HSM-基础知识介绍(高速铣削)

➢ 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)
高速铣(HSM) 成功因素 5 :
高速铣 CAM 策略
本质:
从某一点到另外一点 有很多路径可以选择
但不同的路径 会导致不同结果 加工速度,表面质量…等等
高速铣 CAM 策略:
• MIKRON 被那些最好的 CAD-CAM 开发商公认为是高速铣 (HSM)领域的领导者。
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
• 某些新的应用领域，如薄壁、微细加工 等等,已可实现。
该工件材料为铝,壁厚为0.5mm. 如果没有高速铣削( HSM)技术, 还没有 其它工艺可实现该工件的加工.
高速铣(HSM) 成功因素 1:
高速刀具
本质:
最终对零件 实施切削
并非是机床
而是刀具!!
高速铣刀具:
选择刀具的准则:
• 刀具直径 (零件的几何、尺寸精度) • 类型 (粗加工,精加工, 槽, 3D, edge,…) • 形状 (球头, torus-end, 刀刃的数量 ..) • 工件材料 (高速钢, 应质合金, 陶瓷合金, PKD, CBN) • 刀具涂层(TiN, TiCN, TiAlN, …) • 质量 (径向跳动, 形状精度, 动平衡, 刚性…)
优点: 培训时间短,易于掌握,安全性强
Ergonomic??? DNC-接口 / 网络接口 预留扩展, 升级 所有的 CAD-CAM 系统都通用
•HEIDENHAIN iTNC 530 CNC, 是当今拥有最强 5 轴处理能力 的CNC系统.
我们对FANUC 和 SIEMENS都进行过测试, 最终选择了最匹配高速铣(HSM)5轴需求的 CNC 系统: HEIDENHAIN
高速铣削(HSM) 和 高性能铣削(HPM)
HSM HPM
Øz
vc
fz
ap
ae
n
vf
Q
[mm] [-] [m/min] [mm] [mm] [mm] [min-1] [mm/min] [mm3/min]
6 4 120 0.10 0.60 0.80 6370 2550 1'224 8 4 120 0.10 0.80 0.90 4770 1910 1'375 10 4 120 0.10 1.00 1.00 3820 1530 1'530 12 4 120 0.12 1.20 1.10 3180 1525 2'013 16 4 120 0.14 1.50 1.20 2390 1340 2'412
高速
CAM 策略
高速铣削（HSM）的关联影响
MIKRON +
为了获得高速铣削特殊的加工效果, 整个链必需严格控制.如果 任何一环被忽略或脱节, 最终的结果将会相去甚远。
高速切削的现象:
废屑温度 [°C] 切削力 [N]
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
传统切削
0
0
100
n vc *1000
高速切削的现象:
工件 材料金相组织 .
切剪区
.
切屑金相组织 .
铣刀
. 正面
刀具侧面 . 切削表面 .
普通铣削
材料去除量大,而去除速度慢 高温
加工精度低, 刀具易磨损 普通机加工面
普通铣切剪角
高速铣切剪角 熔化区 .
正面
铣刀
.
刀具侧面 .
工件
高速铣削
材料去除量小,而去除速度快 低温
加工精度高, 刀具低磨损 很好的抛光表面
DLS ( 油雾润滑回路 )
2 Hybrid Cylindrial Roller Bearing
HCRB ( 径向滚针轴承)
8 Hydraulic Preload System HPS ( 液压锁紧系统 )
3 Stator High Power Induction Motor
HPIM ( 马达定子 )
• 空心杯式锥度 (HSK)
– 静态与动态的刚性都非常良好 – 轴向与径向的精度都非常良好 – 非常适用高速旋转(内部反胀夹紧) – 质量不均匀和跳动较小
何为径向跳动?
• 径向跳动是刀具的圆周沿轴向中心的不同 心度。
• 实际径向跳动来自主轴,刀柄和刀具自身。
• 好的高速铣径向跳动应该在微米级。 (一般为: 3 - 8 μ )
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)
高速铣(HSM) 成功因素 2 :
高速主轴
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
额定去除量 去除量增加 去除量降低
低磨损 高磨损 磨损增加
加工表面很好 (加工条件稳定)
加工表面烧伤 (发烫,有震动) 加工表面差
(有震动)
高速铣刀具:
刀柄
很多选择,用途不同
= 很好
A
应用
=好
= 一般
= 差
径向跳动 径向刚性 可操作性 灵活性 转换瞬间 粗加工 半精加工 精加工 加工时刀具的伸缩 速度极限 成 本(包 括 附 加 装) 置
•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
粗加工刀- 硬淬钢 >55 HRC
HPM
HSM
因高速旋转的缘故:
普通铣切剪角
高速铣切剪角 熔化区 .
正面
铣刀
.
刀具侧面 .
工件
•通常选用刀具直径20mm以下,以匹配主轴的
参数规范、加工的稳定性、可靠性和安全性。
• 比普通铣削的去除量要小的多，在加工 模芯时，可获得非常完美的效果。 （废屑 少到用双手可捧住）
ASS ( 模拟量传感器 ) 11 Coolant Through Unit
CTU ( 冷却回路单元 )
6 Encoder for CLS
CLS ( 编码器 )
12 Axial Movement Sensor AMS ( 轴运动传感器)
加速度传感器用于监视主轴振动 Vibro Set™
优点:
- 监测振动
D
钢 铸铁
高速切削 有效区域
有色金属 200 300 400 500 切削线速度 vc [m/min]
1200
1000
8百度文库0
600
400 传统切削
200
高速切削 有效区域
0 0 100 200 300 400 500 600 切削线速度 vc [m/min]
600 在高转速时, 刀具温度和切 削力呈下降趋势, 高速铣削 是以这种效果为基础的加工 技术。
刀具象汽车的轮胎,汽车在行驶时,只有轮胎真正接触路面.在汽车 大赛中,好的轮胎是获胜的最重要条件之一。
高速铣刀具:
用户对刀具的选择,有时可从供应商获得帮助,但必需了解其基本原理。
刀具主要参数:
Vc
Vc
Vf
Vf: 进给速率
n / Vf = Optimum Fz
n / Vf > Optimum Fz
高速处理程序 能力的
CNC系统
机床的重要指标
本质:
CNC系统就象是机床 的驾驶员
他的驾驶技术将决定 比赛结果.
需要预先估计 动作敏捷 快速反应.
高速处理能力的 CNC:
WOP workshop optimised programming PC 处理器加载 (双 CPU 为选件) 段程序处理时间 0.8ms PLC 单循环时间12.5 ms 平行编程作业 15“ 彩屏 标准以太网卡
Øz
vc
fz
ap
ae
n
vf
Q
[mm] [-] [m/min] [mm] [mm] [mm] [min-1] [mm/min] [mm3/min]
6 4 45 0.020 6.00 3.00 2120 170 3'100 8 4 45 0.027 8.00 4.00 1590 170 5'400 10 4 45 0.033 10.00 5.00 1270 170 8'500 12 4 45 0.040 12.00 6.00 1190 190 13'700 16 4 45 0.053 16.00 8.00 900 190 24'300
n / Vf < Optimum Fz
Vc: 最佳切削线速度,单位: m/min, 由刀具制造商提供,并相关有刀具的
型号,加工条件和被加工材料。
对旋转刀具而言, Vc 与转速的方程如下:
Vc = n (rpm) * π * D /1000 由此可得到最佳主轴转速:
(D直径,单位: mm)
n=
Vc x 1000 πxD
- 控制加工时的振动量 - 刀具的寿命更长
- 主轴的寿命更长
Acceleration Sensor 加速度传感器 (AS)
Smart Monitoring
Kuppler Coupler
Steuerung Control system
高速铣(HSM) 成功因素 3 :
运动轴 高动态特性
机床的重要指标
本质:
机床的机械结构 象汽车底盘 一样: 强壮 和 安全
吸收冲击振动 重量轻
高速运动轴:
XSM specs
• MIKRON 使用聚合物大理石来实现机床床身的整体化。 封闭的 O型结构,强度高,重量轻。 • 吸收振动能力是铸铁的6倍。 • 所有的运动单元结构采用铸铁以降低惯量。 • 所有轴驱动采用西门子大功率伺服驱动。 • 所有导轨和大螺距丝杠付,均采用SKF产品。 • 光删尺采用 HEIDENHAIN 0.1μ 分辨率。
标准轴:
+Y
Y 进给速度
-α +X
= 损失时间 + = 加工表面差 = 刀具磨损大
X进给速度
不良的进给 条件
+α
高加速度的运动轴:
Y进给速度
+X
= 降低了损失的时间 = 较好加工表面 = 刀具磨损少
不良的进给 条件
X进给速度
+Y 只有聚合物大理石能吸收如此高强度冲击
高速铣(HSM) 成功因素 4 :
•径向跳动大,高速时离心力就大,从而引起主轴与刀具的振动。
•主轴与刀具寿命因此降低,运营成本增加,而加工的表面质量 反而很差。
有关动平衡
GUe
M
MIKRON 推荐使用 G2.5 等级的附 件,但目前大多数高速状况下,仅能达 到 G6.3级.无论如何,需寻求动平衡 的最佳状态。
• 在高转速时,刀具的动平衡是非常重要的指标,它将直接影响到加工的 表面质量,刀具的磨损,主轴的寿命和操作者的安全。
HSM-基础知识介绍(高速铣削)
MIKRON: 真正高速铣削加工的解决方案
有关高速铣削加工的错误观念? 高速铣 (HSM) 的概念 高速铣刀具(铣刀、刀柄） 高速主轴 运动轴的高动态特性 CNC 高速处理程序能力 高速铣加工路径策略
MIKRON 特色 品质 & 精度 竞争对手
结论
对高速铣的一些误解和错误概念…
MIKRON 的 STEP-TEC主轴具有同时兼容高扭矩和高转速的特性, 这种独特的组合与设 计的主轴,使用了矢量伺服控制技术, 甚至在低转速时可以攻丝.
主轴的截面图
12 1 10 7
3
265
4
98
11
1 Hybrid Ceramics Bearings HCB ( 陶瓷轴承 )
7 Oil air line for DLS
• 高速铣必需选用合适的刀具和刀柄。 • 为获取最佳的效果,动平衡机是必不可少的。 • MIKRON 提供的 APS 功能模块,可让操作者看到实时动平衡值和并
以此为参考来提高加工性能。
r u
e
High-speed tooling:
使用 DAMPING 夹头: 刀具寿命 +30 % 最佳表面粗糙度: Ra = 0.2 um 主轴寿命 明显提高
A. 弹簧夹头
B. 液压拉紧 C. 强力收缩
C
D. 加热收缩
B
D D
HSK刀柄 与 锥度刀柄比较
• 锥度刀柄 (ISO, BT, CAT)
– 刚性相对较差 – 轴向精度较差 – 不适用高速旋转 (外部夹紧) – 质量不均匀和跳动较大 – 普扁使用