高速切削加工技术的特点及应用要求_熊建武

10 期
熊建武, 等: 高速切削加工技术的特点及应用要求
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的 ( 4~ 5) 倍。在 RB625超高速外圆磨床上由毛坯 直接磨成曲轴, 每分钟可磨除 2 kg 金属, 是普通外 圆磨床的磨削量的数十倍。
( 2) 刀具和工件受热影响小。 95% ~ 98% 的切 削热被切屑带走, 工件基本保持冷态。实验证明当 切削速度超过 600 m /m in后, 切削时工件温度的上 升在大多数情况下不会超过 3e , 故特别适合加工 易产生热变形的零件。
Characteristics and Apply R equest of H igh Speed M achining Technology
XIONG Jianw u, ZHOU Jin* , CHEN X iangshun
( D epartmen t ofM ach in e and E lectricity E ngineering, H unan R ai lw ay Profess iona-l Techno logy C ollege, Zhuzhou 412001)
( 3) 工件表面质量好。由于切屑在瞬间切离工 件, 使得工件表面的残余应 力非常小; 同时由于高 速切削机床的激振频率远远高于机床 的高阶固有 频率, 使得工件加 工往往处 于 / 无振动 0的 切削状 态, 因而能获得较好的表面质量。采用高速车削可 加工淬硬钢, 表面粗糙 度 Ra 可低于 0. 6 Lm; 以 1 325 m /m in的速度铣削灰铸铁 工件, 获得的表面粗 糙度 Ra仅为 0. 53 Lm, 取得了以铣代磨, 以车代磨 的加工效果, 节约了大量磨削抛光时间。
2 高速切削加工的特点
高速切削加 工与传统的切 削加工主要区 别在 于主轴转速、进给速 度、加工速 度和切削参数 等方 面。高速切削加工采用高 转速、快进 给、快的 加工 速度和小切削参数; 而传统数控 加工采用低转速、 低进给、低的加工速度和大切削参数。高速切削加 工具有下列特点 [ 1, 2] 。
3 高速切削加工技术的应用要求
高速切削加工时, 高转速和快进给, 机床设备、 工件和切削刀具的状态与普通切削加 工时差异很 大, 对机床、刀具、控制系统、编 程、工艺流 程、设计 系统等都有更高的要求 [ 3, 4] 。 3. 1 高速切削加工对机床的要求
( 1) 机床的功率必须足够大, 而且主轴加速度 大, 以满足在加工时对机床功率速度变化的需求。
文献标识码 A
1 高速切削加工
高速切削加工 ( H SM 或 H SC ) 的概念源于德国 的切削物理学家萨洛蒙 ( Carl J. Sa lom on) [ 1] , 认为一 定的工作材料对应有一个临界切削速度, 其切削温 度最高。在常规切削范围内, 切削温度随着切削速 度的增大 而提高, 当 切削速 度到 达临界 切削 速度 后, 切削速度再增大, 切削温度反而下降, 切削力也 会大幅度下降。按照他的假设, 在具有一定速度的 高速区进行切削加工, 会有比较低的切削温度和比 较小的切削力, 不仅有可能用现有的刀具进行超高 速切削, 从而大幅度地减少 切削时间, 成倍地提高 机床的生产率, 且还将给切削过程带来一系列的优 良特性。
m in; 铣削 ( 300~ 6 000) m /m in; 钻削 ( 200 ~ 1 100) m /m in; 磨削 ( 9 000 ~ 21 600) m /m in。按材料划定 高速切削 范围: 镍 基合 金 70 m /m in 以 上, 钛合 金 120 m /m in以上, 钢材 380 m /m in以上, 铸铁 700 m / m in以上, 铝材 1100 m /m in以上, 塑料 1 150 m /m in 以上。
第 6卷 第 10期 2006年 5月 1671- 1815( 2006) 10- 1404- 03
冶金学
科学技术与工程
Science T echno logy and Eng ineering
V o .l 6 No. 10 M ay 2006 Z 2006 Sc.i T ech. Engng.
高速切削加工技术的特点及应用要求
( 2) 机床必须配备结构紧凑的 高速主轴, 高速
进给丝杠, 高速、高精度的插补系统, 快速响应数控 系统和高精度的 伺服系统。主 轴的轴向窜动 和径 向跳动小, 并具有良好的动平衡性能。
( 3)机床必须配备实心的台架, 有效 消除切削 加工振动, 提高机床的稳定性。
( 4)机床伺服电动机线速度高, 并且 能提供恒 定的速率, 速度变化不超过 0. O1% 。
( 4) / 有利 于薄壁零 件加工 0。 由于切 削速度 高, 切削参数小, 切削力降低 30% ~ 90% , 尤其是径 向力大幅减小, 特别适用于薄壁细肋件的高速精密 加工。国外采用数控 高速切削加工技 术加工铝合 金、钛合金薄壁零件的最小壁厚可达 0. 005 mm。
( 5) 高速切削可加工各种难加工材料。对于镍 基合金和钛合金使用传统加工 方法, 切 削温度高, 刀具磨损严重, 而采用高速 切削加工, 切削速度可 达 ( 100- 1 000) m /m in, 可有效减少刀具磨损, 提高 加工质量。对于硬脆材料和高塑性材料, 采用高速 切削加工亦可得到较满意的加工质量。
高速切削加工刀具的材料, 必须具有较长的使 用寿命。常使用涂层刀具, 如 T iN、T iNC、T iA lN 及金 刚石涂层刀具。因 PCD 和 CBN 刀具的高耐磨性和 寿命, 常用作高速切削加工刀具。 3. 3 高速加工对切削参数的要求
高速加工的切削参数宜采用更高的切削速度, 精加工时更少的加工余量, 更密的刀轨以及更小的 切深, 特别是 在自由 曲面上, 切深一般 在 ( 0. 02~ 0. 1) mm, 如果使 用细小直径刀具, 如 ( 0. 3 ~ 0. 8 ) mm 直径的刀具时, 切深应 更小, ) 般情况下为 ( 0. 008~ 0. 02) mm, 精细紧密的刀轨会极大地降低加 工表面的粗糙度值。在主轴转速一定的情况下, 要 注意控制切削深度, 包括刀具的轴向切削深度和刀 具的径向切削 深度。粗加 工, 使用轴 向小切深, 多 次分层切削出加工余量, 精加工, 小余量高速切削。
( 1)高速切削大大提高了加工效率, 缩短了加 工时间。与传统切削方法相比, 高速切削进给速度 提高 ( 5~ 10) 倍, 单位时间的材料切除率提高 ( 3~ 6) 倍, 甚至更高, 大大提高了能源和设备的利用率; 而且粗加工, 半精加工和精加工可在一台机床一次 完成, 避免多次装夹 产生的安装误差, 极大地 提高 了加工精度。美国洛克希德飞 机公司在高速 铣削 铝合金时, 当主轴转速从 4 000 r /m in提高到 20 000 r/m in时, 材料切除率增加 3 倍, 单位功率的材料切 除率可达到 ( 130~ 160) cm3 /m in# kW, 是普通铣削
熊建武 周 进* 陈湘舜
( 湖南铁道职业技术学院机电工程系, 株洲 412001)
摘要 高速切削加工 是一种高效、高质、高精度低能耗的 新型加 工方法。高 速切削 加工技 术的有 效运用, 对机 床、刀具、控制
系统、编程、工艺流程、设计系统等都有更高的要求。
关键词 高速切削加 工 特Fra Baidu bibliotek 应用要求
中图法分类号 TG 506. 1;
刀具路径连接参数也很重要, 合理制订连接参 数, 特别是粗加工合 理的连接参数, 可以大大 减少 不必要的抬刀, 提高 加工效率, 应尽量减少掠 过距 离、下切距离和斜向进刀时的进刀高度。 3. 4 高速加工对编程的要求
选择合适的走刀方法, 克服因改变进给方向时
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科学技术与工程
6卷
机床惯性对加工 质量的影响, 以生成安全、有效和 精确的刀具路径和理想 的曲面精度。尽量在空走 刀的时候换向, 不在切削刀具处于切削状态的时候 改变方向, 且在改变进给 方向之前降低 进给速度。 在两层之间加工最好选择螺旋线的方 式进行铣切 的方式, 尽量不要直接下刀。在加工型腔等特殊形 状时, 由于刀具没有办法导出, 因此, 在编程时转角 部分应尽 量采用 圆弧过 渡, 以使 转向变 得尽 量平 稳。如果能在转角的时候适当降低进给速度, 效果 就会更好。刀具在工件内部进刀时, 应该始终以螺 旋线或最大角度 5b的斜线进刀。
对于高速铣削, CAM 必须 更改其加工策略, 以 生成安全、有效和精确的刀具路径及理想的曲面精
度。因此, 在加工过程中认真地考虑每个加工因素 是非常重要的, 最好是所使用的 CAM 系统具有这样 的分析功能。此外, 自动特征识别、高速加工支持、 进给速率优化、自动收集最佳惯量等功能均是应该 具备的, 其他还有以下几个方面要求:
( 1) CAM 应具有很高的计算编程速度, ( 2)能够对加工干涉进行检验, ( 3)具有进给率优化功能, ( 4)具有符合加工要求的丰富的加工策略, ( 5)应保持刀具轨迹的平稳, ( 6)应具有自动识别粗加工剩余材料的功能, ( 7)具有高速精确的模拟加工功能。
4 结语
高速切削加工技术是现代的先进制造技术, 它 可以大幅度地提高生产效率和加工质量, 并有效地 降低能耗和加工 成本。高速切 削加工技术的 有效 运用, 对机床、刀具、控制系统、编程、工艺流程、设 计系统等都有更高的要求。
第一作者 简介: 熊建武 ( 1964) ) , 男, 湖南安 化县人, 工学硕 士, 高级工程师、副教授, 研究方向: 模具设计与精密切削。 * 通讯作者简介: 周 进 ( 1965) ), 女, 湖 南南县 人, 高 级讲师, 研 究方向: 计算机应用与机电工程。 E-m ai:l x iongj ianwu2006@ 126. com; xiong jianwu@ yahoo. com. cn。
参考文 献
1 艾兴. 高速切削加工技术. 北京: 国防工业出版社, 2003 2 张伯霖. 高速切削技术及应用. 北京: 机械工业出版社, 2002 3 聂福全. 现代高速加工的特点及要求. 现代零部件, 2005; ( 1 ) : 4 林宋, 田建君. 现代数控机床. 北京: 化学工业出版社, 2003
( 5)机床数控系统必须具备程序预读、转角自 动减速、优化插补、可适用于通用计算平台等功能, 如西门子 840D /840E, FANUC150 i等系统。 3. 2 高速切削加工对刀具的要求
高速切削加 工刀具的结构 必须保证高速 旋转 状态下的刀具动平衡, 并确保刀具寿命。为保证高 速旋转状态下刀具能够绕轴线稳定旋转, 目前采用两 种办法, 一是采用带有动平衡装置的刀具, 此类刀具 在刀套表面安装了机械滑块或采用流体动平衡设计; 另外一种就是采用整体刀具, 刀套与刀体合为一体, 以确保刀体与刀套安装过程中安装间隙最小。
另外, 编制工 艺流程时, 要尽量保持 切削条件 恒定。因为, 不同 刀具 载荷 能够 引起刀 具产 生偏 差, 这会降低工 件精度、曲面精度和刀 具寿命。在 双向加工中, 连续的刀路轨 迹应用圆环连 接, 在加 工矩形转角时, 应尽可能地减少加速和减速。 3. 5 高速切削加工对 CAD 的要求
高速切削 加工过程始于设 计阶段。在零件建 模时, 设定适当的几何公差, 或恰当的剪裁曲面, 以 防止数据转换丢失而造成表面的分段、断裂和轮廓 错误。采用能实现 CNC 与 CAD /CAM 之间双向无 缝连接的曲面数据转换标准, 如 1997年欧共体提出 的新标准 STEP, 消除数据不兼容情况。 3. 6 高速加工对 CAM 的要求
高速切削加工不 能简单地用某一 具体的切削 速度值来定义, 但是, 通常把切削速度比常规高出 5 ~ 10倍以上的切削加工叫高速切削加工。按加工 工艺规定的高速切削范围: 车 削 ( 700~ 7 000) m /
2006 年 2 月 3日收到 湖南铁道职业技术学院科研规划项目 ( 湖 铁院 办 [ 20 04 ] 3 6 号、[ 2 004 ] 72 号 )资助