超高速切削加工及其关键技术

图3 Fig. 3
第 2 次试验调质工艺规范
The second technology specifications of quenching 表 3 第 2 次试验硬度值 Tab. 3 The second test result of hardness
试件 RS- 01 RS- 02 RS- 03
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苏
发, 等
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t 太高 , 任何刀具材料都无法接受 , 切削加工不可能 进行, 因此 , 这个区域被称之为 死谷 。在 C 区 ( 高 速切削区 ) , 随着 v 的提高, t 下降 , 这就可以用耐热 性较好的现有刀具来进行超高速切削了。虽然由于 实验条件的限制 , 当时无法付诸实践, 但这个思想给 后人一个非常重要的启示 , 即如能越过这个 死谷 , 在高速区工作, 有可能用现有刀具材料进行高速切 削, 切削温度与常规切削基本相同 , 从而可大幅度提 高生产效率。特别是近几年来 , 高强度、 高熔点刀具 材料 ( 如陶瓷、 立方氮化硼和金刚石薄膜作为涂层 ) , 使刀具切削速度提高 100 倍以上, 使超高速切削成 为了现实。
2 超高速切削的优点及其应用 2 1 超高速切削的优点 生产实践表明, 与常规切削相比, 超高速切削主 要有以下优点: ( 1) 提高生产效率 ; ( 2) 热变形小 ; ( 3) 加工表面质量高; ( 4) 加工能耗低, 节省制造资源。由于超高速切 削时 , 单位功率的金属切除率显著增大、 能耗低、 工 件的在制时间短 , 从而提高了能源和设备的利用率 , 降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例; ( 5) 加工成本低, 由于在超高速切削中, 切削速 度和进给速度都很高。这样使零件的加工时间大大 缩短, 同时在一台机床上可以同时完成所有的粗精 加工 , 无需后续加工机床。这样可降低成本 50% 左
表2 Tab. 2 各种工件材料的超高速切削速度 Ultra_rapid cutting speed of each kind workpiece material
速度范围 被加工材料 传统切削 m min 纤维增强塑料 铝合金 铜合金 灰铸铁 钢 钛合金 < 1 000 < 1 000 < 900 < 800 < 500 < 100
收稿日 期 : 2004 05 25
QIAN Shu_hua1 , MA Bao_ling2 , HUANG Bai_yu3 , LI Xue_wei4 ( 1. The Central Heating Company of Jixi, Jixi l58100, China; 2. Harbin Institute of Coal Mine Machinery Research, Harbin 150036, China; 3. Tiemei Group M achinery Plant, Diaobingshan 112700, China; 4. Pingdingshan Coal Mine Machinery Factory, Pingdingshan 467001, China)
1
高速切削 m min1
超高速切削 m min1
1 000~ 8 000 1 000~ 7 000 900~ 5 000 800~ 3 000 500~ 2 000 100~ 1 000
> 8 000 > 7 000 > 5 000 > 3 000 > 2 000 > 1 000
图 1 Carl Salmon 曲线 Fig. 1 Curve of Carl Salmon
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煤
矿
机
械
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文章编号 : 1003 0794( 2004) 07 0080 03
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苏 发 , 李文双 , 孙洪江 , 胡金平 ( 黑龙江科技学院 , 黑龙江 哈尔滨 150027)
摘 要 : 论述了超高速切削理论、 特点及应用 , 介绍了超高速切削所涉及的关键技术, 指出了 该项技术是具有优质 、 高效和低耗的先进制造技术 , 是未来切削加工的方向和时代发展的产物 , 前 景广阔。 关键词 : 超高速切削加工 ; 先进制造技术; 关键技术 中图号 : TG51 66 1 超高速切削速度的范围及理论 1 1 超高速切削速度的范围 对于不同的加工工序 , 超高速切削速度( 指刀具 切削处的切削线速度 ) 也不同 ( 见表 1) 。
参考文献 :
[ 1] 张安全 . 热处理加热时间的探讨 [ J] . 金属热处理 , 1980, ( 12) : 536 HB270 HB276 HB290 61. [ 2] 李安铭 . 液压 支柱缸 体 零 保温 热处理 工艺的 研究 [ J] . 煤矿 机 械 , 2003, ( 3) : 44- 45. [ 3] 孟繁盛 . 60Si2Mn 钢 零保温 淬火工艺 的试验研 究 [ J ] . 阜新矿 业 学院学报 , 1994, ( 10) : 64- 68. 作者简介 : 钱书华 ( 1970- ) , 吉林磐石人 , 1994 年毕业于原黑 龙 江矿业学院机械制造工艺与设备专业 , 发表论文数篇 .
1 HB270 HB282 HB291
2 HB271 HB279 HB287
3 HB264 HB281 HB282
4 HB265 HB275 HB280
5 HB273 HB287 HB281
通过此次热处理工艺性试验 , 确定当硬度值要 求为 HB240~ 280 时 , 40MnB 钢调质热处理规范如图 3 所示。
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苏 发, 等
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( 2) 超高速主轴单元制造技术 目前 , 超高速加工机床的主轴的变速范围完全 由新型的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 电主轴 。在高速主轴 部件上必须采用高速精密轴承。现在有 2 种适宜用 于超高速运转的新型轴承 陶瓷滚动轴承和磁浮轴 承。 ( 3) 超高速加工进给单元制造技术 目前, 高速加工中心和 NC 铣床工作台的进给 速度和快速空行程速度都已很高 , 因而对进给部件 的动态特性提出了非常高的要求。其主要措施是大 幅度减轻移动部件重量以及采用新开发的多头螺纹 行星滚珠丝杠, 有的甚至采用了直线电机, 省去了中 间传动件。 ( 4) 超高速加工用刀具 超高速切削刀具是实现超高速加工的关键技术 之一。超高速加工用刀具单元技术所涉及的关键技 术主要有 : 超高速加工用刀具材料及制备技术 , 超高 速加工用刀具结构及刀具几何参数的研究等。 超高速加工刀具必须与工件材料有较少的化学 亲和性, 具有优良的机械性能、 热稳定性、 抗冲击和 热疲劳特性。常用的材料主要 有超细晶粒硬 质合 金、 聚晶金刚石 ( PCD) 、 立方 氮化硼 ( CBN) 、 氮 化硅 ( Si3 N4 ) 陶瓷材料、 混合陶瓷和碳 ( 氮) 化钛基硬质合 金以及用气相沉淀法的超硬材料涂层刀具等。 对于超高速切削用刀具 , 其结构设计和刀具的 装夹结构是非常重要的。为了使刀具具有足够的使 用寿命和低的切削力, 刀具的几何角度必须选择最 佳数值。超高 速切削各种工件 材料时刀具最 佳前 角、 最佳后角的推荐值如表 3 所示。
Study on capability about quenching technology of 40MnB
Abstraet : In the producing practice, it is required to substitute 40MnB steel for the 40Cr or 45 steel, and there is a 1ittle theoretical data of detailed high temperature t emper about the 40MnB. The paper introduteБайду номын сангаас the experiment of the high temperature temper of the 40MnB steel, the experiment proved, through technical processing of two times regulating quali ty, it s all indexes of capability could satisfy the demand of the producing pract ice. The pract ice has proved that the sub stitution capability have been being very well. Key words: quench; high temperatute temper; hardness; regulating quality
文献标识码: A 对于不同的被加工材料 , 超高速切削速度范围 如表 2 所示。 1 2 超高速切削理论 超高速切削的理论是由德国 Carl Salmon 博士, 在 1931 年 4 月提出的 , 图 1 为 Carl Salmon 曲线。在 A 区 ( 常规切削区 ) , 切削速度 t 随切削温度 v 的提 高而升高, 但 是在 B 区 ( 不 可用切削区 ) , 当速度 v 增大到某一数值 v 0 后 ( v 0 的大小同工件材料的种类 有关) , v 再增大, t 反而下降了。由于在这个区域, 3 结语 通过此次热处理工艺性试验确定 了 40MnB 钢 的调质规范后 , 40MnB 开始被大量使用, 至今已代料 近百吨未发生任何质量问题 , 这证明此次试验确定 的 40MnB 钢调质 规范是正确的。 40MnB 钢的使用 扩大了钢材采购面, 解决了其他钢种没有库存且采 购不到的燃眉之急, 为保证公司产品的正常生产做 出了重大贡献。
表1 各种加工方法的超高速切削速度 T ab.1 Ultra_rapid cutting speed of each kind machining method
加工方式 切削速度 m m in- 1 700~ 7 000 300~ 6 000 200~ 1 100 30~ 75 20~ 500 50~ 500 5 000~ 1 000 车削 铣削 钻削 拉削 铰削 锯削 磨削
右。 2 2 超高速切削的应用领域 ( 1) 大批量生产领域 , 如汽车工业。 ( 2) 工件本身刚度不足的加工领域 , 如航空航天 工业产品或其他某些产品。薄壁件的加工 , 在常规 切削条件下 , 由于切削力大, 工件变形大 , 薄壁件是 较难加工的 , 采用超高速切削, 易保证加工质量。特 别是铝的薄壁件加工目前已经可以切出厚度为 0 1 mm、 高为几十毫米的成形曲面。大部分飞机上的零 件通常采用 整体制造法 , 即在整体上 掏空 加工 以形成多肋薄壁构件, 其金属切除量相当大, 是采用 超高速切削来加工的。 ( 3) 加工复杂曲面领域, 如模具制造业。模具型 腔加工过去一直为电加工所垄断 , 但其加工效率低。 而超高速加工切削力小, 可淬硬 HRC60 的模具钢, 加工表面粗糙度值又很小 , 浅腔大曲率半径的模具 完全可用高速铣削来代替电加工 ; 对深腔小曲率的, 可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工 , 电加工 只作为精加工。这样可使生产效率大大提高 , 周期 缩短。 ( 4) 难加工材料领域, 如 Ni 基高温合金 ( Inconel 718) 和 T i 合金 ( T i- 6Al- 4V) , 常用来制造发动机零 件。因它们很难加工, 如采用超高速加工 , 则可大幅 度提高生产效率、 减小刀具磨损、 提高零件的表面质 量。再如纤维增强复合材料的加工, 切削时对刀具 有十分严重的刻划作用 , 刀具磨损非常快 , 用聚晶金 刚石 PCD 刀具进行超高速加工, 可防止出现 层间 剥离 , 效率高、 质量好。又如塑料的轮胎型芯加工, 用传统方法( 手工 ) 需十几道工序 , 在制时间 20 d 以 上 , 也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求 , 采用超高 速铣削, n0 = 18 000 r min, a p = 2 mm, v f = 10 m min, 在制时间仅 24 h 就完全达到了工艺要求。 ( 5) 超精密微 细切削加工领域 , 日本的 FANUC 公司和电气通信大学合作研制了一种超精密铣床, 其主轴转速达 55 000 r min, 可用切削方法实现自由 曲面的微细加工, 它的生产率和相对精度均超过了 光刻技术。 3 超高速切削加工的关键技术 ( 1) 超高速切削机理 在超高速切削机理研究方面 , 特别需要进行的 工作是 : 通过对各种材料的超高速切削加工机理、 各 种新型刀具的超高速加工性能以及超高速切削工艺 参数优化的系统性研究 , 将实验研究与计算机仿真 方法相结合, 最终建立完善的基础理论体系和加工 工艺参数数据库, 还要利用虚拟现实技术 , 开发超高 速切削的计算机动画、 视觉及预测仿真软件, 以揭示 超高速切削的内在规律。