高速机床与高速切削在现代机械加工中的应用

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高速机床与高速切削在现代机械加工中的应用

T he A pp licati on of H igh2sp eed M ach ine Too l and H igh2sp eed Cu tting in M odern M ach in ing

江苏大学机械工程学院(212013)　宋昌才

【摘要】高速切削(H SC)、硬切削和干切削被认为是当今切削加工中3项最具发展前景的技术,

受到人们普遍重视。世界机床行业功能部件发展迅速、单元技术水平不断提高,技术开发朝着

高速、高效、环保、智能化、机床功能的复合化方向发展。探讨了高速机床的相关系统、高速刀具

系统、高速切削可以实现的目标、高速切削的应用和高速切削需要解决的问题等。

关键词　高速机床　高速切削　机械加工

Keywords　h igh2sp eed m ach ine too l,h igh2sp eed cu tting,m ach in ing

上世纪末,高速加工(H S M)或高速切削(H SC)

成为国际机械制造业最热门话题。所谓“高速切削”,

一般不能简单地用某一具体切削速度值来定义。在

不同技术发展年代,对不同的切削工序和切削条件,

用不同切削刀具和加工不同材料,其经济合理的切

削速度范围是不一样的,而且这个范围总是随着超

硬、耐磨、长寿命刀具材料的发展而不断提高,通常

是把采用比常规切削速度高得多(一般为5～10倍)

的切削加工称为高速切削,例如当切削速度对钢材

达到380m m in以上、铸铁700m m in以上、铜材

1000m m in以上、铝材1100m m in以上、塑料

1150m m in以上时,称为高速切削,满足高速切削

要求的加工中心,才可称为高速加工中心[1]。表1为

现阶段高速切削技术水平[2]。

表1　现阶段高速切削技术水平

铣削CBN 铣削灰铸铁

PCD铣削铝合金1000～2000m m in 3000～4000m m in

车削CBN车削淬火钢(HRC60)

CBN车削灰铸铁刹车盘

氮化硅陶瓷车削灰铸铁

100～200m m in

700～1000m m in

500～700m m in

钻削整体硬质合金钻头钻灰铸铁100m m in

攻丝钴高速钢丝锥加工可锻

铸铁(M14×1.5)61m m in

滚齿硬质合金滚刀加工16M nC r5

金属陶瓷滚刀加工16M nC r5

350m m in

600m m in

采用高速切削,不仅能有效提高生产率、缩短切削时间和产品制造周期,还有许多其他优点:如工件 刀具和机床上的切削力减小,工件温升和热变形小,从而可以进行薄壁件加工;尺寸精度提高;表面粗糙度降低;毛刺减少;需用刀具种类较少;装夹简便;排屑较好;免掉许多既费工又费时的后序人工修理等,这对提高产品质量、提高企业市场竞争力具有十分重要的意义,特别是对那些经常需以整块材料镂铣成具有复杂型面零件的加工行业,如模具和航空、航天等行业,更是如此。

高速切削加工的实现,不仅要有超硬耐磨刀具,还需有能提供主轴高转速和高进给率的高刚度机床。前者由于新型刀具材料,如陶瓷、涂层、聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)等刀具的研制成功和发展,新型刀具对各种加工材料的经济合理切削速度已有巨大提高。开发适应高速切削的机床成为当前机床领域的热点。

高速切削的必备硬件——高速机床

高速切削机床的开发与研究,主要集中在高速主轴系统、高速进给系统、机床总体结构的改进、高性能的数控系统等几个方面。

对高速加工对机床的要求:主轴速度应能达到12000～40000r m in;进给速度应达40～60m m in;快速移动速度达80m m in;加速度为1g;高刚性的机械结构;高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴;精确的热补偿系统;高速处理能力的控制系统(具有NU RB S插补功能和预处理能力的控制系统)。

1.高速主轴系统

高速主轴系统采用机电一体化的主轴,即所谓电主轴。现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体,主轴箱成为电机的定子,而主轴则是电机的转子,它夹持刀具并支承在前、后轴承上。采用电子传

感器控制温度,自有的水冷或油冷循环系统,使主轴在高速下成为“恒温”。由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。采用电主轴,免去了皮带轮、齿轮箱等中间环节,其主轴转速可以轻而易举地达到0～42000r m in,甚至更高,噪声、振动源消除,主轴自身的热源也消除了。例如瑞士米克朗(M ik ron)公司采用本集团“Sw iss Step2T ec”公司生产的电主轴,这种电主轴采用了特别的、最先进的矢量式闭环控制、动平衡较好的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷轴承,可以随室温调整的温度控制系统,以确保主轴在全部工作时间内温度恒定[3]。

主轴转速必须符合实际工程加工需要,这不仅是由技术可行性和安全性来设定,而且还由刀夹系统、切削刀具加 减速度、工艺的柔性以及主轴刚性(即主轴轴承上的预负载)等来设定。综合考虑15000～20000r m in范围内的转速较合适,较高的转速只能在某些情况下,如加工轻金属合金零件或在模具制造中较为适合。主轴转速10～42000r m in时,刀具必须采用H SK型刀柄,外加动平衡,刀具的长度不能超过120mm,其直径不能超过516mm。

最新设计是把主轴做成与主轴孔通配的选购件,与机床分开,更换主轴就像更换铣床铣刀一样方便,可使机床成本大大降低。例如意大利FA E M A T 公司生产的各种内藏式高速主轴,转速3000～120000r m in,用于数控加工中心机、车床、铣床、磨床、专用机等,以现有设备做多样化、多功能加工,如凸轮、孔径的研磨及铝合金高速铣削。另有FA2CU 型自动换刀系列高速主轴,速度可由3000～6000 r m in,功率0.33～35k W,适用刀柄有B T、ISO、D I N69871及H SK,可直接安装于CN C机床上,这样可使现有机床发挥最大效益。高速主轴在获得较低表面粗糙度方面,明显优于典型传动系统,在相等功率下,高速主轴外观尺寸及重量明显减小,极大地降低了Z轴负荷。由于能够以连续微调方式改变转速,能在整个加工过程中即时控制切削速度而获得最大加工效率。搭配变频器使用能与机床数字控制做完美连接,或者它可由机床操作者直接使用而不降低其品质与机能。FA E M A T高速主轴应用范围很广,航空工业、汽车工业、机床、玻璃制造、木工制造、大理石制造业等均有广泛使用。

2.高速进给系统

在进给传动轴上采用直线电机,或采用平行机构的高速机床,进给速度有了很大提高,由于新式高速机床还不能充分解决承受推力和重载荷问题,因而采用传统滚珠丝杠实现高速进给仍很普遍。日本精工已研制出进给速度达100m m in的滚珠丝杠,采取改进措施有:采用16～32mm大导程、加强滚珠循环部分零件,采用多头螺纹以增加有效圈数、改进滚道形状等,从而实现超高速、高刚度以及高承载能力。有的公司为了降低成本,未采用直线电机,而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杠,如日本东芝机械采用中空通冷却液的双滚珠丝杠来增强传动刚度。

利用直线驱动装置可以很容易地达到小于1Λm s或高达5m s的速度,直线驱动系统可以保证恒定的速度特性,速度偏差优于±0.01%。在需要较高加速度的应用中,较小的直线电机可以方便地提供大于10g的加速度,而传统电机一般产生的加速度在1g范围内,直线驱动电机的精度只受反馈分辨率、控制算法及电机结构的限制。

机床普遍采用了线性滚动导轨,代替以往的滑动导轨,其移动速度、摩擦阻力、动态响应甚至阻尼效果都发生了质的改变,用手一推就可以将几百千克重的工作台推动。其特有的双V型导轨结构,大大提高了机床抗扭能力;同时由于磨损近乎为零,导轨精度与寿命较以往提高几倍。又因为配合使用数字伺服驱动电机,其进给和快速移动速度已经从过去最高的6m m in,提高到了现在的20～60m m in, M ik ron公司最新型机床使用直线电机,进给和快移速度可达80m m in。

除高速加工中心外,直线电机也出现在其他系统中,特别适用于工件重量轻和切削力小的场合,诸如激光切割和某些磨削加工,直线电机也出现在等离子切割机、坐标测量机、水喷射切割机、EDM机床和快速原型制造机,以及锯床、冲床和压力机。意大利SAM PU T EN S I L I公司R SB18CN C八轴数控剃齿刀磨床工件头架滑板由直线电机驱动;德国KL I N GELNB ER G2HO FL ER公司生产的P系列齿轮测量中心,可用于测量不同结构形状的圆柱齿轮、锥齿轮、剃齿刀、滚刀、压缩机转子和凸轮轴等,它的各测量轴移动均应用直线电机驱动,以确保各轴运动无噪声、无振动、无磨损,从而实现在安静工作条件下以更高精度和更高速度进行测量。

3.机床结构的改进

机床床身结构进一步优化,现代机床均采用落地式床身,整体铸铁结构,龙门式框架的主轴立柱,尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动,考虑到刀具重量变化极小,这样在工件乃至工作