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高速切削关键技术的发展

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高速切削关键技术的发展
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高速切削关键技术的发展
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编辑时间 : 2020-07-25

高速切削技术是目前机械加工领域中的前沿技术,高速切削具有:金属切除率高于常规切削5-10倍;切削力比传统切削低约30%,切削变形小;被加工表面有较低的切削热;易于实现无振动切削;精加工成本低等诸多的优点。

  高速切削技术的实施主要取决于机床、刀具、加工方法和冷却技术的实施。当前高速机床和高速刀具技术发展较快,并由此产生出许多关键性技术。有高速电主轴系统、快速进给系统、高速高效CNC控制系统、高速切削刀具材料和刀具结构、高速切削刀柄系统、高速切削加工的安全防护与实时监控技术等,这些关键技术对高速切削技术的发展和应用起着决定性的作用。而先进加工方法和冷却技术研究相对来说还比较落后,当然这取决于高速切削机理研究的相对落后。
  
  高速切削技术是一个工程科学问题,影响因素众多,且各因素又是相互制约,相互关联与耦合。包括了力学、机床动力学、热力学、化学、材料学、摩擦学和经济学等,所以说高速切削技术是一门综合交叉性学科。



高速切削机理研究的主要内容

  高速切削机理研究主要从四个方面来进行:高速切削过程和切屑成形机理;高速加工基本规律;各种材料的高速切削机理;高速切削虚拟技术。其中:
  
(1)高速切削过程和切屑成形机理的研究是针对高速切削加工中切屑成形机理、切削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究来进行。

(2)高速加工基本规律的研究是针对高速切削加工中的切削力、切削温度、刀具磨损、刀具耐用度和加工质量等现象及加工工艺参数对这些现象的影响规律进行研究;提出反映其内在联系的数学模型、实验方案和试验数据处理等间题。

(3)各种材料的高速切削机理研究是针对各种工程材料在高速切削下的切削机理,包括轻金属材料、钢和铁、复合材料、难加工合金材料等。通过系统的实验研究和分析,建立高速切削数据库等。

(4)高速切削虚拟技术研究是针对在试验研究的基础上,利用虚拟现实和仿真技术,虚拟高速加工过程中刀具和工件相对运动的作用过程,对切屑形成过程进行动态仿真,显示加工过程中的热流、相变、温度及应力分布等,预测被加工工件的加工质量,研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响等。

高速机床研究的主要内容

  高速切削加工机床与普通机床的主要区别在于高速机床必须能够提供高的切削速度和满足高速切削加工下的一系列功能要求。
  
  适合于高速运转的主轴单元及其驱动系统

  高速主轴单元的设计,是实现高速加工的关键的技术领域之一,同时也是高速加工机床关键的部件。它不仅要能在很高的转速下旋转,而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动功率、良好的散热或冷却装置,要经过严格的动平衡矫正,主轴部件的设计要保证具有良好的动态和热态特性,具有极高的角加减速度来保证在极短时间内实现升、降速和在指定位置的准停。

有快速反应的进给系统单元和数控伺服驱动系统

  高速机床在高速切削加工时,随着主轴转速的提高,机床进给速度和其加、减速度也必须大幅度提高,以保证刀具每齿或工件每转进给量基本不变,否则会严重影响工件加工的表面质量和刀具寿命。同时机床空行程运动速度也必须大大提高。现代高速加工机床进给系统执行机构的运动速度要求达到(40-120)m/min,进给加速度和减速度同样要求达到(1-8)g。

  机床进给驱动系统的设计必须突破传统一般数控机床中的“旋转伺服电机+普通滚珠丝杠”的进给传动方式。在结构形式上采取的主要措施有:大幅度减轻进给移动部件的重量,在结构上实现“零传动”,即直接采用直线电机驱动;采用多头螺纹行星滚柱丝杠代替常规钢球式滚珠丝杠以及采用无间隙直线滚动导轨,实现进给部件的高速移动和快速准确定位;采用快速反应的伺服驱动CNC控制系统。

  有一个高效、快速的冷却系统

  在高速切削加工过程中单位时间内切削区域会产生大量的热量,如果不能使这些热量迅速地从切削区域带走,不但妨碍切削工作的正常进行,而且会造成机床、刀具和工具系统的热变形,严重影响加工精度和机床的动刚性。

  高效、快速的冷却系统是利用高压喷射装置把压力为7MPa、流量为60 L/min左右的高压冷却液射向机床的切削部位,进行冷却,消除切削产生的热量。

  也可以采用大量冷却液以瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台,把大量的热切屑立即冲走,始终保持工作台的清洁,并形成一个恒温的小环境。

高刚性的床体结构

  高速切削加工机床在高速切削状态下,一方面产生的切削力一般作用在床体上;另一方面因速度很高,还会产生较大的附加惯性力作用在床体上,因而机床床身受力较大。设计时必须要求其具有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。此外,高刚性和阻尼特性也是高速加工中保证加工质量和提高刀具寿命的需要。

安全防护装置和实时监控系统

  在高速切削加工过程中,若刀具断裂,其初速将如同子弹一般,易于造成危险和人身伤害。为此,机床工作时必须用足够厚的钢板将切削区封闭起来,同时还要考虑便于人工观察切削区的状况。除此之外,工件和刀具必须保证夹紧牢靠,必须采用主动在线监控系统,对刀具磨损、破损和主轴运行状况等进行在线识别和监控,确保人身和设备安全。

  要有方便可靠的换刀装置

  通过新型换刀结构设计,要保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷,换刀时间短。这也是高速切削加工过程中所必需的。
  
  机床具有优良的热态特性和静、动态特性

  高速切削加工情况下,单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多,热变形较大。

  机床结构设计必须保证其在内部热源和外部热源作用下,不能产生较大的热变形。为此,高速切削加工机床上一般要采取特殊的冷却措施,来冷却主轴电机、主轴支撑轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等,有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。

  因高速切削加工下的动态力(惯性力、切削力、阻尼力等)和静态力(夹紧力等)较大,机床各支撑部件和其总体必须具有足够的动、静刚度,不致产生较大的力变形,保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。

高速刀具研究的主要内容

  高速刀具研究主要包括几个方面:刀具材料、刀具结构与几何形状、刀具的装夹系统及刀具平衡等。

刀具材料

  高速切削刀具材料主要有:金刚石、立方氮化硼、氧化铝基和氮化硅基复合陶瓷、表面涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金等。


扬州SK系列刀塔数控车床

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刀具结构与几何形状

  刀具结构和几何形状是决定刀具使用性能的重要因素。结构决定刀体和刀片的空间位置和安排的稳定性,保证刀具的刚性和容屑空间,又要使尺寸紧凑,还有使用的灵活与多变性。

  现在对刀具结构和几何形状的研究注重以“切削模型” 为设计依据,便于尺寸调节和刀具几何角度调节,可在不同工序中使用的组合刀具,即“复合刀具”和“模块化刀具”。为的是提高加工效率,保证加工质量的稳定和降低成本。

刀具的装夹系统

  刀具高速旋转时要保持平衡,要有高接触精度、高的刚性、高的夹紧可靠性。而一般加工中心机床主轴孔是7:24圆锥孔,使用7:24锥度的刀柄,在高速切削中暴露出刚性不足,换刀后刀具径向与轴向尺寸不稳定,端口处扩张造成刚度下降并影响动平衡。目前,在此领域的研究比较多。

如:以HSK为代表的短锥柄两面接触刀柄,这是一种7:24锥度的中空结构式两面接触刀柄。拉紧是依靠空心锥柄的收缩变形达到端面的接触,在高速旋转时主轴锥孔扩胀,锥柄恢复弹性变形,继续保持锥面和端面的接触,应用这样的刀柄刀具的金属切除率可提高50%。

  近年来,德国、美国、日本等国开发了不同的适合于高速切削的刀柄结构系统。用得多的德国阿亨大学开发的HSK刀柄系列,已列入了国际标准,锥度用1:10。美国肯纳金属公司开发了KM刀柄系列,也是用1:10锥度。日本开发了BIG-PLUS刀柄系列,属于7:24锥度的改进型。瑞典山特维克可乐满公司开发了CAPTO刀柄系列,是1:20的空心短锥结构。

刀具平衡

  随着高速切削技术的发展,对高速刀具提出的动平衡要求越来越高。不仅要求刀具的外观制造要精美,而且制造精度要高,加工质量要高,刀具寿命要长。对此刀具系统要做预平衡处理。此项研究有:刀具系统的预平衡、在线动平衡工具系统等。

智能刀具的发展

  一项研究报告指出:在美国加工中心刀具的正确选择只有50%左右,刀具只有58%的切削时间是在佳切削速度下工作的,仅有38%的刀具完全用到刀具的寿命值。其他国家刀具的正确选择则远低于美国。因此,提高加工效率,降低成本,研究开发“智能刀具”及多功能刀具是提高切削加工效率和精度的十分有效的方法之一。

  智能刀具通过与机床控制器的无线耦合,实现加工尺寸偏差的调整及对刀具耐用度的识别,并可实时采集切削过程的信息,经数控系统处理后使机床始终保持在佳状态。

  “智能型刀具”的研究始于20世纪80年代末,它是将各种传感器置于刀体内,将驱动、返回、微型计算装置、非接触式能量和数据传输装置集成在一起,实现刀具的微米级调整,并可由机床控制器的M指令加以控制。

  中国对“智能刀具”的研究仍处于初期阶段,对智能刀具系统的可调性结构研究还较少,只停留在刀具在线检测,刀具状态监测与加工过程的适应性控制等方面的研究。

  德国Mapal公司和Heller机床公司首先将该技术用在对发动机汽缸体的缸孔进行镗削加工上,该智能刀具具有三组Mapal六边形CBN刀片,刀具呈轴向和径向交错排列,高切削速度达10000r /min。其中:两组刀片用于半精加工,第三组刀片能自动调节,用于完成精加工工序。当主轴转速增加时,在离心力作用下,机构会将刀片位置调节一个预定的数值,并带有内置式气动量规测量已加工的孔径,将测量结果传给机床控制系统并自动调整刀具尺寸。

  日本黛杰刀具公司也开发了在线可调刀具尺寸的“灵巧刀具”;美国肯纳金属公司研制了一种加工中心进行精确自动刀具补偿精镗刀具系统,这是一种微米级的模块式、有级调整的精镗刀具系统,其小分辨率为1μm。

  带有测量功能并可自调的切削部件及可适应控制的和能自学的数控机床,装有传感器和执行元件的智能化刀具,将是未来智能化的发展方向。

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