HSM 基础知识介绍(高速铣削)
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XSM specs
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标准轴:
Y 进给速度
= 损失时间 + = 加工表面差 = 刀具磨损大 -α
+X 不良的进给 条件
X进给速度
+α
+Y
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高加速度的运动轴:
Y进给速度
= 降低了损失的时间 = 较好加工表面 = 刀具磨损少
+X 不良的进给 条件
X进给速度
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。
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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。
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刀具主要参数:
Vc
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
•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。
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有关动平衡
G U e M
r u
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。
6 8 10 12 16
4 4 4 4 4
45 45 45 45 45
0.020 0.027
6.00 8.00
3.00 4.00 5.00 6.00 8.00
2120 1590 1270 1190 900
170 170 170 190 190
3'100 5'400 8'500 13'700 24'300
e
• 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。 • 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。
机床的重要指标
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
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高速运动轴:
• 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。
• 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） • 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.
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高速铣(HSM) 成功因素 1:
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
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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
高速铣削(HSM) 和 高性能铣削(HPM)
HSM
Ø
[mm]
z
[-]
vc
[m/min]
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12 1
10
7
3
2
6
5
主轴的截面图
4
1 Hybrid Ceramics Bearings 2 Hybrid Cylindrial Roller Bearing 3 Stator High Power Induction Motor 4 Labyrinth with Protecting Air Flow 5 Analog Sensor System 6 Encoder for CLS HCB ( 陶瓷轴承 ) HCRB ( 径向滚针轴承) HPIM ( 马达定子 ) PAF ASS CLS
+Y 只有聚合物大理石能吸收如此高强度冲击
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高速铣(HSM) 成功因素 4 :
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.
传统切削
切削线速度 vc [m/min]
n
vc *1000 D
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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。
高速切削的现象:
工件 材料金相组织 . 切剪区 . 高速铣切剪角 熔化区 . 普通铣切剪角
切屑金相组织 .
铣刀
. 正面 正面 铣刀 . 刀具侧面 . 工件
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
Vf
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
Vf: 进给速率
n / Vf = Optimum Fz n / Vf > Optimum Fz n / Vf < Optimum Fz 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)
优点:
- 监测振动 - 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)
Kuppler Coupler Steuerung Control system
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高速铣(HSM) 成功因素 3 :
本质:
运动轴 高动态特性
对高速铣的一些误解和错误概念…
•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 •…
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高速铣削是 一种新的技术: 一种新的理念:
高 速 动 态特性 运 动轴
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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
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• 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
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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 )
高速铣 刀具
高 速主轴
高 速CNC
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。
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高速切削的现象:
1600 1400 钢 1200 废屑温度 [°C] 铸铁 1000 800 600 400 200 传统切削 0 0 100 200 300 400 500 600 有色金属 高速切削 有效区域 切削力 [N] 1200 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 300 400 500 切削线速度 vc [m/min] 600 高速切削 有效区域
主轴转速 [min-1]
2 种类型:
• 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) 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.
HPM HSM
0.033 10.00 0.040 12.00 0.053 16.00
粗加工刀- 硬淬钢 >55 HRC
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因高速旋转的缘故:
普通铣切剪角
高速铣切剪角
熔化区 .
•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。
正面 铣刀 . 刀具侧面 . 工件
9 8
7 Oil air line for DLS 8 Hydraulic Preload System 9 Temperature Monitoring System 10 Acceleration Sensor 11 Coolant Through Unit 12 Axial Movement Sensor
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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
3R DAMPING 夹头
普通装夹
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使用 3R DAMPING 夹头
High-speed tooling:
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高速铣刀具:
刀柄 很多选择,用途不同
A
= 很好 = 好 = 一般 = 差 应用
B
成本 (包括附加装置)
加工时刀具的伸缩
径向跳动
径向刚性
可操作性
转换瞬间
半精加工
A. 弹簧夹头 B. 液压拉紧 C. 强力收缩 D. 加热收缩
fz
[mm]
ap
[mm]
ae
[mm]
n
[min-1]
vf
Q
[mm/min] [mm3/min]
6 8 10 12 16
4 4 4 4 4 z
[-]
120 120 120 120 120 vc
[m/min]
0.10 0.10 0.10 0.12 0.14 fz
[mm]
0.60 0.80 1.00 1.20 1.50 ap
[mm]
0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 ae
[mm]
6370 4770 3820 3180 2390 n
[min-1]
2550 1910 1530 1525 1340 vf
1'224 1'375 1'530 2'013 2'412 Q
HPM
Ø
[mm]
[mm/min] [mm3/min]
同样能使刀具的寿命更长 (= 运营成本降低)
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高速铣(HSM) 成功因素 2 :
本质:
高速主轴
机床的重要指标
高速主轴 象 F1 赛车的引擎: 高转速 & 高功率
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高速主轴的制造商
标准控制主轴 矢量伺服控制主轴
50
42,000
50
42,000
主轴转速 [min-1]
速度极限
灵活性
粗加工
精加工
D
Байду номын сангаас
D
C
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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
本质:
高速刀具
最终对零件 实施切削 并非是机床 而是刀具!!
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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…)
11
DLS ( 油雾润滑回路 ) HPS ( 液压锁紧系统 ) TMS ( 温度监视系统 ) AS ( 加速度传感器 )
( 气路密封回路 ) ( 模拟量传感器 ) ( 编码器 )
CTU ( 冷却回路单元 ) AMS ( 轴运动传感器)
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Smart Monitoring
加速度传感器用于监视主轴振动 Vibro Set™
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标准轴:
Y 进给速度
= 损失时间 + = 加工表面差 = 刀具磨损大 -α
+X 不良的进给 条件
X进给速度
+α
+Y
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高加速度的运动轴:
Y进给速度
= 降低了损失的时间 = 较好加工表面 = 刀具磨损少
+X 不良的进给 条件
X进给速度
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。
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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。
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刀具主要参数:
Vc
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
•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。
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有关动平衡
G U e M
r u
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。
6 8 10 12 16
4 4 4 4 4
45 45 45 45 45
0.020 0.027
6.00 8.00
3.00 4.00 5.00 6.00 8.00
2120 1590 1270 1190 900
170 170 170 190 190
3'100 5'400 8'500 13'700 24'300
e
• 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。 • 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。
机床的重要指标
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
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高速运动轴:
• 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。
• 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） • 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.
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高速铣(HSM) 成功因素 1:
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
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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
高速铣削(HSM) 和 高性能铣削(HPM)
HSM
Ø
[mm]
z
[-]
vc
[m/min]
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12 1
10
7
3
2
6
5
主轴的截面图
4
1 Hybrid Ceramics Bearings 2 Hybrid Cylindrial Roller Bearing 3 Stator High Power Induction Motor 4 Labyrinth with Protecting Air Flow 5 Analog Sensor System 6 Encoder for CLS HCB ( 陶瓷轴承 ) HCRB ( 径向滚针轴承) HPIM ( 马达定子 ) PAF ASS CLS
+Y 只有聚合物大理石能吸收如此高强度冲击
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高速铣(HSM) 成功因素 4 :
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.
传统切削
切削线速度 vc [m/min]
n
vc *1000 D
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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。
高速切削的现象:
工件 材料金相组织 . 切剪区 . 高速铣切剪角 熔化区 . 普通铣切剪角
切屑金相组织 .
铣刀
. 正面 正面 铣刀 . 刀具侧面 . 工件
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
Vf
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
Vf: 进给速率
n / Vf = Optimum Fz n / Vf > Optimum Fz n / Vf < Optimum Fz 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)
优点:
- 监测振动 - 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)
Kuppler Coupler Steuerung Control system
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高速铣(HSM) 成功因素 3 :
本质:
运动轴 高动态特性
对高速铣的一些误解和错误概念…
•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 •…
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高速铣削是 一种新的技术: 一种新的理念:
高 速 动 态特性 运 动轴
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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
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• 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
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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 )
高速铣 刀具
高 速主轴
高 速CNC
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。
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高速切削的现象:
1600 1400 钢 1200 废屑温度 [°C] 铸铁 1000 800 600 400 200 传统切削 0 0 100 200 300 400 500 600 有色金属 高速切削 有效区域 切削力 [N] 1200 1000 800 600 400 200 0 0 100 200 300 400 500 切削线速度 vc [m/min] 600 高速切削 有效区域
主轴转速 [min-1]
2 种类型:
• 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) 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.
HPM HSM
0.033 10.00 0.040 12.00 0.053 16.00
粗加工刀- 硬淬钢 >55 HRC
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因高速旋转的缘故:
普通铣切剪角
高速铣切剪角
熔化区 .
•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。
正面 铣刀 . 刀具侧面 . 工件
9 8
7 Oil air line for DLS 8 Hydraulic Preload System 9 Temperature Monitoring System 10 Acceleration Sensor 11 Coolant Through Unit 12 Axial Movement Sensor
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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
3R DAMPING 夹头
普通装夹
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使用 3R DAMPING 夹头
High-speed tooling:
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高速铣刀具:
刀柄 很多选择,用途不同
A
= 很好 = 好 = 一般 = 差 应用
B
成本 (包括附加装置)
加工时刀具的伸缩
径向跳动
径向刚性
可操作性
转换瞬间
半精加工
A. 弹簧夹头 B. 液压拉紧 C. 强力收缩 D. 加热收缩
fz
[mm]
ap
[mm]
ae
[mm]
n
[min-1]
vf
Q
[mm/min] [mm3/min]
6 8 10 12 16
4 4 4 4 4 z
[-]
120 120 120 120 120 vc
[m/min]
0.10 0.10 0.10 0.12 0.14 fz
[mm]
0.60 0.80 1.00 1.20 1.50 ap
[mm]
0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 ae
[mm]
6370 4770 3820 3180 2390 n
[min-1]
2550 1910 1530 1525 1340 vf
1'224 1'375 1'530 2'013 2'412 Q
HPM
Ø
[mm]
[mm/min] [mm3/min]
同样能使刀具的寿命更长 (= 运营成本降低)
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高速铣(HSM) 成功因素 2 :
本质:
高速主轴
机床的重要指标
高速主轴 象 F1 赛车的引擎: 高转速 & 高功率
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高速主轴的制造商
标准控制主轴 矢量伺服控制主轴
50
42,000
50
42,000
主轴转速 [min-1]
速度极限
灵活性
粗加工
精加工
D
Байду номын сангаас
D
C
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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
本质:
高速刀具
最终对零件 实施切削 并非是机床 而是刀具!!
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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…)
11
DLS ( 油雾润滑回路 ) HPS ( 液压锁紧系统 ) TMS ( 温度监视系统 ) AS ( 加速度传感器 )
( 气路密封回路 ) ( 模拟量传感器 ) ( 编码器 )
CTU ( 冷却回路单元 ) AMS ( 轴运动传感器)
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Smart Monitoring
加速度传感器用于监视主轴振动 Vibro Set™