高速加工技术应用研究（精选10篇）
高速加工技术应用研究 篇1
1 高速加工的技术优势
航空航天工业和模具加工制造业是高速加工的两个重要应用领域。航空制造企业虽然约在20年前就开始进行铝件的高速加工, 但一直未得到应有的重视。随着科技的发展, 产品的多样化、小批量使切削加工大量增加, 保证高效率切削加工的同时达到高精度成为高速加工的发展倾向。世界各大机床制造国如美国、德国、日本等对此进行了大量研究, 并不断地推出高技术的高速高精度加工机床。
高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。据资料介绍, 在国外的高速加工实验中已经证实, 当切削速度超过一定值 (V=600m/min后, 切削速度再增高, 切削温度反而降低。在切削过程中产生的热量进入切屑并从工件处被带走试验室条件下的测试证明了在大多数应用情况下切削时工件温度的上升不会超过3℃。相应地, 在一已给定的金属切除率下, 当切削速度超过某一数值, 约300~500m/min) 后, 随着切削速度的增加, 实际切削力会下降, 切削速度继续增加至一定数值之后, 实际切削力会近似保持不变。
经过理想的高速加工后, 切屑变形及其收缩已接近为零, 传到工件上的热量很少, 使得加工表面就不会产生任何显著的表面硬化现象, 有效地减少工件的变形;同时, 较小的切削力和较少的切削热减少了刀具磨损。国外对各种切削速度下刀具耐用度进行了比较研究, 对涂层硬质合金刀具来说, 最小磨损的切削速度约500m/min。
实验证明, 高速加工允许的进给速度比通常方除法可提高5~10倍, 单位时间材料去率提高3~5倍, 刀具耐用度可提高70%, 同时, 切削力减少30%, 工件温升低, 可减少工件热变形和热膨胀, 提高加工表面质量, 有利于加工细长、薄壁类刚性差的工件。随着高速加工不断地普及, 关注和探讨高速加工的实现与应用对航空制造业有着重要的意义。高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统, 是多项先进技术的综合应用, 为此, 机床厂商应进行大力的开发研制, 推出了与高速加工相关高新技术设备。
2 高速加工的特点
2.1 主轴高速
高速主轴是高速加工中心最关键的部件之一。目前主轴转速在20000-4 (XX) 0dmin的加工中心越来越普及, 一些欧洲的高速加工中心的主轴转速已经达到60000r/rain。转速高达t00 (m/min以上超高速主轴也正在研制开发中。
2.2 进给系统高速提高切削进给速度是提升加工效率所必须的。
目前高速加工中心的切削进给速度一般为20-40m/rain, 有的直线电机驱动X、Y轴的立式加工中心超高速定位速度达140m/rain, 有的高速加工中心进给速度高达208m/rain。要实现并准确控制这样高的进给速度。对高速加工中心导轨、滚珠丝杆、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。
2.3 CNC控制系统高速
高速加工中心要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性, 以保证在高速切削 (特别是四至五须选择传输速度快, CPU运算速度快, 预读单节及NURBS功能等适当的CNC控制器, 才能发挥高速切削加工的效能。轴坐标联动加工复杂曲面时) 仍具有良好的加工性能。高速加工中心。
2.4 切削刀具高速
已发展的刀具材料主要有聚晶金刚石 (PCDl, 聚晶立方氮化硼 (PCBN) 、硬质含金涂层刀具、陶瓷刀具等。都能适应铝合金、铸铁、钢和耐热合金的高速切削, 其切削水平如下:铝合金2500-5000m/min (Si含量≥12%为500-1500m/min) , 铸铁500~1500m/min, 钢300-1000m/min, 淬硬钢、耐热台金100-400m/min.铁合金90-200m/min。有关研究机构正开发新酌刀具材料, 向更高的切削速度发展。
2.5 加工中心温控系统高速
高速加工中心的热特性是指高速加工中心结构在其内部热源和外部热源的作用下, 产生结构变形和对加工精度影响的特性。为了改善高速加工中心的热特性, 一般采用温控循环水溅其他介质来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜.有的甚至冷却主轴箱、横粱、床身等大构件。此外, 还可采用低膨胀系数的铸铁作高速加工中心的主轴箱体, 以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。
3 高速加工技术对我国制造业的影响
我国轿车自动生产线中引进高速加工技术20世纪80年代以来, 我国相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条较先进的轿车数控生产自动线, 使我国轿车制造工业得到空前发展。其中较典型的是来自德国的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线, 其处于国际20世纪90年代中期水平。其中应用了较多且实用的高速加工技术。从中可部分了解到世界高速加工技术的理状与发展趋势。
一汽大众捷达轿车自动生产线由冲压、焊接、涂装、总装、发动机及传动器等高速生产线组成。同步引进德国大众汽车公司并行工程管理模式与管理技术, 经营各条自动线生产运行, 年产轿车能力15万辆, 制造节拍1.50min/辆。其中发动机、传动嚣生产线共拥有6:27台各种机加工设备, 进口253台, 国产374台, 其基本上属于数控刚性自动生产线。自产发动机零件9种, 传动器零件27种, 其余为社会配套。年产发动机27万台, 传动器18万台。生产国际20世纪90年代水平的4缸、6缸捷达奥迪轿车五气门电喷发动机及配套的传动器, 生产节拍30-40s/台, 生产线部分采用风冷干式切削加工技术, 其机械加工工艺流程反映了当代轿车制造业中最先进的技术水平。轿车营销以国内市场为主。由于没有轿车自主知识产权, 新车型的研发, 是以现有一汽一大众捷达轿车生产自动线为本, 持续从德国大众汽车公司进口相关信息和技术 (上海大众桑塔纳轿车自动生产线情况类同) 。
一汽一大众轿车发、传生产线高速切削刀具、高速机床及加工工艺:一汽大众捷达奥迪轿车发动机、传动器零部件生产线上, 几乎所有的切削刀、辅具 (工具) 均为进口产品 (来自49个外国公司) , 关键工序的设各 (机床) 也是进1:3的专用刚性数控产品。
参考文献
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高速加工技术应用研究 篇2
班级：测控技术与仪器 1122240 姓名：叶成权
指导教室：赵世萍
摘要
高速磨削加工属于先进制造方法。与普通磨削比，它有很多优点，且集粗精加工于一身，能达到与车、铣、刨等切削加工相媲美的金属磨除率，能实现对难磨材料的高性能加工。阐述了高速磨削加工工艺的确定，高速磨削加工在工业中的具体应用，以及进一步提高磨削速度的设想。
关键词：高速磨削；加工工艺；应用 高速磨削概述
高速磨削是通过提高砂轮线速度来达到提高磨削效率和磨削质量的工艺方法。它与普通磨削的区别在于很高的磨削速度和进给速度，而高速磨削的定义随时间的不同在不断推进。20 世纪60年代以前，磨削速度在50 m/ s 时。即被称为高速磨削；而20世纪90 年代磨削速度最高已达500 m/s。在实际应用中，磨削速度在100 m/ s 以上即被称为高速磨削。高速磨削可大幅度提高磨削生产效率、延长砂轮使用寿命、降低磨削表面粗糙度值、减小磨削力和工件受力变形、提高工件加工精度、降低磨削温度，能实现对难磨材料的高性能加工。随着砂轮速度的提高，目前比磨削去除率已猛增到了3 000 mm3/mm·s 以上，可达到与车、铣、刨等切削加工相媲美的金属磨除率。近年来各种新兴硬脆材料（如陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等）的广泛应用，更推动了高速磨削技术的迅猛发展。高速磨削技术是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术于一体。日本先进技术研究会把高速加工列为五大现代制造技术之一。国际生产工程学会（CIRP）将高速磨削技术确定为面向21 世纪的中心研究技术之一。高速磨削加工工艺
高速磨削的加工工艺涉及磨削用量、磨削液及砂轮修整等方面，下面将分别进行阐述。
2.1 磨削用量选择
在应用高速磨削工艺时，磨削用量的选择对磨削效率、工件表面质量以及避免磨削烧伤和裂纹十分重要。表1 给出了磨削用量与砂轮速度的关系。除了砂轮速度以外，决定磨削用量的因素还有很多，因此应用中需综合考虑加工条件、工件材料、砂轮材料、冷却方式等因素，以选择最优的磨削用量。
2.2 磨削液
在高速磨削过程中，所采用的冷却系统的优劣常常能决定整个磨削过程的成败。冷却润滑液的功能是提高磨削的材料去除率，延长砂轮的使用寿命，降低工件表面粗糙度值。它在磨削过程中必须完成润滑、冷却、清洗砂轮和传送切削屑四大任务，与普通磨削液要求类似。
2.3 砂轮的修整
目前应用较为成熟的砂轮修整技术有：（1）ELID在线电解修整技术在线电解修整（electrolytic in—process dressing，简称ELID）是专门应用于金属结合剂砂轮的修整方法，与普通的电解修整方法相比，具有修整效率高、工艺过程简单、修整质量好等特点，同时它采用普通磨削液作为电解修整液，很好地解决了机床腐蚀问题。经ELID修整的4000 号铸铁结合剂金刚石砂轮成功地实现了工程陶瓷、硬质合金、单晶硅、光学玻璃等多种材料的精密镜面磨削，表面粗糙度Ra 可达2～4 nm。（2）电火花砂轮修整技术
利用电火花修整可对任何以导电材料为结合剂的砂轮进行在线、在位修整，易于保证磨削精度，不会腐蚀设备，修整力小，对小直径及极薄砂轮的修整较为方便，同时整形效率高、修锐质量好；磨料周围不残留结合剂，修锐强度易于控制。（3）杯形砂轮修整技术
采用杯形砂轮修整器修整超硬磨料成形砂轮，其修整效率及修整精度都比传统的成形砂轮修整方法要高，可达到零误差的砂轮表面。砂轮修整后的磨削性能实验表明磨削力明显减小，磨削性能良好，且砂轮使用寿命长。
（4）电解—机械复合整形技术
运用此法可在短时间内将砂轮修整到较高的表面质量及形状精度，为砂轮的精密修整提供了良好的条件。高速磨削的应用
高速磨削的应用技术有高速深切磨削、高速精密磨削、难磨材料及硬脆材料的高速磨削。
3.1 高速深切磨削
以砂轮高速、高进给速度和大切深为主要特点的高效深磨（high efficiencydeep grinding，简称HEDG）技术是高速磨削在高效加工方面的应用之一。高效深磨技术起源于德国。1979年德国P.G.Werner博士预言了高效深磨区的存在合理性，开创了高效深磨的概念，并在1983 年由德国Guhring Automation公司创造了当时世界上最具威力的60 kW强力磨床，转速397 0 0 1 为10000 r/min，砂轮直径为400 mm，砂轮圆周速度达到100～180 m/s，标志着磨削技术进入了一个新纪元。1996 年由德国Schaudt 公司生产的高速数控曲轴磨床，是具有 高效深磨特性的典型产品，它能把曲轴坯件直接由磨削加工到最终尺寸。德国Aachen工业大学宣称，该校已采用了圆周速度达到500 m/s的超高速砂轮，此速度已突破了当前机床与砂轮的工作极限。高速深切磨削可直观地看成是缓进给磨削和高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可通过一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远高于普通磨削加工的金属去除率（磨除率比普通磨削高100～1 000 倍），表面质量也可达到普通磨削水平。例如，采用陶瓷结合剂砂轮以120m/s 的速度磨削，比磨削率可达500～1000 mm3/mm·s，比车削和铣削高5倍以上。英国用盘形CBN砂轮对低合金钢51CrV4进行了146 m/s 的高效深磨试验研究，材料去除率超过400 mm3/mm·s。高效成形磨削作为高效深磨的一种也得到广泛应用，并可借助CNC系统完成更复杂型面的加工。此项技术已成功地用于丝杠、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工。日本丰田工机、三菱重工等公司均能生产CBN高速磨床。GP-33 型高速磨床采用CBN砂轮以120 m/s 磨削速度实现对工件不同部位的自动磨削。美国Edgetrk Machine公司也生产高效深磨 机床，该公司主要发展小型3 轴、4轴和5 轴CNC成型砂轮，可实现对淬硬钢的高效深磨，表面质量可与普通磨削媲美。高速深切磨削具有加工时间短（一般为0.1～10 s）、磨削力大、磨削速度高的特点，除了应具备高速磨削的技术要求外，还要求机床具有高的刚度。
3.2 高速精密磨削
高速精密磨削（precision high speed grinding）是采用高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具，采用亚微米级切深和洁净加工环境获得亚微米级以下的尺寸精度。高速精密磨削主要是高速外圆磨削。即使用150～200 m/s的砂轮周速和CBN 砂轮，配以高性能CNC 系统和高精度微进给机构，对凸轮轴、曲轴等零件外圆回转面进行高速精密磨削加工的方法。它既能保证高的加工精度，又可获得高的加工效率。这一技术在日本应用最为广泛。例如，使用丰田工机株式会社GCH63B型CNC高速外圆磨床来磨削加工余量达5 mm的球墨铸铁凸轮轴，比磨削率可达174 mm3/mm·s，砂轮磨削比可达33500。以表面粗糙度Rz3 μm为上限，砂轮经过一次修整可连续磨削60 个工件，磨后表面呈现残余压应力，并可从毛坯直接磨为成品，省去了车工序及工序间的周转。丰田工机GZ50 型CNC高速外圆磨床上装备了其最新研制的Toyoda State Bearing 轴承，使用转速在200 m/s 的薄片陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮对轴类零件进行一次性纵磨来完成整个工件的柔性加工过程，并首先在曲轴销加工中应用成功。在M104CNS/CBN 高速外圆磨床上安装了带有神经网络自学习功能的数控系统，使得磨床的加工性能更加完善。德国Guhring Automation 公司RB625高速外圆磨床上，使用CBN 砂轮可将毛坯一次磨成主轴，每分钟可磨除2 kg金属。高速磨削技术的研究
高速磨削技术正为世界工业发达国家所重视，并已开始进入实用化阶段。我国在高速磨削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，大力加强高速磨削技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。
高速磨削技术的研究，主要从制约切削速度的各个方面进行研究。（1）发展高功率高速主轴。
（2）研制适应高速磨削的新颖砂轮，这样才能提高磨削速度。（3）磨床结构的改进。
为了尽可能降低机床在高速时由于砂轮不平衡引起的振动，应配置在线自动平衡系统，以使机床在不同转速时，始终处于最佳的运行状态。为了提高生产效率和工件的加工精度，则应采用高速、高效和高精度进给驱动系统。比如在平面磨床上采用直线电机替代丝杠螺母传动；在进行偏心磨削时，外圆磨床除了须具备高速滑台系统外，还要配备高速数控系统，以保证工件的精度及较高的生产率。（4）优化冷却润滑系统。除了要注意冷却润滑液本身的化学构成外，其供给系统也十分重要。因此，在研制高速磨床时，必须配置高压的冷却润滑供给系统。（5）磨削速度向超音速迈进。
高速加工技术应用研究 篇3
关键词：高速加工技术；发动机；缸体加工；应用
发动机缸体作为发动机最重要组成部分之一，也是最复杂的零件。出于保证发动机良好性能的考虑，对发动机缸体加工的精密度、加工工艺提出了较高的要求。此种情况下，采用传统加工方法来进行发动机缸体加工已经无法满足现代化生产要求。对此，应当注重引用高速加工技术，起采用超硬材料刀具及模具，并利用先进的制造设备予以生产加工，可以大大提高发动机缸体质量及精密性。所以，发动机缸体加工中科学的运用高速加工技术是非常有意义的。
1 基于高速加工技术进行发动机缸体加工的可行性分析
1.1 缸体高速加工效率分析
基于传统常规切削理论，确定发动机缸体加工效率的公式为：
Vc=vfap
注：Vc表示为常规加工中的切削效率；v表示为切削速度；f表示为进给量；ap表示为切削深度。
给予高速加工技术来进行发动机缸体加工，缸体加工效率表示为：Vg=w/t
注：Vg表示为高速加工时的加工效率；w表示为切削过程总金属除去量；t表示为切削总时间。
基于相关文献了解到，单位时间内材料切削率Vg还可以表示为切削速度、进给量及切削深度的乘积，公式表示为：Vg=vgfgapg
比较以上公式，可以确定高速切削加工中，切削深度、吃刀量对加工效率的影响较大。的确，缸体加工中，切削深度、被吃刀量小，当在主轴高速旋转的过程中，进给速度增大，那么单位时间金属切削量增加，相应的加工效率也大大增加。所以，基于高速加工技术的发动机缸体加工中加工效率的优势，主要是因为主轴转速及进给速度的提升。
1.2 缸体高速加工精度分析
为达到发动机缸体加工质量要求，需要保证切削加工机床具有较高精度、速度、刚度。基于高速加工技术来进行发动机缸体加工，不仅在机床方面满足要求，还在铣削方面予以优化[1]。
高速铣削时，其他切削刀的集中力是远小于主切削刀的，在此笔者忽略刀具系统变形与主切削力相比。基于材料力学理论，刀具系统视为受集中力F下的一端固定一端自由的悬臂梁，那么在集中力F的作用下，刀具系统受力方向的变形量即为：yg=Fx2（3l-x）/（6EI）
注：E表示为刀杆材料的弹性模量；I表示为旋转刀具的极惯性矩。
基于以上公式，可以计算出刀具的最大变形量，为ymax=Fl3/（3EI）
对以上公式进行分析，可以确定刀具状态对缸体加工精度的影响较大。为了保证发动机缸体加工的精确度，一定要选择刚度大的刀具系统，以便具体加工中，所产生的主切削力较小，刀具系统变形可能性降低，促使缸体加工尺寸精度得以提高。
1.3 缸体高速加工安全性分析
发动机缸体加工的过程中，转速提高，那么切削加工的安全性将会有所下降。基于此点，在利用高速加工技术来进行发动机缸体加工的过程中，需要慎重考虑缸体高速加工安全性问题。出于安全加工的考虑，在具体进行发动机缸体高速加工中，①应当以CE标准，对加工机床的保护装置和操作位置予以检查，同时观察操作位置是否具有极好视野并符合人机工程环境要求；②严格遵照安全标准设计要求来进行高速旋转刀具的选择，同时检测刀具刀体强度是否符合要求，刀具刀体零件及刀片夹紧是否可靠；③对操作人员进行缸体高速加工安全操作培训，促使操作人员具有较高的安全意识，并掌握缸体高速加工安全操作流程及相关注意事项；④测定极限转速，对机床及切削过程进行检测。总之，为了保证基于高速加工技术的发动机缸体加工，一定要做好方方面面的安全防范工作，将安全隐患降低最低[2]。
2 基于高速加工技术的发动机缸体加工工艺
2.1 缸体高速加工工艺基准的选择
加工工艺基准的选择是保证加工质量的关键，因发动机缸体结构复杂，在进行缸体高速加工的过程中，更要做好缸体高速加工工艺基准的选择。
2.1.1 粗基准的选择
粗基准选择方面应当注意以下几点：其一，综合分析缸体高速加工中，孔加工量，合理调整加工工艺，保证孔的加工余量均匀。 其二，在装入缸体零件的过程中，一定要保证零件与箱壁距离的控制。
2.1.2 精基准的选择
在进行精基准选择时，尤为注重考虑设计技术要求及装夹准确、可靠、方便的问题。也就是基于“一面两销”为全线的统一基准，对定位销孔的距离、基准面的平面度等方面予以控制。
2.1.3 工件的输送
由于发动机缸体外形比较规则，具有较好的输送基准，因此在进行工件输送的过程中可以采用滚子输送机直接输送方式[3]。
2.2 缸体高速加工的主要工艺措施
2.2.1 孔和面的加工顺序的确定
由于箱体类零件的加工都遵循先面后孔的原则，所以在进行缸体高速加工的过程中，应当对箱体的基准面先加工，在此基础上对其他平面予以加工，之后进行相应孔的加工。
2.2.2 孔系加工方案的优选
孔系加工效果在一定程度上会影响发动机缸体应用效果。为了提高缸体高速加工的精确度，选择最佳的孔系加工方案是非常必要的，如此可以保证气缸孔加工中粗镗、半精镗、精镗和珩磨效果良好；深油孔加工中合理运用大流量冷却系统，确保深油孔加工效果良好，凸轮轴孔加工时合理运用单面镗孔和双面镗孔两种工艺方案等[4]。
参考文献：
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超高速切削加工技术研究 篇4
关键词：切削加工,超高速切削,技术
1 超高速切削加工的概念
高速切削理论最早始于1931年, 是由德国学者Carl.J.Salomon所提出的一种假设, 这种假设引起了机械制造业的极大兴趣, Carl.J.Salomon认为, 所有被加工材料都有一个临界切削速度, 切削温度和刀具磨损程度的变化类似一个抛物线, 抛物线的最顶点则为临界切削速度。切削温度和刀具磨损程度的变化在切削速度逐步接近临界切削速度的过程中, 切削温度和刀具的磨损程度都在不断增大。当切削速度超过临界切削速度之后, 切削温度和刀具磨损反而随切削速度增大而减小。经过科研工作人员的不断努力和反复实验研究, 这种假设已变成实用技术, 被逐步运用到机械制造工业领域。
与普通切削相比高速切削对工件材料的切削速度是其几倍或几十倍, 目前学界对高速切削并无准确的定义, 从高速切削的特点出发, 一般有以下几种定义方式: (1) 是指高切削速度的切削; (2) 是指高主轴转速的切削; (3) 是指高进给速度的切削; (4) 是指高进给的高速切削; (5) 是指高生产率的切削。高速切削的范围并不固定, 根据被切削材料的不同, 高速切削的范围会有所不同。
2 超高速切削加工的特点
高速、超高速切削的特点主要表现在他与普通切削加工技术的不同上, 具体表现在以下几个方面:
第一、生产效率大大提高。超高速切削在切削材料时极大地缩短了机动时间和辅助时间、使因为切削而消耗的时间缩短了近一半左右。极大地提高了机械制造过程中切削工作效率, 缩短了机械制造工期。
第二、材料切削加工精度更高。高速切削单位切削力较同样的切削层参数, 单位切削力明显要小很多。同时切削力还可在保持高效率的同时适当减低进给量, 使减幅进一步加大, 大大降低了工件切削过程中产生变形的机率。同时, 高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度降低, 加工表面受热时间短、切削温度低, 因此, 热影响区和热影响程度都较小。有利于提高加工精度, 有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。特别是对于大型框架件、薄壁件、薄壁槽形件的高精度高效加工, 高速铣削是目前唯一有效的方法。
第三、能获表面较好的完整性。在对机械材料进行高速切削时, 高速切削一方面保证了切削工作的生产效率, 另一方面它采用的进给量较小, 使得加工表面变得较为光滑。在高速切削的过程中, 切削力度和变化幅度都很小, 而且机床的激振频率远高于切削工艺系统的固有频率, 加工表面受切削震动的影响较小, 大部分合成材料有多种化合物混合加工而成, 再经切削产生的高温热量的情况下, 容易改变材料的性能, 高速切削以其高速、低热传入比率, 可使受加工材料表面保持稳定的物理性能。
3 实现超高速切削的关键技术
高速、超高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。因此, 高速切削加工是一个复杂的系统工程, 由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削的相关技术。
3.1 高速切削刀具技术
超高速铣削时, 刀具与材料之间摩擦产生的切削热量与刀具所受到的磨损程度都要比普通的切削高得多, 为此, 对超高速切削使用的刀具材料有特殊的要求。在刀具的耐磨性、强硬度、高韧性、化学性能稳定性、耐高热性等性能方面具有其超出一般切削的刀具的特有属性。
目前新兴刀具材料的种类很多, 但同时兼具上述性能的材料却很难找到。因此, 在具有比较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上, 再加上高热硬性和耐磨性镀层的刀具是刀具技术发展的重点。另外, 综合切削性能非常好的高速加工刀具, 还可以通过CBN和金刚石等硬度很高的材料烧结在抗冲击韧度好的硬质合金或陶瓷材料的基体加工得到。
3.2 高速切削工艺
高速切削作为一种新的切削方式, 目前, 尚没有完整的加工参数表可供选择, 也没有较多的加工实例可供参考, 还没有建立起实用化的高速切削数据库, 在高速加工的工艺参数优化方面, 也还需要作大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的自动编程都还不能满足高速切削加工的要求, 需要由人工编程加以补充。应该采用一种全新的编程方式, 使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。
3.3 高速切削机理
目前对于铝合金的高速切削机理研究, 已取得了较为成熟的结论, 并已用于指导铝合金高速切削生产实践。而关于黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理研究尚在探索阶段, 其高速切削工艺规范还很不完善, 是目前高速切削生产中的难点, 也是切削加工领域研究的焦点。正开展的研究工作主要包括铸铁、普通钢材、模具钢、钛合金和高温合金等材料在高速切削过程中的切屑形成机理、切削力、切削热变化规律及刀具磨损对加工效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律, 继而提出合理的高速切削加工工艺。另外, 高速切削已进入铰孔、攻丝、滚齿等应用中, 其机理也都在不断研究之中。
4 超高速切削加工的研究内容及发展趋势
目前高速切削技术的研发已经取得的巨大的成就, 但随着机械制造材料的不断更新, 高技术合成材料的不断出现, 使得对高速切削技术有了更高的要求, 超速切削技术将在如下几个方面应继续发展:
第一, 在重切削工艺中进行超高速切削
所谓重切削是指对大型或重型零件所进行的切削加工, 这种切削要求超高速切削必须兼具高功率、大切深、重负荷、长时间等高标准、严要求, 重切削所要求的超高速切削难度更大, 工作更复杂。重切削在我国大型设备制造业领域具有重要的地位, 它是提高设备加工效率的关键。为此我们的研究开发方向要倾向于重切削领域的超高速切削研究。
第二、难加工材料的超高速切削
切削难加工材料具有切削温度高、导热性差、刀具磨损快等特性, 为此它对切削刀具材料具有特殊要求。难加工材料的相对切削加工性极低, 目前对对机械制造中的难加工材料大多只能采用很低的切削速度。只有不断深入研究, 努力发现难加工材料所具有的特性, 找到适合高速切削各种难加工材料的超硬刀具材料, 开发出新的高速刀具切削系统, 才能破解难加工材料切削的困境。
第三、基于新型检测技术的加工状态监控系统
基于进给速度和主轴转速的极大提高, 使得对监控系统的灵敏性、可靠性、和瞬时反应性提出了新的要求, 机械设备切削工况监控任务更加重要。如超高速切削刀具磨破损、磨具的修整等状态监控系统及保证快速反应替换的刀具管理系统软件, 刀具磨损破损监控系统的智能化。开发对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部件和驱动控制系统的监控技术, 对超高速切削过程中的工件加工精度、加工表面质量及安全状态的在线监控技术是研究的重点
参考文献
[1]张忠科.高速硬切削技术及刀具的合理选择[J].工具技术, 2007, 1.
高速加工技术应用研究 篇5
关键词：高速加工；超硬材料刀具；性能；进展
中图分类号： TG711 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-167-2
0 引言
超硬材质制作出来的刀具含有氮化硼的聚晶刀具、金刚石的刀具、其他多类的刀具。针对超硬刀具，若要用作常态加工那么有必要辨析这类刀具拥有的本身特质。结合行业现状，解析了更高水准的高速加工[1]。相比传统加工，超硬刀具加工表现出独有的新优势，可节能耗费的总体成本并提快了加工速率。解析刀具性能，为日常加工提供了必备参照，依照不同状态下的自动加工筛选不同特质的可用刀具。
1 自动性高速加工
自动化范围内的高速加工依托于设备本体高速的转动，选取超硬刀具从根本入手增添了切除率，加工可得更为优质的各类构件。对比常规加工，高速性的自动加工可缩减超出30%的切削作用，提升了40%总体去除率。从现有趋向看，高速加工针对于复合类的新型材质、石材及塑料、有色金属及强化性的纤维都是合适的。有些材质较难被加工，例如不锈钢及高锰钢、耐磨性的铸铁合金、强度较优的钢合金，这些材质也适合于超硬刀具[2]。
超硬材料可用于制备多样刀具，但要慎重调控至最佳的几何形态、刀柄系统及镀层，选取平衡技术以便于加工独特的某些材质。针对于切削性的高速刀具也要增添原先的抗弯及耐磨性，高温状态下应能更加耐磨，工艺性能优良。超硬刀具更适宜制作毛坯、焊接或磨削零配件。现存刀具多采纳了立方聚晶性的、金刚石的超硬刀具，也可选取其他原材制备刀具。
2 超硬刀具本身的性能
2.1 氮化硼的聚晶刀具
立方的氮化硼被归入超硬材质，在上世纪中期，高压高温状态下的氮化硼合成被创设出来。相比来看氮化硼表现出偏低的本身硬度且没能超出金刚石。单晶氮化硼表现出微粒的较小形态，直接用作常态的切削仍是较难的。到了70年代，多国协作创设了烧结体新式的氮化硼材质，即立方聚晶性的氮化硼。聚晶立方材质增添了固有的总硬度，内部排列着无序且细微的晶粒，微粒排列呈现同一方向。立方聚晶形态的氮化硼拥有了优良的耐磨属性，延长了可运转的年限。相比合金刀具，氮化硼制备成的刀具拓展至10倍的坚硬度，现存切削速度可达 1um/r。同时立方氮化硼被置于偏热环境下也可维持着稳定，可耐住1400摄氏度超高温。导热系数良好，立方材质也有着0.3较低的摩擦系数。在这些优势下，氮化硼刀具被看作最佳范围内的可选材质，在最大幅度内，干式切削也提升了总的成效。
2.2 金刚石的刀具
金刚石制备成的刀具整合了优良的耐磨及硬度，膨胀性及摩擦系数都是较低的。针对于非铁性的金属都减低了亲和力，可加工范围覆盖了高耐磨性的材质、石墨复合材质、硅铝性的合金、有色的韧性金属。设定了精密的日常加工流程，金刚石刀具现存类别是较多的且刀具彼此表现为繁复的差异。金刚石刀具有着不同的本体架构，制作步骤也并不相同[3]。从现存加工看，常用天然性的、聚晶人造性的、涂层沉淀的金刚石。从原理视角看，加工要增设必备的催化剂，在设定好的压力及温度下都可合成人工石墨或者碳。针对人工合成，最近几年创设了硬质的基体及薄膜状的金刚石。单晶金刚石超出了80%总的产能，然而加工得出的产品仍聚集于偏低层次，未来还应摸索涂层刀具更成熟的新形态。
从导电性及强度来看，各方位的石墨都是匀称的且强度也很高。在高速铣削中，切削得出较小深度的石墨材质。金刚石材质可用作加工石墨，金刚石优于合金刀具且延长了寿命。相比模压性的普通石墨，同性石墨提升了固有的物理及机械属性。此外，钛合金构件含有梁板、侧壁板及大型框。通常来看，铣削各类配件都应留出必备的余量。铣削可去除冗余的构件偏差，企业可选合金材质的加工性刀具，最好选取钛合金。这样做，即便提快了原先的加工速率也不会磨损刀具。相比来看，PCBN可制作的合金刀具将延长总的年限，涂层也更加优质。
3 未来刀具性能的发展
首先，高速铣削可选的刀具未来应能用作加工缸盖及发动机缸体。在发动机架构内，缸体是不可缺失的一类构件，曲柄衔接着连杆活塞、飞轮及配气性的装置。缸体内壁构架是较复杂的，铸铁原材耗费的总成本偏低且设定了简易的多步骤工艺。切削得出的构件拥有更强敏锐性且减低了磨损。加工缸体经常注重于孔系及表层，配套工序含有粗铣得出的缸体。铸铁在切削时刀刃承受了最大的压力应变及最高温度，冲击韧性及本体的强度都要确保最佳。可选氮化硼制作出来的刀片，提升至每分钟800转的切削速率[4]。
其次，超硬刀具应当加快现存的加工速度，适合各类的加工领域。现今制造业及配备的加工技术都符合了新式刀具的性能，超硬刀具更适合用作加工陶瓷及金属。在加工石材等较硬性的原材时，配备的刀具也要选取硬性的。高速加工各类的构件都可选取硬性的原材，自动化趋向的高速加工经常选取超硬性的刀具。有待加工的工业材质多为耐磨性的高强度钢材或者复合纤维，还包含各类的铸铁材质。相比来看超硬性的刀具更能缩减总的切削作用并且提升了加工实效。超硬材料可用作制备多样性的刀具，例如金刚石及硬性氮化硼制作出来的刀具。
最后，超硬刀具未来的加工要凸显独特的节省成本优势，加快了日常加工的总体效率。对于各类构件的加工都不可随便选取较硬刀具，应当结合真实的加工性质予以搭配刀具。例如加工石墨电极选取的金刚石刀具提升了综合范围内的石墨优良性质，对于加工中的偏差可借助于铣削步骤予以调整。这样做从根本上延长了构件的运转时限，构件也拥有了更均匀的材料质地。
4 结语
相比于传统加工，高速切削可选取的刀具应能拥有更优的材质，严格调控至合适的几何形态并增设外在镀层。同时，刀具配备的平衡调控及刀柄系统都应吻合设定的规格。刀具可选的超硬材质增添了原本的耐磨及硬度，冲击韧性及抗弯的总强度也由此而提升。超硬刀具被用作磨削及制作毛坯，不易扭曲变形。加工业进步中还应采纳并推广超硬刀具配备的加工方式，获取综合范围内的更优加工质量。
参 考 文 献
[1] 王成勇，周玉海，余新伟.高速加工中超硬材料刀具性能及进展[J].机电工程技术，2013（04）：8-14+4.
[2] 陈泉.硬脆材料加工中超硬刀具的应用[J].中国新技术新产品，2014（09）：152-153.
[3] 高建红，李文辉，刘伦伦等.钛合金和镍合金加工用新型刀具材料的研究进展[J].机械工程材料，2014（12）：1-5+108.
数控高速加工中的关键技术研究 篇6
1 数控高速加工技术要求
1.1 数控高速加工刀具的要求
在进行数控高速加工的过程中, 刀具质量直接关系到切削的效果, 对高速加工具有至关重要的作用。因此在进行刀具使用的过程中要首先保证刀具的材料符合施工要求。材料一般选取WC或Ti C等成分的硬质碳化物, 通过铁系基础材料作为结合剂, 确保刀具在加工的过程中能够承受得住高温的考验。除此之外, 材料还要具有高度的稳定性和抗冲击性。其次要保证刀具的几何参数符合数控高速加工的要求。刀具几何参数要具有非常好的传递转矩和动平衡性, 夹紧精度要高。最后要对刀具的削切参数进行优化, 根据削切材料的要求和机床数据的要求, 对刀具材料、零件特点等进行全面分析, 对刀具削切参数进行合理选取。
1.2 数控高速加工系统要求
在进行数控高速加工的过程中, 设计人员要保证数控加工系统具有高度的安全性。要对数控机床高速加工的各部分零件进行详细检查, 观察零件的固定效果, 防止在运转的过程中出现零件松动或零件飞出状况, 导致加工质量大打折扣;要对系统刚性进行分析, 对系统的振动效果和加工精度、加工进度进行详细观察, 对出现的异常振动进行处理, 保证系统刚性在正常标准值之内;要保证系统精度符合加工要求范围, 对系统的动平衡效果进行控制, 防止刀具出现损坏。数控高速加工表面保证粗糙程度、表面残余应力性质、加工表面硬化程度符合加工标准, 保证表面加工符合特征简化模型要求。如图1。
2数控高速加工关键技术
数控高速加工关键技术可以有效改善数控高速加工质量, 提高机床加工效率和加工经济效益。常见的数控高速加工关键技术主要包括:高速切削加工、高速主轴单元、高速给进系统、高速CNC系统等。
2.1 高速削切机系统技术
高速削切机系统主要是建立在高速削切模拟实验上的一种削切技术。在常规削切的范围内, 削切的温度随着削切速度的增高而增高;当削切的速度逐渐增大时, 削切力会呈现降低趋势。高速削切机系统对速度与削切力的关系进行处理, 在很大还曾度上提高了削切的速度和削切质量, 成倍提高了机床的生产效率。我国当前的高速削切机系统主要是建立在南京航空大学建立的高速削切集中剪切滑移的基础上, 主要是对高速削切机系统中的削切例、削切热、削切成屑进行控制的一项技术, 为当前的机床开发和刀具加工提供了较好的辅助效果。
2.2 高速主轴单元技术
高速主轴单元主要是通过使用耐高温、承受力较强的承轴实现对主轴的平动。高速主轴单元要具有较好的热稳定性和刚性, 能够保持力矩的恒定性。当前的高速主轴单元一般具有冷却装置和过热装置, 配有高精度的数控机床主轴。该单元运转方式主要是通过主轴定子和转子, 实现对主轴内部的电机的带动, 确保电机能够与高速主轴一体进行运转, 形成电主轴。我国高速主轴单元主要包括:电主轴、换刀装置、冷却装置、油雾润滑器、高频变频装置、内置编码器等。
2.3 高速驱动系统技术
传统高速驱动系统主要是由旋转电动机、齿轮箱或联轴器、丝杠和驱动螺母、丝杠支座轴承等部分构成。但是上述构成部分在很大程度上限制了高速驱动系统的驱动效果, 导致驱动误差加大。因此, 在当前的高速驱动系统中设计人员已经逐渐开始使用直线电机代替旋转电机。直线电机可以将封闭的磁场转变为开放磁场, 将旋转电机的定子变为直线电机初级, 将旋转电机转子转变为直线电机次级。当在直线电机中通入三相电流后, 气隙磁场会呈现定向移动, 沿直线进行驱动, 这种方式的传动链距离为0, 传动质量大幅提高。
2.4 高速CNC系统技术
高速CNC系统在进行使用的过程中要保证对各轴数据进行及时收集, 最大限度提高处理NC的速度。高速CNC系统的核心技术主要是对样条实时插补和无冲击加速器的操作。样条实时插补的过程中要尽量避免样条的线性化;无冲击加速器操作过程中要对进给加速度与时间曲线进行分析, 保证给进不产生冲击给进值。在该过程的操作中, 操作人员要对NC进行预处理, 以离线方式完成对NC的语法操作检查、语法分解固定循环、语法参数计算和公式计算。
3 总结
在当前的电子技术的、信息技术、网络技术等多种技术的支撑下, 数控高速加工水平已经大大提高。除上述的数控高速加工技术外, 辅助单元技术、自动化控制技术、高速机床支撑系统技术等也逐渐在数控高速加工中被广泛应用。随着当前电子技术不断革新, 数控高速加工技术必将引领机械制造行业的迅猛发展, 实现机械制造业的又一革命。
摘要：随着当前技术的不断进步和发展, 机床数控已经逐渐呈现出以高精度为基础的时代特征。在当前的数控高速加工过程中, 通过对高速加工技术的使用和调整可以有效提高生产效率, 改善加工面的质量。本文就当前数控高速加工刀具和系统的要求进行分析, 对高速削切机系统技术、高速主轴单元技术、高速驱动系统技术、高速CNC系统技术进行研究, 现研究结果如下。
关键词：数控加工,高速加工,技术标准
参考文献
[1]李英.高速加工技术现状及其关键技术[J].重庆科技学院学报 (自然科学版) , 2009 (3) :3-4
高速加工技术应用研究 篇7
PowerMill软件是英国Delcam公司开发的专门应用于数控编程的软件,它是基于工艺特征、有多种加工策略、适用于高速加工的一款智能化CAM系统。
高速加工(High Speed Machining,HSM)也称高速切削[1](High Speed Cutting,HSC),是指在高的主轴旋转速度和高的进给速度下的切削加工,它是集高效、优质和低耗于一身的先进制造技术,主要应用于航空航天、模具制造和精密零件加工等领域。高速切削目前已经成为提高加工效率、提高加工质量和缩短加工时间的重要途径之一,本文基于PowerMill对高速加工的编程技术进行研究。
1 高速加工与普通加工编程的区别
高速加工的数控编程不仅仅在切削速度、切削深度和进给量上不同于普通加工,而且还必须有全新的加工策略,以创建高效、精确、安全的刀具路径[2],从而达到预期的加工要求。
高速加工时除了使用小的进给和小的切削深度外,编制数控程序时尽量避免加工方向的突然改变,从自由曲面的2.5轴铣削到5轴铣削,传统加工的编程策略不适应高速加工。
1.1 高速加工数控编程的特点
高速加工数控编程的特点如下:(1)由于高速加工的特殊性和控制的复杂性,编程时需注意加工方法的安全性和有效性;(2)应尽可能地保证刀具轨迹的光滑平稳;(3)应尽量使刀具所受的载荷均匀。
1.2 高速加工对CAM软件的功能要求
高速加工对CAM软件的功能要求如下:(1)高速加工中采用高转速、小背吃刀量、快进给,其NC程序比传统的数控加工程序大得多,因而要求CAM软件计算速度要快,以节省刀具轨迹和优化编程的时间;(2)具有全过程过切处理能力和自动化刀柄干涉检查能力;(3)具备丰富的高速加工策略。
1.3 高速加工对数控程序编写的要求
高速加工对数控程序编写的要求如下:(1)保持恒定的切削载荷;(2)保证工件的高精度;(3)保证工件的优质表面;(4)编辑优化刀具轨迹。
2 高速加工编程策略
2.1 高速加工编程基本策略
高速加工编程基本策略如下[3,4]:(1)NC编程人员应了解高速加工的工艺策略;(2)应保持恒速切削,避免加工方向的突然改变;(3)将复杂型面或拐角处单独加工;(4)应让刀具缓慢切入工件,从一个切削层进入另一个切削层;(5)必要时,可对工件型面复杂的部分进行预处理,以避免在高速精加工时,小直径的刀具因上道工序使用大直径刀具残留的“加工残余”而使切削负荷突然增加;(6)高速加工数控程序应有仿真、事前验证刀路的功能;(7)应用前瞻功能优化刀具轨迹,从而减少频繁调用加、减速程序。
2.2 基于特征制造的高速加工编程策略
基于制造特征的高速加工编程技术,不像传统的数控加工直接对刀具中心轨迹进行编程,而是根据零件的制造特征(如平面、孔、型腔等特征)进行程序设计。数控程序由几何信息和工艺信息描述构成。几何信息采用STEP数据格式描述,可直接从CAD/CAM中获取STEP类型的数据文件;工艺信息描述所有价格的详细定义(如特征代码、刀具数据、加工方式和其他数据)。
新的编程策略重新定义了CAD/CAM和CNC的接口,以STEP形式的CAD三维产品数据模型(包括工件的几何信息、制造特征等)配上工艺信息集成产生NC程序,控制加工中心机床的运动。
3 PowerMill编程的基本步骤
PowerMill编程的一般流程主要包括模型输入[5]、毛坯定义、刀具定义、刀具路径的生成、刀具路径仿真和NC程序的生成,其具体步骤如下:
(1)模型的输入:在PowerMill中,可直接输入各种格式的数据文件。
(2)毛坯的定义:可采用多种方式定义毛坯。
(3)刀具的初始设置:一般包括刀具定义、进给率设置、快进高度设置、加工开始点和结束点设置、切入切出设置、连接设置和刀轴方向设置。
(4)刀具路径的生成:在PowerMill中,包括2.5维区域清除、三维区域清除、钻孔和精加工等加工策略的刀具路径的生成。
(5)刀具路径的仿真:可对生成的刀具路径进行仿真加工。
(6)NC程序的生成:可生成任意程序的NC数控代码。
4 基于PowerMill的整体叶轮高速加工编程
4.1 基于Pro/E的整体叶轮建模
叶轮(impeller)是离心式压缩机的核心组件,其几何形状如图1所示。叶轮的几何部分分为轮毂(Hub)和叶片(Blade)两个部分,而叶片又包括包覆曲面(Shroud Surface)、压力曲面(Pressure Surface)和吸力曲面(Suction Surface)。
叶轮的轮毂部分是回转体,其建模过程相对比较简单,只需要对构造的轮毂曲线进行旋转就可生成轮毂实体。而叶片的建模过程相对比较复杂,需先输入型值点来构造NURBS截面曲线,并对其进行插值、光顺处理,然后生成NURBS曲面,最后缝合NURBS曲面生成叶片的实体。建立整体叶轮的基本流程如图2所示。在Pro/E环境下建立整体叶轮实体模型的过程[6]如图3所示。
4.2 基于PowerMill的整体叶轮高速加工编程[7]
4.2.1 模型的输入
先通过PowerMill的Delcam Exchange转换工具将在Pro/E环境下建好的叶轮模型转换成PowerMill支持的数据格式,然后点击“文件”→“输入模型”,导入叶轮模型,导入的叶轮模型如图4(a)所示。通过层和组合分别定义轮毂、包覆曲面、左叶片和右叶片等特征。
4.2.2 毛坯的定义
先通过PowerMill的Delcam Exchange转换工具将在Pro/E环境下建好的叶轮毛坯模型转换成PowerMill支持的数据格式,然后点击“毛坯”按钮,选择毛坯类型为三角形,导入的叶轮毛坯模型如图4(b)所示。
4.2.3 刀具的初始设置
点击“定义刀具”按钮定义刀具,定义3把刀具分别为B6、B4、B2。按照仿真要求定义进给率、转速、快进高度、加工开始点和结束点、切入切出、连接和刀轴方向等。
4.2.4 刀具路径的生成
打开叶盘区域清除策略,在叶盘定义项目中导入轮毂曲面、包覆曲面、左叶片和右叶片,整体叶轮的加工主要采用叶盘区域清除策略、叶片精加工策略和轮毂精加工策略,生成整体叶轮的刀具路径图。
4.2.5 刀具路径的仿真加工
打开ViewMill工具栏,单击ViewMill视窗切换按钮进入仿真窗口,单击开始仿真按钮,开始整体叶轮的加工仿真。整体叶轮刀具路径的仿真加工包括:叶盘的区域清除刀具路径仿真;叶片的半精加工刀具路径仿真;轮毂的半精加工刀具路径仿真;叶片的精加工刀具路径仿真;轮毂的精加工刀具路径仿真。其加工仿真过程如图5所示。
4.2.6 NC程序的生成
经过刀具避让、干涉检查和模拟加工,确定无误后就可以将加工策略生成为走刀路径,其后就可以将走刀路径生成NC程序文件。
5 结论
在高速加工技术不断发展的今天,传统的加工方法已经不能满足实际加工的需要,因而HSM加工技术越来越得到更多企业的青睐。高速加工编程技术是高速加工中的一大难题,本文分析了PowerMIll高速加工编程的基本步骤,以整体叶轮为研究对象,在PowerMill环境下,对其进行了高速加工路径规划,实现了整体叶轮的高速加工仿真,并生成NC代码。
摘要：论述了高速加工编程和普通加工编程的区别以及高速加工的编程策略,并分析了PowerMill数控编程的基本步骤。根据实际工程数据,在分析整体叶轮建模的基础上,利用Pro/E软件实现了整体叶轮的建模;然后在PowerMill环境下分析和研究了整体叶轮的走刀路径,并对其进行模拟加工仿真;最后,在PowerMill环境下实现了整体叶轮的高速加工编程,为高速加工编程提供参考。
关键词：高速加工,整体叶轮,数控编程,PowerMill
参考文献
[1]何庆.高速加工和数控编程[M].北京:电子工业出版社,2009.
[2]王卫兵.高速加工数控编程技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
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[4]王令其,缪德建,左键民.面向高速切削的CAD模型与CAM编程[J].组合机床与自动化加工技术,2007(4):59-61.
[5]谢玉书.基于PowerMill的高速铣削加工技术[J].模具制造技术,2006(9):59-61.
[6]赵玉侠,狄杰建.基于五轴机床的叶轮实体建模与加工[J].制造技术与机床,2011(12):167-170.
高速加工技术应用研究 篇8
关于高速切削加工的范畴, 一般有以下几种划分方法, 一种是以切削速度来看, 认为切削速度超过常规切削速度5-10倍即为高速切削。也有学者以主轴的转速作为界定高速加工的标准, 认为主轴转速高于8000r/min即为高速加工。还有从机床主轴设计的角度, 以主轴直径和主轴转速的乘积DN定义, 如果DN值达到 (5~2000) ×105mm.r/min, 则认为是高速加工。生产实践中, 加工方法不同、材料不同, 高速切削速度也相应不同。一般认为车削速度达到 (700~7000) m/min, 铣削的速度达到 (300~6000) m/min, 即认为是高速切削。
2 数控高速切削加工的优越性
高速切削由于在速度上要比传统的切削技术高, 所以具有很多的优势, 主要表现如下:第一, 由于高速切削所采用的是小切削技术, 所以在切削的过程中, 对于轴承和刀具的所产生的振动要小很多, 减少了对设备的磨损, 同时因为振动幅度小, 提高了加工的精度;第二, 因为切削的速度提升了, 所以提高了加工的效率;第三, 由于切削速度快, 所以在切削的过程中, 在产生的热量还没有传递到工件上时, 就已经被切削掉的切屑所带走, 减少了对工件所产生的热变形, 在物理角度讲, 提升了表面加工的精度;第四, 由于在高速切削中, 进给量要小, 所以在加工的过程中所产生的振动要小, 这样对于工件表面的加工精度和粗糙度都有很大的提升;第五, 由于高速切削的速度快, 提高了生产效率, 那么对于机械设备的磨损大大的降低, 降低了生产能耗, 并且减少了对切削液的使用, 是一种非常环保的切削技术。
3 数控高速切削技术的应用领域研究
鉴于以上所述高速切削加工的特点, 使该技术在传统加工薄弱的领域有着巨大应用潜力。首先, 对于薄壁类零件和细长的工件, 采用高速切削, 切削力显着降低, 热量被切屑带走, 可以很好的弥补采用传统方法时由于切削力和切削热的影响而造成其变形的问题, 大大提高了加工质量。其次, 由于切削抗力小, 刀具磨损减缓, 高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料、耐磨铸铁等用传统方法难以加工的材料, 可以研究采用数控高速切削技术来加工。另外, 在汽车、模具、航天航空等制造领域, 一些整体构件需要比较大的材料切除率, 由于数控高速切削的进给速度可随切削速度的提高而相应提高, 使得单位时间内的材料切除率大大提高, 因而在模具制造、汽车制造、航空航天制造中, 数控高速切削技术的应用将产生巨大的经济效益。第四, 由于高速切削时, 加工过程平稳、振动小, 与常规切削相比, 高速切削可显着提高加工精度1~2级, 完全可以取消后续的光整加工, 同时, 采用数控高速切削技术, 能够在一台机床上实现对复杂整体结构件同时进行粗、精加工, 减少了转工序中可能的定位误差, 因而也有利于提高工件的加工精度。因此, 高速切削技术在精密制造中有着广阔的应用前景。
4 实现数控高速切削加工的关键技术研究
4.1 高速切削机床技术模块:
高速切削机床需要高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统。高速加工要求主轴单元能够在很高的转速下工作, 一般主轴转速10000r/min以上, 有的甚至高达60000-100000r/min, 且保证良好动态和热态性能。其中关键部件是主轴轴承, 它决定着高速主轴的寿命和负载容量, 也是高速切削机床的核心部件之一, 主轴结构的改进和性能的提高是高速机床的一项重要单元技术。另一项重要的单元技术是高速进给系统。随着机床主轴转速的提高, 为保证刀具每齿或每转进给量不变, 机床的进给速度和进给加速度也相应提高, 同时空行程速度也要提高。因此, 机床进给系统必须快速移动和快速准确定位, 这显然对机床导轨、伺服系统、工作台结构等提出了新的更高要求, 是制约高速机床技术的关键单元技术。
4.2 高速切削刀具技术模块:
在高速切削技术中, 刀具的应用十分重要, 刀具和机床共同组成了加工工艺系统, 其中刀具是关键技术。在加工工艺系统中, 刀具是直接作用在工件上的工具, 所以刀具的使用直接影响到速度。由于运行的速度较高, 所以对于刀具的标准要求较高, 对其在材料、几何参数和结构等方面都有很高的标准要求。由于是高速切削, 所以不仅要保证刀具的运行速度和质量, 同时对于刀具运行的安全性也有很高的要求, 这就要求对于刀具的安装要高标准, 严要求。尽量的保证刀具本身的重量要轻, 防止因为高速运转时产生的离心力而发生危险, 并且要对刀具的夹紧方式有所改变。这些都是我国的刀具在未来的时间内需要改进的地方。
5 高速切削技术应用方面研究状况和发展趋势
高速切削技术目前在我国还处于实验室研究阶段, 还停留在理论研究上, 在相关的技术方面还有待进一步提升。但是在美、日、德等国家已经有了很高的技术性的研究, 并且已经应用在了实际的生产中, 由于高速切削可以带来巨大的生产效益, 所以有些国家已经研究出了超高速机床并且应用到了商业中。因为这项技术可以为工业生产带来巨大的效益, 为一个国家的经济发展创造巨大的价值, 所以这是各个国家竟想研究的重要领域, 并且在未来的发展中, 将会对其在质量、速度和效率方面有更深的研究, 具有很大的潜力。
结语
数控高速切削技术在我国还不够完善, 和国外的先进技术相比, 我国还处于实验室阶段, 技术上还不够成熟, 有待提升。随着我国工业的发展, 对于数控高速切削技术的应用比较迫切, 对于我国的航空、汽车和模具等各个方面的发展都有极其重要的影响, 所以我国应该在相关技术方面给予足够的重视, 为我国经济发展创造更为有利的环境。
参考文献
[1]H·舒尔茨着, 高速加工发展概况, 王志刚译, 机械制造与自动化[J].2002 (1) .
高速加工技术应用研究 篇9
随着切削速度的提高, 材料切除率也将增高, 切削质量不断提升, 但刀具切削力降低, 刀具使用寿命也随之降低。高速切削优点包括:
(1) 加工效率增高;
(2) 已加工表面质量高;
(3) 零件加工质量提升;
(4) 切削力降低;
(5) 工件变形减小;
(6) 制造成本降低。
结合航空领域对零部件加工质量高要求, 通过对高速切削技术的发展与应用特点研究, 本文针对航空大型铝合金壁板类结构件, 开展相关高速切削技术的试验性研究。
1 加工试验环境及对象分析
1.1 加工试验环境
高速切削是一项综合的切削加工技术, 高速切削加工需要加工资源包括:高速切削机床, 适应高速切削的刀具技术、工艺技术、CAD/CAM技术和冷却润滑技术等。本文研究高速切削技术加工试验环境见表1。
1.2 加工对象分析
(1) 机翼大型壁板类结构件
机翼壁板是比较典型的一个铝合金壁板零件, 零件壁厚2mm~8mm, 结构相对复杂, 表面加工质量要高, 尺寸公差要求高。普通机床加工, 受加工机床、刀具等因素制约, 进给速度一般为200mm/min~2000mm/min、转速控制在1000r/min~2500r/min, 金属切除率很低, 零件表面质量不高, 加工后需钳工修整, 增加了零件加工周期。
(2) A320滑轨肋结构件
滑轨肋是空A320客机上的重要组件, 其主要对机翼前缘的移动部分进行支撑。每个肋板零件与蒙皮相连接的缘条、内部的减轻槽腔、加强筋、装配孔、通孔及定位凸台、肋等对装配孔的位置、精度要求非常高, 而且, 零件的外形公差要求严格、零件的表面光度要求较高。
2 工艺分析及加工策略
2.1 工艺分析
适合高速切削的航空零件主要包括:壁板、框、梁、肋等结构件。航空产品中的多数零件都是双面结构的, 这种双面结构主要包括两种典型工艺路线:
综上所述, 针对本文研究的机翼壁板、A320滑轨肋进行高速切削技术研究, 应选择A方案。
2.2 加工策略
2.2.1 数控编程的特点
高速切削的数控编程具有一定的特殊性, 在切削方式、刀具轨迹等方面都和普通数控加工有很大的区别, 具体要点包括:①多采用分层铣削;②尽可能减少程序块, 提高程序处理速度;③减少速度的急剧变化, 在走刀方向变化较大的位置加入圆弧过渡段;④减少铣削负荷的变化, 使加工余量尽量控制均匀;⑤原则上均采用顺铣方式;⑥切入和切出尽量采用切向进刀;⑦粗加工要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀。
2.2.2 刀具选择
根据零件形腔的转角半径, 选择粗加工刀具时, 应尽可能选用大直径刀具, 充分发挥机床的有效功率, 提高切削效率。同时也要注意, 粗、精加工刀具直径相差太大, 将会在零件转角处的腹板上产生三角形残留。选择精加工刀具时, 精加工刀具的半径要小于零件形腔最小转角半径, 这样有利于在转角处形成圆滑的过渡曲线, 避免切削力在转角处突然增大, 使刀具折断。
2.2.3 参数选择原则
高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时, 加工用量会有很大差异。通常随着切削速度的提高, 加工效率提高, 刀具磨损加剧;加工表面粗糙度随切削速度提高而降低;对于刀具寿命, 每齿进给量和轴向切深均存在最佳值, 而且最佳值的范围相对较窄。因此, 高速铣削参数一般的选择原则:高的切削速度, 中等的每齿进给量fz, 较小的轴向切深ap, 适当大的径向切深ae。
2.2.4 编程策略
(1) 设置每层最大切深, 分层加工。加工铝合金一般每层深度3mm, 每层最大切深设置。
(2) 转角降速。在铣削加工零件的内型时, 经常会遇到因零件分粗、精加工。粗加工时, 主要以去除多余金属为目的, 为了提高效率, 通常选用直径较大的铣刀, 而在精加工时, 由于受到零件转角半径的限制, 通常刀具直径较小, 当精加工时, 刀具加工到转角部位时, 其径向切深ae会突然增大数倍, 如进给速度f仍保持不变, 则会加快刀具的磨损, 甚至造成刀具折断;零件由于切深的突然增大, 刀具发生振动, 在转角处表面产生振纹;对于某些控制系统缺少前瞻功能的机床, 还会产生过切现象。这个问题在使用CATIA V5编程时, 通过软件功能很好地解决。即在确定零件进给速度的选项中, 激活转角降速按钮, 即可完成在刀具加工转角时, 按比例降低进给速度, 从而达到保护刀具, 提高零件加工精度的目的。
(3) 必要时设置拐角强制圆弧过渡。因为高速加工的特殊性, 要求走刀路径不能存在直角和锐角。设置拐角强制圆弧过渡功能, 可以保证刀具切削过程的连续性和平稳性。“High Speed Milling”开关打开/关闭的区别 (圆角半径1mm) 。
(4) 设置进退刀宏指令。高速铣环切时经常使用螺旋进刀的方式, 即刀具的中心沿着一条螺旋线运动至零件的腹板表面的加工方式。这种方式减小了加工过程中零件对刀具的抗力, 同时可以保证刀具的底刃在加工中能够切除移动轨迹上的零件材料, 尤其对那些没有过中心横刃的刀具, 采用这种方法可以在没有预制孔的情况下直接加工到深度。退刀可采用轴向抬刀到安全平面或切向圆弧退刀方式。
2.2.5 加工验证
以机翼壁板、滑轨肋零件为验证对象, 进行高速加工试验。与非高速加工相比, 机翼壁板的加工效率提升了50%, 滑轨肋零件的加工效率提升了47%;数控加工工时缩短了普通数控加工的一半, 而且加工后的零件表面质量完全达到图纸要求, 省去了大量的钳工打磨工作。
3 结论与展望
本文以机翼壁板、滑轨肋零件为对象, 通过对零件的加工试验环境、工艺分析及加工策略等高速切削技术的研究与试验发现:与常规加工相比, 零件加工效率提升了47%以上;加工工时缩短了近50%, 减少了大量的钳工打磨等工作。因此, 高速切削技术在飞机结构件加工中的应用, 不但能缩短大型飞机铝合金结构件加工周期, 而且能够节约相关零件加工制造成本。
参考文献
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[3]陆洁, 李小游.高速切削技术及其在飞机结构件加工中的应用[J].教练机, 2011 (02) :25-28.
数控高速加工技术分析 篇10
1.1 高速切削加工技术
高速切削加工技术是一项先进的切削加工技术, 由于其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工大幅度提高, 切削机理也发生了根本的变化, 所以常规切削加工中倍受困扰的一系列问题, 通过高速切削可得以解决。与常规切削加工相比, 高速切削具有它的特点: (1) 加工效率高, 随着切削速度的大幅度提高, 进给速度也相应提高, 单位时间内的材料切除率可达到常规切削的3-6倍, 甚至更高。此外, 高速切削机床快速空行程速度的提高缩短了零件加工辅助时间, 也极大地提高了切削加工效率。 (2) 切削力降低, 切削热对工件的影响小:高速切削中在切削速度达到一定值后, 切削力可降低30%以上, 尤其是径向切削力降低更明显。同时, 95%-98%以上的切削热被切屑飞速带走, 仅有少量切削热传给了工件, 工件基本上保持冷态。因此特别适合加工薄壁类、细长等刚性差的零件和易于变形的零件。 (3) 加工精度高, 高速加工刀具激振频率远离工艺系统固有频率, 不易产生振动;自由切削力小, 热变形小, 残余应力小易于保证加工精度和表面加工质量, 因此采用高速切削常可省去车、铣削后的精加工工序。 (4) 可切削钛合金、高温合金等各种难加工的材料:航空航天等尖端部门的零件制造大量采用难加工的材料。例如钛合金, 这种材料化学活性大, 导热系数小, 弹性模量小, 因此刚性差, 加工时易变性, 而且切削温度高, 单位面积的切削力大, 零件表面的冷硬现象严重, 刀具后刀面磨损剧烈。若采用涂层整体硬质合金刀具高速切削钛合金, 切削速度可达200m/min以上 (比传统切削加工速度高10倍左右) , 加工效率和零件表面加工质量都能获得大幅度的提高。
1.2 数控车床加工技术
数控加工是指在数控机床上对零件进行加工的工艺方法。一般来说, 数控车床加工技术主要涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两大方面, 数控加工中地刀具、夹具等工装也在其涉及的范围内。数控机床运动的可控性为数控加工提供了硬件基础, 但是数控机床也是按照提供给它的指令 (加工程序) 来执行运动的, 因此数控加工工艺的制定和零件加工程序的编制是实现数控加工的重要环节, 是获得合格零件的保证。特别是对于复杂零件加工, 其重要性甚至超过数控机床本身。由此可见, 数控车床加工技术一种能高效、优质的实现产品零件加工的有关理论、方法与实践技术, 是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基础与关键。
1.3 数控快速点磨削技术
快速点磨削技术是由德国Junker公司在1994年开发的一种集CNC、CBN超硬磨料、超高速磨削三大先进技术于一体的高效率、高柔性先进加工工艺, 主要是用于轴套类零件地加工。它采用超薄层CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮, 是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合, 是目前高速磨削最先进的技术形式之一。快速点磨削主要有以下特点: (1) 在磨削工件外圆时, 工件的轴线与砂轮的轴线并不是始终处于水平状态, 而是在水平和垂直方向都旋转一个角度, 以实现砂轮与工件理论上的点接触。通过数控系统控制这两个方向的点磨变量角和X、Y方向的联动速度来实现对不同形状表面的加工。 (2) 快速点磨削砂轮采用超硬磨料CBN, 这种材料具有高硬度, 高耐磨性等特点, 使砂轮的速度可以达到90-160m/s, 从而保证快速点磨削具有较高加工效率。 (3) 通常快速点磨削砂轮采用CBN材料或者人造金刚石超薄砂轮, 厚度只有4-6mm, 这样的薄砂轮可以大大减少砂轮质量, 这不仅能降低砂轮的造价还能减少砂轮运转时的不平衡度, 从而降低运转时施加在轴上的离心力。 (4) Junker公司数控快速点磨削机床采用了多项专利技术, 例如砂轮三点定位安装系统, 砂轮主轴电平衡自动控制系统, 机密导轨系统以及砂轮在线修整技术, 从而保证机床的加工性能。
2 数控高速加工技术分析
2.1 提高生产率
生产率与切削用量有着密切的关系。合理的切削用量是保证生产率的重要因素。相当于传统加工方式用大直径的刀具、大切深、大切宽的切削用量, 而在高速加工方式下, 都采用小直径的刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高加工效率。高速加工的进给速度一般是传统加工方式的5-10倍, 材料去除率可提高3-6倍, 从而大大地提高了生产效率。
2.2 改善加工产品的质量
由于高速加工的切削力大幅度减小, 刀具和被加工零件之间的系统振动很小, 容易得到很好的表面加工质量, 可作为机械加工的最终精加工工序和镜面加工。另外一方面, 由于主轴转速高, 刀具和工件的接触频率大为增加, 在加工表面产生高频压应力, 从而大幅度减小加工表面的表面粗糙度、提高加工表面的接触刚性和零件的耐磨性能。尤其是在模具行业, 采用高速加工工艺, 模具的平均使用寿命提高3倍。
3 结束语
机械制造业是一个国家最基本的行业, 它的发展水平直接影响我国经济水平, 为了我国经济的飞跃和国民生产总值的提高, 国家对重大科技产业项目也越来越重视, 综合科学技术水平将日益提高, 高速加工技术已经站在世界制造技术的顶端, 因此高速加工技术在国内机械制造业将日趋实用和普及。数控高速加工技术以其高精度的高数加工特点受到了各个行业的青睐。就目前而言已经在航空航天、汽车行业和高精度的模具行业得到了广泛的应用。
参考文献
[1]朱晓春.数控技术[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[2]周正干, 王美清, 李和平.高速加工的核心技术和方法[J].航空制造技术, 2000 (3) .
[3]徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1991.