削参数(刀片材质、小组号、推荐切削速度、推荐进给速度)加工中心(工作台尺寸、刀柄形式、主轴孔结构、主轴最大转速、机床功率、主要技术参数)其中,标有下划线的字段为该数据表的主码,即主关键词。
在上面的实体以及实体之间关系的基础上,形成数据库中的表格以及各个表格之间的关系。
系统数据库中现已收录了多个国际著名刀具厂商的高速面铣刀、立铣刀和球头铣刀等达两万余种,庞大的数据基础使优选结果具备较大可行性。
系统数据库中所有数据是经验规则的优选组合,分别来自于生产现场、实验室和文献资料,其中刀具厂家提供的手册提供了很强的参考性。
所有数据录入前都经专家评价或进行了切削实验的验证,保证了其作为高速铣削参考手册的准确性和科学性。
另外,数据库还提供了新铣刀添加功能,用户可根据实际随时添加新刀具和新机床,即扩充了优选的基础来源,也可实现企业刀具的动态管理。
4 高速铣刀优选目标与规则建立411 优选目标传统刀具选择主要考虑加工时间、加工质量和生产成本,追求的只是经济效益。
现代高速切削要兼顾绿色制造的指导思想,考虑社会效益和环境效益[3]。
系统优选目标函数如下:加工时间T (X )、加工品质Q (X )、生产成本C (X )、资源消耗R (X )和环境影响E (X )。
这五个目标变量之间存在着密切的联系,追求的变量结果是短的加工时间、高的加工品质、低的生产成本、少的资源消耗和小的环境影响。
系统采用的主要目标法是有效解决多目标非线性规划问题使各目标分量达到最佳协调的方法之一。
建立的分目标M (T )、M (Q )、M (C )、M (R )和M (E )中,依据高速铣削加工实际,常以M (T )或M (C )为主要目标,其他分目标转化为约束条件。
建立的多目标模型之一为:M =M (T ),且满足:M (i )≤M 0i ; i =C 、Q 、R 、E式中:M 0i 为所允许的极值。
412 高速铣刀优选规则41211 高速铣刀优选规则建立高速铣刀优选规则的建立以高速铣削机理研究为基础,并与刀具供应商、生产现场和加工企业提供的生产数据紧密结合。
图4为优选规则的来源及其内容,包括材料匹配原则、最小切削力原则、安全性原则、表面粗糙度约束原则和最优切削参数原则等。
各规则的主次及约束先后与优选目标的选择有关,如选择的目标是最短加工时间M (T ),则将最优切削参数原则设为主约束规则,其他规则为次约束,依此类推。
图4 铣刀优选规则材料匹配原则为工件材料选择最适用的刀具材料;最小切削力原则保证切削过程稳定;表面粗糙度约束原则用于获得满足要求的表面加工质量;选择最优切削参数可提高加工效率和经济效益;安全性原则包含安全转速和动平衡等级的应用。
同时,系统优选规则具有可扩展性,适应高速铣削技术的快速发展。
41212 高速铣刀材料的选择根据材料匹配原则,刀具材料的选择与工件材料及其毛坯状态密切相关,不同的工件材料和加工要求对应不同的刀片材质,高速切削范围也有所不同[4]。
建库时将不同厂家刀片材质适合加工的工件材料依次排序,采用最优材料匹配原则,没有则取其次。
如T URN I N G 的NX2525(钢、铸铁、不锈钢)表示三菱的NX2525材质的刀具最适合加工钢,其次是铸铁,也可进行不锈钢的高速铣削,与VP15TF (铸铁,高合金钢)相比,铣削钢时首选NX2525,再与其他最适合铣削钢的铣刀比较可达到的最高切削速度,取较大者;铣削铸铁时VP15TF 是首选之一,在没有VP15TF 等最合适铣削铸铁的刀片材质情况下考虑NX2525。
41213 铣刀结构与铣刀尺寸加工中心一般采用镶块式可转位铣刀结构。
选择刀柄样式应考虑使刀柄与加工中心的主轴孔相一致,刀柄的抓拿部分要与机械手的形态位置相适应[5]。
高速铣刀类型与铣刀尺寸的选择应与工件表面形状和加工尺寸相适应,具体规则如图5所示,其中D图5 铣刀类型与铣刀尺寸选择为铣刀直径,a c 为侧吃刀量,R d 为铣刀半径,R max 为可选铣刀的最大半径,R G 为内凹轮廓最小半径,l s 为凹弧面深度,l d 为切削刃长度。
41214 高速铣刀主要角度选择1)合适的主偏角保证合理的刃形和刀尖强度,可提高表面加工质量。
根据表面粗糙度约束原则,加工中心工艺系统刚性较好,取较小的主偏角,特别加工冷硬铸铁时,为减轻刀刃负荷,增强刀尖强度,常取更小数值。
2)前角的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率,影响已加工表面质量,主要应用切削力振幅最小、表面粗糙度约束和安全性等原则进行优选。
当工件材料塑性越大,强度和硬度越低时,宜选用较大前角,如高速铣削铝合金。