切削加工技术（精选12篇）
切削加工技术 篇1
通常, 按加工精度划分, 可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。加工精度在0.1～1μm, 加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之间的加工方法称为精密加工;精度高于0.1μm, 表面粗糙度小于Ra0.01μm之间的称为超精密加工。因此, 如果从去除单位尺寸将切削加工加以区别的话, 以微米级的去除, 才属于超精密加工。
1 金刚石刀具切削的机理
超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的, 故一般称为金刚石刀具切削或SPDT (Single Point Diamond Turning) 。金刚石刀具的超精密切削加工虽有很多优点, 但要使金刚石刀具超精密切削达到预期的效果, 并不是很简单的事, 许多因素都对它有影响。
1.1 切削厚度与材料切应力的关系
金刚石刀具超精密切削属微量切削, 其机理和普通切削有较大差别。精密切削时要达到0.1微米的加工精度和Ra0.01微米的表面粗糙度, 刀具必须具有切除亚微米级以下金属层厚度的能力。由于切深一般小于材料晶格尺寸, 切削是将金属晶体一部分一部分地去除。因此, 精密切削在切除多余材料时, 刀具切削要克服的是晶体内部非常大的原子结合力, 于是刀具上的切应力就急剧增大, 刀刃必须能够承受这个比普通加工大得多的切应力。
切削厚度与切应力成反比, 切削厚度越小, 切应力越大。当进行切深为0.1微米的普通车削时, 其切应力只有500MPa;当进行切深为0.8微米的精密切削时, 切应力约为10000MPa。因此精密切削时, 刀具的尖端将会产生根大的应力和很大的热量, 尖端温度极高, 处于高应力高温的工作状态, 这对于一般刀具材料是无法承受的。因为普通材料的刀具, 其刀刃的刃口不可能刃磨得非常锐利, 平刃性也不可能足够好, 这样在高应力和高温下会快速磨损和软化, 不能得到真正的镜面切削表面。而金刚石刀具却有很好的高温强度和高温硬度, 能保持很好的切削性能, 而不被软化和磨损。
1.2 材料缺陷及其对超精密切削的影响
金刚石刀具超精密车削是一种原子、分子级加工单位的去除 (分离) 加工方法, 要从工件上去除材料, 需要相当大的能量, 这种能量可用临界加工能量密度δ (J/cm3) 和单位体积切削能量ω (J/cm3) 来表示。临界加工能量密度就是当应力超过材料弹性极限时, 在切削相应的空间内, 由于材料缺陷而产生破坏时的加工能量密度;单位体积切削能量则是指在产生该加工单位切削时, 消耗在单位体积上的加工能量。从工件上要去除的一块材料的大小 (切削应力所作用的区域) 就是加工单位, 加工单位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同时, 被加工材料的破坏方式就不同。
2 超精密金刚石刀具切削
当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔一微米则还要狭窄的区域时, 在此狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生材料滑移变形。当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔还要宽的范围内时, 位错线就会在位错缺陷的基础上发生滑移, 同时在比剪切应力理论值低得多的加工应力作用下, 晶体产生滑移变形或塑性变形。当加工应力作用在比晶粒大小更宽的范围时, 多数情况易发生由晶界缺陷所引起的破坏。实际上, 在比微错缺陷平均分布间隔还要小的范围内, 还存在着空位、填隙原子等缺陷, 会演变成位错并发生局部塑性滑移.因此实际剪切强度比理论值低, 实际的临界加工能量密度和单位体积切削能量比理论值也要低得多。
2.1 金刚石刀具起精密车削表面的形成
用金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影响因素有几何特性、塑性变形和机械加工振动等。几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进给量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度。图a表示了在切削时, 主偏角kr、副偏角kr和进给量f对残留面积高度的影响。图中ap为切削深度, Ry为表面粗糙度的轮廓最大高度, 由几何关系可知:
Ry=f/ (ctgkr+ctgk’) r
图b表示了在切削时, 刀尖圆弧半径re和进给量f对残留面积高度的影响, 其几何关系如下:
Ry≈f2/8re
2.2 金刚石刀具超精密车削的切屑形成
金刚石刀具超精密车削所能切除金属层的厚度标志其加工水平。当前, 最小切削深度可达0.1微米以下, 其主要影响因素是刀具的锋利程度, 一般以刀具的切削刃钝圆半径rn来表示。超精密车削所用的金刚石车刀, 其切削刃钝圆半径一船小于0.5微米, 而切削时的切削深度ap和进给量f都很小, 因此, 在一定的切削刃钝圆半径下, 如果切削深度太小, 则可不能形成切屑。切屑能否形成主要取决于切削刃钝圆圆弧处每个质点的受力情况, 在自由切削条件下, 切削刃钝圆圆弧上某一质点A的受力情况见图。该点有切向分力Fz和法向分力Fy, 合力为Fy, z。切向分力使质点向前移动, 形成切屑;法向分力使质点压向被加工表面, 形成挤压而无切屑。所以, 切屑的形成取决于Fz和Fy的比值, 当Fz>Fy时, 有切削过程, 形成切屑;当Fz
式中:ψ—金刚石刀切削时的摩擦角;
Ff—金刚石刀切削时的摩擦力;
Fn—金刚石刀切削时的正压力。
可见, 切削刃钝圆半径rn是决定切屑形成的关键参数。
金刚石刀具越精密切削时, 刀具切削刃钝圆半径小, 切薄能力强, 形成流动切屑, 因此切削作用是主要的。但由于实际切别刃钝因半径不可能为零, 以及修光刃等的作用, 因此还伴随着挤压作用。所以金刚石刀具超精密车削表面是由微切削和微挤压而形成, 并以微切削为主。
3 结语
近几年来, 切削加工技术得到了突飞猛进的发展, 像计算机用的磁鼓、磁盘, 大功率激光用的金属反射镜, 激光扫描用的多面棱镜, 红外光等用的光学零件和复印机的高精度零件, 都是用切削的方法加工出来的, 超精密切削加工技术在这个技术时代显得尤为重要。
摘要：超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的, 故一般称为金刚石刀具具切削或SPDT。对超精密切削加工技术及其机理进行介绍和总结, 希望对超精密加工行业同事有所指导。
关键词：超精密切削,金刚石,机床
参考文献
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[2]陈明君, 王景贺, 原大勇, 罗熙淳, 李旦.KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真[J].光电工程, 2005, (5) .
切削加工技术 篇2
1 高速切削将成为切削加工的新工艺
以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。
高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。
2 加快关键技术的开发应用
2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术
刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。
PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。
2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能
随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。
为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。
模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。
与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，
2.3 快速发展的配套技术
切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。
双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。
在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。
3 机床技术
3.1 驱动和传动技术
高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。
直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。
目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。
3.2 控制和数控技术
高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。
4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施
我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。
切削技术在机械加工中的应用 篇3
关键词：切削技术；机械加工；数控机床
随着现代工业经济的快速发展，机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位， 金属切削加工是机械加工过程中必不可少的手段。随着数控技术及刀具技术共同发展的同时，切削刀具及切削速度都得到了高速发展，在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm进步到5μm，精密级加工中心则从3～5μm进步到1～1.5μm，（高速加工中心）并且超精密加工精度已开端进入纳米级（0.01μm）。刀具材料和涂层技术使用范围不断扩大，涂层硬质合金刀具的切削性能得到大幅提高。新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用与超高速切削紧密相关，高速切削还适用于硬切削、干切削和重切削，是提高切削效率的有效手段。
1.国内外切削技术现状分析
为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，切削刀具表面涂层可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。
目前先进国度的车削和铣削的切削速度已抵达5000～8000m/min以上；机床主轴转数在30000r/min（有的高达10万r/min）以上。例如：在铣削平面时，国外的切削速度普通大于1000～2000m/min，而国内只相当于国外的1/12～1/15，即国内干12～15个小时的活相当于国外干1个小时。据调查，许多加工中心的理论切削时间不到工作时间的55%。因此，如何进步加工效率，降低废品率成了众多企业共同讨论的问题。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。对国内数控加工中心切削效率部分调查发现，普遍存在如刀具精度低、刀片跳动量大、加工光亮度低、工艺设备不配套等诸多问题。我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。
2.提高切削效率的技术分析
2.1. 选择合理的切削刀具
在数控机床切削加工中，切削加工刀具种类很多，金属切削刀具的作用不亚于瓦特发明的蒸气机，为了适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，制造刀具的材料必需具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处置等），并不易变形。所用刀具正朝着标准化、通用化和模块化的方向发展，主要包括铣削刀具和孔加工刀具两大类。先进刀具有三大技术特征：材料、涂层和结构创新。高速切削刀具主要依赖的是刀具材料和涂层技术的进步。高速切削可提高切削效率但不是惟一的手段。刀具的结构创新也是提高切削效率的有效手段。当前前国内外性能好的刀具材料主要有：金属陶瓷、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）刀具等。刀具切削部分的几何参数对切削效率的上下和加工质量有很大影响，高速切削时的刀具前角普通比普通切削时小10°，后角大5°～8°。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃衔接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，（cnc雕铣机）以增大局部刀尖角，增大刀尖左近切削刃的长度和刀具材料体积，以进步刀具刚性和减少刀具破损率。
2.2.选择合理的切削速度。
在选择合理切削用量的同时，尽量选择密齿刀（在刀具每英寸直径上的刀齿数≥3），增加每齿进给量，提高消费率及刀具寿命。当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺成为制造技术进步加工效率和质量、降低成本的主要途径。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则：1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。当线速度为165m/min，每齿进给为0.04mm时，进给速度为341m/min，刀具寿命为30件。假设将切削速度进步到350m/min，每齿进给为0.18mm（高速加工中心），进给速度则抵达2785m/min，是原来加工效率的817%，而刀具寿命增加到了117件。2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内选取。3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/min范围内选取。
2.3.加工方式的选择
注重刀具的结构创新往往是提高切削效率的更有效和更可行的手段，但提高切削效率仅靠先进刀具是不够的，应该掌握和运用与切削过程相关的技术，全面提高生产效率。通过对加工工艺方式的创新是提高生产效率的有效手段。加工方式可分为顺铣与逆铣两种。而加工中心的机械传动系统和结构本身就有较高的精度和刚度，相对运动面的摩擦系数小，传动部件的间隙小，运动惯量小，并有恰当的阻尼比，因此可以采用顺铣的方式加工，以进步加工效率。此外，根据加工阅历，顺铣比逆铣时刀具寿命要进步1倍多，采用不对称的立铣方法，刀具寿命可进步2～3倍。
3. 结束语
金属切削加工将机械加工与电、化学、超声波等不合事理加工方法进行复合，在机械、电机、电子等各种现代产业部门中都起着重要的作用。刀具选择、加工路径规划 、切削用量设定，切削加工工艺方式选择都是提高了加工精度和表面加工质量基础手段。
参考文献：
[1]席俊杰.高速切削的关键技术及应用[J].润滑与密封，2006（05）.
[2]霍文国，徐九华，傅玉灿，戚厚军.绿色磨削加工技术研究现状及进展[J].工具技术，2011（09）.
[3]侯亚丽，商珊珊，顾礼铎，李长河.绿色切削加工技术[J].精密制造与自动化，2007（04）.
工程陶瓷切削加工技术研究 篇4
工程陶瓷具有硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性,广泛应用于机械、电子、汽车、航空航天等领域[1]。因脆性大、韧性低、导热性差等缺陷,传统的加工方法多采用砂轮对其进行磨削。随着科技的发展,激光、电火花、超声波、微波、等离子、高压水射流等先进加工技术也被逐渐应用于其加工中[2]。而关于工程陶瓷切削加工方面的文献报道则相对较少。与其它加工方式相比,切削加工具有更高的材料去除效率,在加工复杂形状时,也具有更好的灵活性。
1 切削机理
工程陶瓷作为典型的脆性材料,其切削机理与金属材料切削加工有着显著区别。在常规切削加工方式下,陶瓷材料以脆性断裂方式去除为主,一般经历初始裂纹的产生、裂纹不稳定扩展、裂纹延伸到自由表面实现材料的去除三个阶段,通过形成粉末状、粒状和块状切屑的方式去除材料[3],对其切削机理的研究建立在断裂力学的基础上。
(1)裂纹的产生。在陶瓷材料切削过程中,通常认为材料是连续的、各向同性的,处于平面应变状态,当内部最大主应力超过材料的抗拉强度时,在材料内部产生裂纹[4]。Inglis通过对均匀受力平板中的椭圆孔进行的受力分析,指出裂纹附近存在应力集中效应,证实裂纹是使材料产生断裂的主要原因。
(2)裂纹的扩展。二十世纪初,英国学者Griffith根据热力学和经典力学中的能量平衡理论,提出了固体材料裂纹扩展判据,为当代断裂力学的发展奠定了基础。其判据可表述为G≥Gc或K≥Kc,G和Gc为机械能释放率及其临界值,K和Kc为应力场强度及其临界值[5]。
(3)切屑的形成。裂纹由刀具刃端出发向刀具前下方扩展,当裂纹扩展到一定程度后,被切削材料将发生剪切断裂,剪切断裂由拉应力引起裂纹的缝端出发,逐步地朝刀具前上方扩展,从而形成切屑[6]。
工程陶瓷在常规加工方式下,加工精度和表面质量较差。在加工高精密零件的时候,必须采用精密和超精密加工方式。在精密和超精密加工方式下,陶瓷材料将以微小的塑性变形方式被去除。塑性切削可以大大提高陶瓷的加工质量。用锋利的金刚石刀具对硬脆材料进行超精密切削的可能性,是以硬脆材料在尖锐压头下能够产生塑性变形为基础的[7]。当裂纹扩展判据不满足,但切削力超过材料本身的屈服应力,即满足屈服条件时,产生塑性变形。
2 切削刀具
工程陶瓷硬度高,采用普通刀具加工刀具时易磨损,造成零件尺寸一致性差,加工表面锥度大,因此合理选择刀具材料变得尤为重要[8]。在工程陶瓷切削加工中,常用硬质合金、陶瓷、金刚石以及CBN等刀具材料,其中金刚石刀具最适合陶瓷材料的加工。
2.1 刀尖几何形状
对工程陶瓷材料进行超精密切削时,为了保证加工质量,材料去除量一般都在微米量级以下,在这种情况下,主要是刀尖部分进行切削。刀尖的几何形状对切削加工有着重要的影响。
常见的金刚石刀具刀尖几何形状主要有尖刃、多棱刃、直线切削刃和曲线切削刃(主要是圆弧切削刃)。直线切削刃切削阻力小、制造容易、研磨方便,安装调整困难。圆弧切削刃对刀容易、使用方便,刀具制造和研磨困难[9]。国外通常采用刀尖圆弧半径小于1mm甚至更小的金刚石刀具[10],为了实现塑性切削,刀具的进给速度必须很低,导致材料去除率也很低。Jiwang Yan[11]等采用半径达到10mm的圆鼻刀对RB-Si C进行了切削加工,在取合适的刀具前角的条件下,材料去除率较传统方法提高了15倍。
2.2 刀具前角
刀具前角对工程陶瓷的加工质量有着重要的影响。采用负前角可以施加压应力场,抑制被切削区域裂纹的扩展,有助于塑性变形区的形成。赵清亮[12]等采用不同的刀具负前角进行了单晶硅的金刚石切削试验,其结果表明,采用前角范围为-15°~-25°的车刀进行切削时有利于抑制原子级尺寸裂纹初步扩展成微裂纹,可以提高加工时的脆塑转变临界切深值,有利于实现塑性域切削。Jiwang Yan[11]等所做的试验也表明对RB-Si C进行切削加工时,刀具前角对工件的表面质量有很大的影响。
2.3 切削刃钝圆半径
切削刃钝圆是指切削刃的刃口形状。切削刃不可能做成一条标准的几何线,刃口形状实际上是一条曲线,通常用圆弧来代替切削刃的刃口形状。切削刃的锋利程度,用在垂直于切削刃的截面内测量的切削刃钝圆半径表示。
在常规切削加工中,切削深度和进给量等都远大于切削刃钝圆半径,可以忽略切削刃钝圆的影响。而在切削深度和进给量都很小的超精密切削加工中,切削刃钝圆的影响则不容忽视。张文生[9,13]等对超精密切削加工时金刚石刀具的作用机理进行分析,指出在对陶瓷等脆性材料进行超精密切削加工时,由于切削刃钝圆半径的存在,实际切削表现为负前角切削,存在临界切削深度acc,当切削深度在acc以内变化时,控制好切削参数,可以实现塑性变形区内超精密切削。赵清亮[12]等采用有限元分析和试验相结合的方法,对单晶硅的超精密切削加工进行研究,证明切削刃钝圆半径越小,应力强度因子Keq越小,裂纹不易扩展;切削刃钝圆半径越大,Keq越大,裂纹容易发生扩展。因此应当选用刃口锋利的刀具以实现塑性域切削。
3 加工工艺
3.1 切削速度
在工程陶瓷的切削过程中,随着切削速度的提高,切削刃附近的陶瓷材料因温度的升高导致韧性提高和屈服强度下降,呈现出由脆性断裂转为塑性去除的趋势,但变化并不明显[4]。李迎杰[14]等用PCD刀具加工Si3N4基工程陶瓷,指出随着切削速度的增加,材料的应变率增大,单位时间内的切削体积增加,导致切削力随切削速度的增大而增大,但是对于表面粗超度的影响不是很大,并且切削速度存在最佳范围,超出此范围,刀具的寿命会急剧降低。杨冬民[15]采用离散元模拟的方法,对Si C的切削过程进行了模拟,结果表明在同一切削深度的条件下,切削速度越高,残留在加工表面的裂纹的最大深度越深。
3.2 进给量
通常情况下进给量过大会造成陶瓷零件加工表面质量的下降,如当切削可加工陶瓷材料时,当进给量大于0.2286mm/r时,加工表面会出现严重破裂,因此进给量应适当取较小值[8]。但是在RB-Si C的切削加工中,当进给量从3μm/r提高到72μm/r时,表面粗超度保持在0.2~0.3μm,进给量对加工表面的影响几乎可以忽略不计[10]。
3.3 切削深度
切削深度对可加工陶瓷加工质量及刀具耐用度影响较小,切削深度最大可达6.35mm[8]。对Zr O2和Si3N4两种陶瓷材料,随着切削深度的减小,材料去除模式逐渐由脆性去除转为塑性去除,在切削深度为10μm时,两种材料均位于脆性去除区域,而当切削深度为2μm时,两种材料均处于塑性去除区域[4]。
3.4 冷却润滑
在进行切削加工时,不可避免的产生大量的切削热,陶瓷材料导热性能很差,导致切削刃处与周围基材的温度梯度很大,过大的温度梯度产生很大的热应力,使得陶瓷易产生裂纹,因此应采用有效的冷却润滑介质以迅速带走切削热,从而提高加工质量。国内外学者进行了多方面有益的尝试,先后提出了微量润滑、油膜润滑、液氮冷却、水蒸气冷却等多种冷却润滑技术,不同程度上发挥了对切削区的冷却润滑作用,但这些技术都是在对金属切削的尝试中总结出来的,针对工程陶瓷这样的硬脆材料是否合理有效,尚待进一步的研究和验证。
4 结论与展望
切削加工技术 篇5
1.普通切削与振动切削
在普通切削中,切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑和已加工表面的形成过程,本质上是工件材料受到刀具的挤压,产生弹性变形和塑性变形,使切屑与母体分离的过程(见图1)。在这种刀具始终不离开切削的普通切削中,刀具的作用包括两个方面:一个是刀刃的作用;一个是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃与被切物接触处局部压力很大,从而
使被切物分离。刀面则在切削的同时撑挤被切物,促进这种分离。普通切削中,伴随着切屑的形成,由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用,将不可避免地产生较大的切削力,较高的切削温度,使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。
基于这种思想,在和有害的自激振动现象作斗争中产生了一种新的切削方法——振动切削。振动切削即是通过在切削刀具上施加某种有规律的、可控的振动,使切削速度、背吃刀量发生周期性的改变,从而得到特殊的切削效果的方法(见图2)。振动切削改变了工具和被加工材料之间的空间与时间存在条件,从而改变了加工(切削)机理,达到减小切削力、切削热,提高加工质量和效率的目的。振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动,低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件,主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题。而超声振动(高频振动)切削已经使切屑形成机理产生重大变化,可以提高被加工材料的可加工性,提高刀具寿命和工件加工质量。超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动,即它是一种脉冲式的断续切削过程。所以,作为精密加工和难加工材料加工中的一种新技术,它的切削效果已经得到世界各国的一致公认,认为它是传统加工技术的一个飞跃。
振动切削系统的流程是:超声波电源输出大功率的超声频的交流信号,由换能器将电能转换成同频率的机械振动,经过变幅杆进行振幅放大,从而带动刀具振动。其组成如图3所示。把振动系统固定在刀架上,刀杆的左端是刀片,右端是振动驱动中心,由换能器和变幅杆将纵向振动转换为弯曲刀杆的横向振动。
2.振动切削的特点及工艺效果分析
(1)振动切削的特点
振动切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、刀具寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点:
①在切削过程中,刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态。
②有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。
③刀具(或工件)的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。
④切削力大部分来自刀具(或工件)的振动,刀具(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。
(2)工艺效果分析
①瞬间切削力增大
根据连续弹性体动力分析理论,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周边的材料也参与抵抗变形,就使得切口处切削力降低。在振动切削中,材料的破坏过程与普通切削不同,它由每次冲击产生细微破坏而完成切削。在振动切削中,因振动提高了实际的瞬间切削速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少,作用力集中,瞬间切削力增大。从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化。减小塑性变形,利于切削。在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。
②零件表面质量的提高 由表面粗糙度值计算公式:
在振动切削中,由于不灵敏性振动切削机理的特性,Δf和Δαp都趋于零,故ΔRth也趋近于零,从而使已加工表面的表面粗糙度值接近几何表面粗糙度值，
③有利于冷却
刀具的高速振动对刀具的散热十分有利,同时由于刀具的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入刀具和工件之间,也增加了系统的散热能力。振动切削中,刀具在振动源驱动下周期性接触、离开工件。刀屑分离时,切削液产生空化作用,切削液充分进入切削区。振动切削时刀具对工件的冲击作用,应力波的出现,有利于切削区裂纹的萌生和扩展。刀屑接触时,由于压力差出现,使得切削液渗透作用加强,充分发挥切削液的润滑和冷却作用。这些都大大降低了前刀面与切屑间及后刀面与已加工工件表面间的摩擦。
3.振动切削技术的应用
振动切削技术是在研究了切削加工本质的基础上所提出的一种精密加工方法,它弥补了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的适用范围,主要有以下几方面:
(1)难切削材料的加工
不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振切削则可化难为易。例如用硬质合金刀具振动车削淬硬钢(35～45HRC)外圆、端面、螺纹与镗孔时,不但提高了平行度、垂直度与同心度,而且可达到“镜面”的表面粗糙度,也可用金刚石刀具进行振动精密加工。又如钛历来只能以磨削和研磨作为精加工,现用硬质合金刀具振动车削时,其端面上的最大表面粗糙度值可达Ra=2～3μm,最佳时可达Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨与氧化铝等材料时得不到平整的加工表面,只有采用超声振动才能产生微粒式的切削分离并得到整齐的加工表面。国外用超声振动能顺利地切削富铝红柱石,如果将超声波能源切断,工件会马上损坏,根本无法加工。
(2)难加工零件的切削加工
如易弯曲变形的细长轴类零件,小径深孔、薄壁零件,薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件,用普通切削与磨削加工很困难,用振动切削,既可提高加工质量,又可提高生产效率,例如用硬质合金车刀超声振动精车细长的退火调质铝棒(Φ7.2mm,长220mm)的外圆,振动频率为F=21.5kHz,振幅为A=15μm,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全损耗系统用油作为切削液,加工后可获得工件直径精度为4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超声振动精镗有特殊钢制成的薄壁圆筒(工件长70mm,孔径15mm,壁厚1mm),在镗过的50mm长度上可测出内孔精度为4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。
(3)高精度、高表面质量工件的切削加工
与普通切削相比,振动切削时切屑变形与切削力小,切削温度低,加工表面上不产生积屑瘤、鳞刺与表面微裂纹,再加上表面硬化程度较大,表面产生残余压应力小,切削过程稳定,容易加工出高精度与高表面质量的工件。例如前述的超声振动车削软铝制成的细长轴(长200mm,7mm)时可得到圆度2μm、圆柱度3μm/170mm的加工精度。超声车削Φ5mm的电动机整流器铜线时,可得到Ra=0.05μm的镜面,用其他加工方法是不可能达到的。
(4)排屑、断屑比较困难的切削加工
钻孔、铰孔、攻螺纹、剖断、锯切、拉削等切削加工时,切屑往往处于半封闭或封闭状态,因而常不得不由于排屑断屑困难而降低切削用量,这时如果用振动切削则可比较顺利地解决排屑断屑,保证加工质量与提高生产效率。
4.结语
数控加工切削用量的选择 篇6
关键词：数控加工；切削用量；高速切削；刀具耐用度
中图分类号：TG501 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0094-02
在数控加工中，切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，切削用量的大小对加工效率、加工质量、刀具磨损和加工成本均有显著影响。切削用量选择得当，可提高加工效率和提高刀具的使用寿命。那么如何才能合理选择它呢？
讲到切削用量的选择，大多数的教材和文献都说是根据计算公式得出来的。而且刀具、机床出厂时都附有切削用量推荐表，那我们是不是就是直接选用上面的数值来加工呢？本文重点将围绕这方面展开议论。希望能给同行有所帮助，特别是能给新手有所帮助。
1 数控加工中切削用量的选择原则
切削用量包括切削速度（主轴转速）、背吃刀量、进给量，通常称为切削用量三要素。
数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速n或切削速度vc（用于恒线速度切削）、进给速度转vf或进给量f。这些参数均应在机床给定的允许范围内选取。它们的选择原则是由切削的条件决定的。
1.1 粗车
粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量ap，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。
1.2 半精与精车
半精与精车时，因为要保证加工的质量和提高生产率节约加工成本。加工切削用量的选择应该要用小而均匀的背吃刀量，慢的进给但不能太慢，以免延长了加工时间，高的主轴转速以提高工件加工表面的质量。选取的刀具性能要高，尽可能地提高切削速度减少加工的时间及换刀的次数。
数铣、加工中心铣削加工的切削用量包括主轴旋转速度、切削进给速度、背吃刀量（加工深度Z）和侧吃刀量XY。机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择切削进给速度，最后确定主轴旋转速度。因为数控铣削能够采取多种多样的加工方法，对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量。铣削用量是加工过程中重要的组成部分，合理选择切削用量的原则是：粗加工时，是以去除多余的材料为主，在机床与刀具的能力范围内尽可能保证较高的金属切除率；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度，降低加工成本。
2 影响切削用量的因素
由上面的切削用量的选择原则我们知道，决定切削用量数值的主要因素有以下四个方面：
2.1 数控加工机床
切削用量的选择应控制在机床的允许的功率和速度范围之内，机床的刚性应保证在加工的过程中不发生较大振动，保持热稳定性好，热变形小，即可适当提高切削
用量。
2.2 刀具
磨刀不误砍柴工，寓意着一把好刀的重要性。刀具在切削过程中，除了主要承受刀具和工件之间的切削抗力之外，还要承受切屑和刀具前刀面的摩擦力、刀具主后刀面和工件的摩擦力、刀具和工件的冲击力以及由于工件被切除部分的变形及切屑和刀具之间的摩擦所产生的高温等，因此，刀具材料的选择至关重要。表1就是刀具材料的切削性能情况。
现在数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）。机夹刀片的材料和形状尺寸须按工件材料、加工部位的几何形状、粗、精加工等选用。刀片的成本相对一体式的刀具还是比较划算的，所以选取的刀片应该选用切削性能较高的刀片，为节约加工成本而一味选用较便宜的刀片实际上可能反而因为经常更换增加了刀具成本。新型材料刀片虽然价格较贵，但可以缩短加工时间，延长刀具寿命，提高产品质量，因此可能具有更好的经济性。
2.3 工件
工件材料不同，易切削性不同，断屑情况也不同，有时采用各种热处理方法可改善其切削性能，不同的切削材料所选择的加工刀具也不一样，从而影响着切削用量的选择。进给量f的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，f越小；反之则越大。常见的工件材料铝合金易切削，铸铁、结构钢、高碳钢等较难切削，不锈钢、钛合金切削困难，有时采用各种热处理方法可改善其切削性能。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，f就越小。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。还有工件的结构、形状对切削用量的选择影响也比较大。如薄板形工件，由于机床振动、切削力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动而影响加工精度，从而难以保证薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度，这时，选取的加工方式与切削用量还要根据实际情况而定。
2.4 冷却液
冷却液具有冷却和润滑作用，可带走切削过程产生的切削热与切屑，降低工件、刀具、夹具机床的温升，减少刀具与工件的摩擦，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以适量增加切削用量，提高生产效率，节约成本。
现在，随着CAD/CAM技术的发展，许多CAD/CAM软件都提供自动编程功能，这些软件能提供各种各样的加工方法与加工方式。采用这些不同的加工方式也能影响着加工过程中切削用量的数值。还有近年兴起的高速切削，它是针对不同金属材料的工件，当切削速度到达某一特定值时，切削温度不但不会升高反而会降低，产品的质量也会改善，生产效率也会大幅度提高。它打破了传统加工切削条件的制约，相对传统加工具有显著的优越性，所以得到工业界越来越广泛的应用。
由此可见，数控加工过程中，合理地选择切削用量并不容易。所谓“合理的”切削用量是指充分利用现有条件：包括机床动力性能（功率、扭矩）和刀具切削性能（硬度、耐磨性），达到所要求加工质量前提下，减少加工所需的时间以获得高的生产率和降低加工成本所用的切削用量。切削加工中，切削用量三要素是相互联系的，其中任一参数的改变都会导致另外参数产生变化。当切削用量增大时，刀刃负荷也相应的增加，而且切削热增加，刀具磨损加快，从而又限制了加工速度与加工成本的提高。因此，我们要做的不是单一地从计算公式里得出数值就用行了。而是要根据经验把算出来的数值作为参考得出经验的数值，能保证此时的高生产率和低加工成本才是合理的。
数控技术经过近10年的高速发展，现在已进入高速加工时代。其选择切削用量的原则是“少切快走”，即切削深度和行距很小，但进给速度高的高速加工，高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料和切削工时，从而可极大限度地节约加工成本和提高经济效益，提高生产率和产品质量，因此，高速切削在工业生产尤其是规模较大的汽车企业和与之相关的模具制造业上的应用极其广泛。
参考文献
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作者简介：李德贵（1972—），广东湛江人，肇庆市技师学院讲师，研究方向：数控加工与模具。
论高速切削加工技术及应用 篇7
1 高速切削加工的关键技术
高速切削是一项综合性的高新技术。高速切削机床、刀具、切削参数的优化选择及数控编程等是实现高速切削的前提和基本条件。只有在产品研发的各个阶段,综合考虑切削机床与刀具的性能、刀柄系统及高速切削加工的安全防护与监控技术等因素,高速切削技术的优势才能得以有效发挥。
1.1 高速切削机床
高速切削机床是实现高速加工的前提和基本条件,高速切削机床一般有数控机床和精密机床。高速切削机床的结构应具有优良的静、动态特性和热态特性,主轴单元能够提供高转速、大功率、大扭矩,进给单元能够提供大进给量(快速行程速度),主轴和进给单元能够提供较高的加(减)速度。
高速切削机床的结构应确保机床的承载能力、高刚性、热稳定性、耐冲击性和抗振性。目前,高速切削机床多采用龙门式立柱型对称结构,该结构可提高机床的承载能力和刚性,增强机床的耐冲击性和抗振性,降低机床的固有振动频率,减少机床因热变形所造成的几何误差。此外,高速切削机床也有箱型、高床身、防尘密封等结构。
1.2 高速切削刀具
刀具材料的快速发展有力地推动了高速切削技术的应用。高速切削刀具使用的材料种类繁多,包括金刚石、陶瓷刀具材料及高速钢等。不同的刀具材料拥有不同的性能和特定的应用范围。
(1)金刚石刀具。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能,在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和高硅铝合金的高速切削中(如轿车发动机缸体、缸盖、变速器和各种活塞等),金刚石刀具获得良好的应用。
(2)立方氮化硼刀具。立方氮化硼刀具具有高硬度、高耐热性、高化学稳定性和高导热性,但强度稍低。立方氮化硼对黑色金属具有较稳定的化学性能,可以广泛应用于钢铁制品的加工。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁的粗车和精车,又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的切削加工,大幅度提高了加工效率。
(3)陶瓷刀具。陶瓷是非金属材料,具有极高的耐磨性和高温硬度。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷两大类。
(4) TiC (N)基硬质合金刀具。TiC (N)基硬质合金(金属陶瓷)的主要成分是碳氮化钛和作为黏结相的镍或钴。金属陶瓷的化学稳定性好,因此抗磨损能力强。金属陶瓷适用于高速加工碳钢、不锈铸铁,可以获得较低的表面粗糙度。
(5)涂层刀具。涂层刀具是在具有高强度和高韧性的基体材料上涂上一层耐高温、耐磨损的材料,结合了基体材料的优点和涂层材料优异的性能。涂层材料与基体材料之间要求黏结牢固,不易脱落。涂层刀具比普通刀具性能好,降低了摩擦系数,从而使刀具更加耐磨,并延长了刀具的使用寿命。
(6)超细晶粒硬质合金刀具。超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金,具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。由于超细硬质合金所用原料WC粉末粒度很细,具有很高的烧结活性,易自然团聚,不利于WC-Co的球磨混合均匀,在烧结过程中易出现WC晶粒不均匀长大等诸多问题,因此其对原料要求高,生产难度较大。它适合在高速钢刀具耐磨性不够,由于振动引起传统的硬质合金磨损,因切削速度过低而不宜使用传统硬质合金等情况下使用。
(7)粉末冶金高速钢刀具。当前,高速钢已广泛应用于复杂形状刀具(如钻头、铰刀、立铣刀等),使用高速钢在低速下加工比较经济。与传统高速钢相比,粉末冶金钢的硬度高,切削速度可以成倍增加。
1.3 高速切削刀柄技术
高速切削加工刀柄系统必须满足刚性好、传递扭矩大、体积小、动平衡好、高速下切削振动小,装夹刀具后能够承受高的加减速度和集中应力的要求。目前,高速加工常用的刀柄形式主要是常规7/24锥度刀柄、改进型7/24锥度刀柄及1/10短锥刀柄等。
常规7/24锥度刀柄有ISO、BT、SK等类型,适用范围也不同。最常用的尺寸有30 mm、40 mm和50 mm。改进型7/24锥度刀柄是在原标准7/24锥柄的基础上进行改良,刀具的锥度仍然是7/24。改进型7/24锥度刀柄与主轴的锥面及端面同时接触,保持力矩更大,刚性更强,具有较高的跳动精度和重复精度。1/10刀柄采用中空短锥双面定位结构,径向和轴向刚性好,转动惯量小,定位精度和重复定位精度高,高速时夹紧力大,非常适用于高速加工。
1.4 高速切削安全与监控技术
高速切削速度的大幅度提高使得高速切削过程相比常规切削存在更多的安全隐患和风险,例如在高转速引起的离心力作用下,刀具体或工件发生断裂破坏;刀柄或夹具径向夹紧力损失,导致刀具或工件的松脱危险;切削加工易燃、易爆材料时易发生火灾与爆炸;高速切削过程中产生有害气体、可吸入颗粒物或粉尘等对机床操作人员健康造成的潜在危害等。因此,解决高速切削的安全问题成为应用高速切削加工技术的前提。高速切削的安全技术包括以下几个方面:机床操作者及机床周围现场人员的安全保障;避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤;识别和避免可能引起重大事故的工况;保证产品产量和质量。
1.5 高速切削数据库技术
切削数据库是计算机技术与机械加工技术相结合的高技术产物。在现代化的机械加工厂,如果切削参数、刀具的选择还停留在凭工人的加工经验或查阅切削用量手册的水平上,显然会成为提高效率的瓶颈,远远不能满足现代化生产的要求。
建立切削数据库时,一般把数据库分成几个模块(子库),每个模块存有不同的数据,如机床信息、刀具信息、工件信息、可加工性信息等,这些模块是相对静态的,而已被验证的数据子库则是动态的,因为它随时可以更新,加入新的数据。
如何选择合理的加工工艺参数,达到最佳的切削效果、提高生产效率是目前推广高速切削技术的一个首要问题。高速切削数据库和实例库的建立,会大大加快我国高速切削技术的推广与应用进程。
1.6 高速切削加工工艺与NC编程技术
为保证高速加工顺利进行,提高零件的加工质量,延长刀具的使用寿命,缩短加工时间,高速切削加工工艺具有不同于普通数控加工的特殊工艺要求,如保持恒定的切削载荷、每齿进给量应尽可能保持恒定、保持稳定的进给运动、使进给速度损失降至最低、避免走刀方向和加速度的突然变化、程序处理速度最佳化等。这些要求在制定高速切削NC编程策略时应得到充分的重视。
2 高速切削技术的应用
高速切削技术最早应用于轻合金加工,现在该技术已在航空、模具、汽车、通用机械等制造行业中得到广泛应用,产生了显著的经济效益,并正在向其他应用领域拓展。
在航空工业部门,现代飞机都采用整体制造加工技术,要求通过切削加工出高精度、高质量的铝合金或钛合金构件。美国、德国、法国、英国的许多飞机及发动机制造厂已采用高速切削加工来制造航空零部件产品。飞机工业通常需要切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等,直接采用毛坯高速切削加工,可不再采用铆接等工艺,从而降低飞机重量。
在模具业,高速切削可以改变常规加工方法,缩短加工周期,达到模具加工的精度要求,减少甚至取消了手工加工。并且,由于新型刀具材料的出现,高速切削可以加工硬度为60HRC甚至更高的工件材料,还可以加工淬硬后的模具,取代了电火花加工和磨削加工。高速切削加工技术引入模具工业,主要应用于淬硬模具型腔的直接加工、EDM电极加工、快速样件制造等。
在汽车制造业,为了尽快适应新车型的需要,汽车车体的轧制模具和树脂防冲挡的成形模具等均须缩短制作周期和降低生产成本。模具的制作应比汽车零部件的生产先行一步,因此必须下工夫推进模具生产高速化的进程。
在电路板制造业,电路板上有许多0.5 mm左右的小孔,为了提高小直径钻头的钻刃切速,提高效率,也普遍采用高速切削方式。
近年来,高速切削的应用范围正在逐步扩大,不仅用于切削金属等硬材料,也越来越多地应用于切削软材料(如橡胶、各种塑料、木头等)。经高速切削后,这些软材料被加工表面极为光洁,比普通切速的加工效果要好得多。
3 高速切削技术将更普及
经过20多年的发展,高速切削技术已经逐步成熟。随着机床结构轻量化技术、配备高DN值(n·dm)轴承的高速电主轴技术、特征编程技术、涂层刀具与超硬刀具等高速切削机床、刀具、编程技术的快速发展,切削速度不断提高,高速切削技术在易变形薄壁零件、高表面质量复杂曲面零件、高硬材料零件等加工方面具有独特优势。因此,高速切削技术在模具制造业、航空航天工业和汽车工业等领域的应用将更加普及。
先进切削技术属于先进制造技术最关键的主体技术群,也是促进我国由制造大国向制造强国发展的关键因素之一。以高速切削为代表的先进切削技术的未来发展方向可以概括为以下几个方面:①更高的经济效益。要求适当的机床投资;采用高性能的刀具,减少消毛,提高切削效率,进一步缩短加工时间和辅助时间。②更高的加工质量。要求无需打磨、抛光等手工修整后继工序或磨削加工,直接获得最佳的表面质量;高速切削更多地应用于加工。③更高的加工能力。解决难加工材料、结构、薄壁件、高硬度材料、超大型零件和微小结构零件等难题。④更准确的预测和控制性能。通过建模和仿真,对加工过程作出准确预测,并准确控制加工结果。⑤向可持续制造方向发展。通过机床优化设计降低能耗,在加工过程中以能量为优化目标提高能效,采用绿色冷却润滑技术减少排污,使高速切削技术向可持续制造方向发展。
4 结语
高速切削技术因其具有高效、高精度、工序简化等优点而受到高度重视,随着汽车、航空航天、能源等行业的产品性能不断提高,钛合金、高温合金、高强度钢、复合材料、耐磨铸铁、硅铝合金等难加工材料及大型整体结构、复杂薄壁结构等难加工结构的应用也越来越广泛,对高速切削加工提出了新的要求,质量、效率、成本、绿色、可预测性成为加工技术水平最重要的考量。
参考文献
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数控高速切削加工关键技术分析 篇8
1 数控高速切削技术的定义
所谓的数控高速切削技术, 它所指的也是切削加工技术的一种, 但是这种切削加工技术相比于传统的切削技术而言, 其切削的速度高出了很多倍。因此有的时候数控高速切削技术也被人们叫做高速切削。所以从数控高速切削技术的定义中我们不难发现, 实质上这里所说的“高速”只是一个相对的概念, “高速”这一概念往往会因为加工条件、加工材料等的不同而发生变化, 比如说在对于不同的材料进行切削加工时, 其切削的速度就有可能会不同。所以说对于切削速度的划分应该考虑多方面因素的影响, 而不能够一概而论, 比如说对于不同的切削条件而言, 则应该有一个对应的切削速度范围。就数控高速切削技术而言, 我们往往很难从整体上采用定量的方式来对其加以定义, 但是在这一技术的实际应用中, 这里的速度一般都是指的机器的主轴转速和进给速度。
2 数控高速切削加工技术的优势
对于数控高速切削加工技术而言, 它实质上整合了许多的制造技术, 因而也就具有更多的优势, 相比于传统的切削加工技术而言, 它在切削速度、进给速度以及切削机理等方面都发生了重大的改变, 其优势主要体现在以下几个方面:
2.1 有效提高加工效率
加工效率的提高是数控高速切削加工技术最重要的优势之一, 因为随着切削速度的加快, 加工效率的提高是必然的结果。一般通过该技术来进行切削加工, 在单位时间内, 材料的切除率往往能够达到传统切削技术的三到六倍。而且在应用该技术的过程中, 机床的快速空程速度也得到了有效的提高, 这样就可以使得非切削的空行程时间大大的减少, 对于提高产品加工效率也有着非常重要的意义。
2.2 适用于热加工
数控高速切削加工技术还适用于热加工, 这也是传统切削加工技术所不具备的优势。因为在应用该技术的过程中, 由于切削的速度非常快, 所以在切削的过程中虽然会产生一定的热量, 但是至少有98%的切削热都会因为切削速度过快而被切削直接带走, 这样就使得工件的温度保持在了一个相对稳定的状态。因而对于那些容易产生热变形的工件而言, 该技术是一种非常有效的加工技术。
2.3 适用于精密加工
在对一些刚性较差的零件进行加工的时候, 数控高速切削加工技术也有着非常大的优势, 因为在进行高速切削的时候, 如果切削速度达到了一定的值, 相应的切削力就会有所下降, 所以在对这些薄壁类刚性较差的零件进行精密加工时, 这一技术就有着非常大的优势。
2.4 可以加工各种难加工材料
在加工中我们通常会遇到一些比较难加工的材料, 这类材料往往具有强度大、硬度高以及切削温度过高等特征, 比如说镍基合金和钛合金等, 采用传统的切削方式对其进行加工, 往往十分容易对刀具造成损害, 而如果利用数控高速切削加工技术来对其进行处理, 往往就能够取得较好的加工效果。
3 数控高速切削加工的关键技术
3.1 提高切削效率
刃口钝化处理工艺对于提高切削效率有着重要的作用, 按照目前人们的认知情况, 在加工钛合金金属的时候, 使用刃口比较锋锐的刀具对于提高切削效率是有益的, 但是实际情况却是通过改变刀具的微观几何结构的设计参数, 同样可以提高切削效率, 为了更好地满足切削的要求, 并不只是要求切削的速度有所提升, 同时还需要在数控机床、刀具材料等方面取得一定的突破, 这样才能够使得切削效率得到更为显著的提高。
3.2 正确选择刀具
工欲善其事必先利其器, 在进行数控高速切削加工的过程中, 刀具对于切削的效率及质量都有着非常重要的影响, 所以如果对于刀具的选择不合理, 会使昂贵、复杂的机床或者加工系统完全不起作用。由于高速切削技术的高速运行, 而高速加工线速度只要是受到刀具的限制, 所以在目前数控机床可以达到的速度范围之内, 速度越快, 对刀具的磨损也就越严重。所以, 高速切削加工技术对刀具材料提出了更高的要求, 同时数控高速切削技术与普通的数控加工技术也有着更大的差别, 所以在对刀具进行选择时, 必须要依据该技术的实际要求, 合理地选择刀具的路径规格。比如说刀具的选择应该保证切削体积的相同, 同时还需要有利于维持稳定的切削速度, 最后刀具的运转还需要能够与进给速度保持一致。
3.3 合理选择切削用量
在进行数控编程的过程中, 工作人员必须要对于每一道工序的切削用量加以确定, 并且将其以指令的形式写入到相应的数控程序之中。针对不同的加工方法, 其所需要的切削用量往往也是不同的, 切削深度应该根加工余量来确定, 粗加工的时候, 除了留下精加工的余量外, 还应该尽可能的一次走刀切除全部粗加工余量。
4 总结
总而言之, 数控高速加工技术是现代先进制造技术的重要组成部分之一, 它在许多领域都得到了充分的应用, 并且体现出了其独有的优势, 数控高速切削加工技术为我国工业的发展做出了突出的贡献, 尤其是在航空航天、汽车以及模具制造等领域, 它的应用使得生产的效率得到了有效的改善。
参考文献
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高速切削加工技术的探导 篇9
关键词：高速加工,高速机床,高速主轴,高速进给系统,高速刀具
在现代机械切削加工技术中, 高速切削正在越来越多地被人提及。高速加工 (high speed machining) 技术是对传统切削理论和切削方式的变革和突破。基于高速加工技术的高速切削 (high speed cutting) 加工在近年来得到迅速发展, 以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点, 成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。
1 高速切削的原始定义
1931年, 德国切削物理学家萨洛蒙 (Carl.J.Salomon) 博士提出一个假设, 即同年申请德国专利 (Machine with high cutting speeds) 的所罗门原理:被加工材料都有一个临界切削速度, 在切削速度达到临界速度之前, 切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大, 当切削速度达到普通切削速度的5~6倍时, 切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低, 刀具磨损随切削速度增大而减小。
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, 有可能用现有的刀具进行超高速切削, 从而大幅度减少切削时间, 成倍地提高机床的生产率, 而且可以实现零件的高精度和高表面质量。
2 现代切削技术的概念
所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削, 从而提高生产率。到目前为止, 其原理仍未被现代科学研究所证实。但这一原理的成功应该不只局限于此。高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一, 从现代科学技术的角度去确切定义高速切削, 目前还没有取得一致, 因为它是一个相对概念, 不同的加工方式, 不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等。
事实上, 高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程, 它涵盖了机床材料的研究及选用技术, 机床结构设计和制造技术, 高性能CNC控制系统、通讯系统, 高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统, 高精度快速进给系统, 高性能刀具夹持系统, 高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术, 高效高精度测试测量技术, 高速切削机理, 高速切削工艺, 适合高速加工的编程软件与编程策略等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上, 建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。所以要发挥出高速切削的优越性能, 必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。
3 高速切削技术的发展现状与优点
高速加工作为一种新的技术, 它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。目前, 在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国, 对于该项新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。至20世纪80年代后期, 在上述国家里已形成了新兴的产业, 年产值已达数十亿美元, 并正在逐年上升。即便如此, 人们对高速切削的经验还很少, 还有许多问题有待于解决:比如高速机床的动态、热态特性;刀具材料、几何角度和耐用度问题, 机床与刀具间的接口技术 (刀具的动平衡、扭矩传输) 、冷却润滑液的选择、CAD/CAM的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。高速切削在我国, 刚刚起步, 目前, 尚未正式进入大学课堂。
按目前看, 工业发达国家的航空、汽车、动力机械、模具、轴承、机床等行业首先受惠于该项新技术, 使上述行业的产品质量明显提高, 成本大幅度降低, 获得了市场竞争优势。高速切削技术是未来切削加工的方向, 也是时代发展的产物。
一般来说, 高速切削加工有以下几个方面的技术特点:
3.1 高的主轴转速。
对于高速加工的定义很难有统一的标准, 10000r/min的转速通常就可以被认为是“高速”。事实上, 在高速加工中, 主轴的转速一般在20000r/min以上。
3.2 小的切削深度。
高速加工的切穴深度一般在0.3~0.6mm之间, 特殊情况下切削深度也可小于0.1mm。小的切削深度可以降低切削力, 降低加工过程中产生的切削热, 延长刀具的使用寿命。
3.3 快的进给速度。
高速加工钢件的进给速度在5mm/min以上。从加工方式上讲, 小的切削深度能够获得加工时更好的刀具长度直径比, 使得许多深度很大的零件也能完成加工, 而快的进给保证了足够的切削效率。
3.4 小的切削行距。
高速加工所采用的刀具路径的行距一般在0.1mm以下。一般来说, 小的刀具轨迹行距总是可以降低在加工过程中的表面粗糙度, 提高加工表面质量, 从而可能免除后续的精加工工序。
所有这些特点, 决定了高速加工所能获得的加工效果, 也即高速加工能达到效率高, 加工精度高, 零件表面光洁, 加工稳定以及零件无变形, 无表面变质层等性能指标, 高速加工的这些优点使高速加工越来越多地应用于现代制造业。
4 高速切削加工的实现
高速切削加工要获得良好的应用效果, 必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。高速切削机床是高速切削应用的基本条件。
4.1 高速切削CNC机床。
实现高速切削的关键技术之一, 是开发具有高速能力的高性能机床, 因此, 高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。高速机床技术主要包括高速单元技术 (或称功能部件) 和机床整机技术。单元技术包括高速主轴、高速进给伺服系统、高速CNC控制系统等;机床整机技术包括机床床身、冷却系统、安全设施和加工环境等。
4.1.1 高速主轴。高速主轴是高速切削的首要条件, 对于不同的工件材料, 目前的切削速度可达5~100m/s。主轴的转速与刀具的直径有关, 采用小直径球头铣刀时, 主轴转速可达100000r/min。高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分, 是高速切削机床的核心部件, 在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。随着对主轴转速要求的不断提高, 传统的齿轮、皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求, 取而代之的是一种新颖的功能部件:电主轴, 它将主轴电机与机床主轴合二为一, 实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度, 自带水冷或油冷循环系统, 使主轴在高速旋转时保持恒温, 一般可控制在20°~25°范围内某一设定温度, 精度为±0.7°, 同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术, 使主轴免维护、长寿命、高精度。高速精密轴承是高速切削机床的核心, 是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件。最高主轴转速受限于主轴轴承性能, 提高主轴的dn值是提高主轴转速的关键。根据高速轴承的不同, 又可将高速主轴分为:滚珠轴承高速主轴、液体静压轴承高速主轴、空气静压轴承高速主轴、磁浮轴承高速主轴。目前, 高速切削铣床上装备的主轴多数为滚珠轴承电动主轴。如图2所示, 电动主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。除此之外, 主轴运转时, 还必须配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置。4.1.2高稳定性的机床支撑部件。在现代机床制造中, 机床的高速化是一个必然的发展趋势。在要求机床高速的同时, 还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。因此, 高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度, 热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料, 采用封闭式床身设计, 整体铸造床身, 对称床身结构并配有密布的加强筋, 使机床获得了在静态和动态方面更大限度的稳定性。一些机床公司的研发部门在设计过程中, 还采用模态分析和有限元结构计算, 优化了结构, 使机床支撑部件更加稳定可靠。4.1.3高速进给伺服系统。为了实现高速切削加工, 机床不但要有高速主轴, 还要有高速的进给伺服系统, 这不仅是为了提高生产效率, 也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件。对高速进给伺服系统的要求不仅仅能够达到高速运动, 而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等, 所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。目前常用的高速进给伺服系统有三种主要驱动方式:高速滚珠丝杆、直线电动机等。与高速进给伺服系统相关联的还有工作台和导轨的设计制造技术等。a.直线电机伺服系统。实现高速加工, 不但要求机床有很强的进给轴的加速能力, 而且要求伺服控制系统有较大的位置增益, 同时具有足够的稳定性。直线电动机直接驱动的高速进给系统不仅能满足速度、加速度的要求, 并且由于采用直接驱动的方式, 取消了一切中间机械传动环节, 特别是不再需要将旋转运动转变为直线运动的丝杆螺母机构等影响全闭环稳定性的环节, 其系统参数较普通全闭环系统可高一个数量级, 因而是实现高速加工的理想的驱动方式。直线电机高速进给系统是由进给控制单元、直线电机、位置反馈元件以及工作台导轨等组成。由于采用了直接驱动方式, 为了提高控制精度, 通常采用全闭环控制。直线电机高速进给控制系统框图如图3所示。b.滚珠丝杠驱动装置。滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置, 用AC伺服电机直接驱动, 并采用液压轴承, 进给速度可达40~60m/min, 其加速度可超过0.6g, 成本较低, 仅为直线电机的1/2.5。4.1.4高性能的CNC控制系统。高速切削加工要求CNC控制系统有快速处理数据的能力, 来保证高速加工时的插补精度。高速切削加工对数控系统的基本要求为:a.高速的数字控制回路。包括:32位或64位CPU及1.5G以上的硬盘;极短的直线电机采样时间;速度和加速度的前馈控制;数字驱动系统的爬行控制。b.先进的插补方法, 以获得良好的表面、精确的尺寸和高的几何精度。近几年网络技术已成为CNC机床加工中的主要通讯手段和控制工具, 传统的数据接口如RS232串行口的传输速度为19.2kb, 而许多先进的加工中心均已采用以太局域网 (Ethernet) 进行数据传输, 速度可达200kb。大量的加工信息可通过网络进行实时传输和交换, 包括设计数据、图形文件、工艺资料和加工状态等, 极大提高了生产率。
Kp—位置环增益;Kv—速度环增益;xref—输入参考位移信号;x—工作台的实际位移;m—工作台移动件的质量;mM—直线电机初级及冷却板的质量;Fmax—电机最大推力。
刀具:面铣刀φ63mm, 单齿, 可转位的硬质合金刀片;工件材料:42Cr Mo4;切削用量:v=1800m/min, f=0.2mm, ac=60mm, ap=3mm, 干切削。
4.2 高速切削的刀具系统。
刀具是机械加工重要的技术装备之一。由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大, 高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。高速切削的刀具必须与被加工的材料有很小的化学亲和力, 具有良好的机械性能和热稳定性, 具有良好的抗冲击, 耐磨损和抗热疲劳的特性。目前基本采用HSK形式和系列, 需要根据机床主轴参数来确定刀柄参数, 使它们相符吻合。由于切削和进给速度高, HSC加工中刀具的寿命一般会降纸, 需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施, 尽可能减少寿命的降低。
4.2.1 刀具材料。刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金、金属陶瓷、氧化铝基或氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼为主。刀具的发展主要集中在如下两方面:一是研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性。另一个发展方面是开发新型的高速切削刀具, 特别是那些形状比较复杂的刀具。图4是采用不同镀膜 (氮化钛、氮化钛铝) 的硬质合金铣刀可达到刀具寿命。采用适宜的镀膜可成倍地提高刀具的使用寿命, 潜在的经济效益十分可观。此外, 刀具材料与工件材料相适应也是提高刀具寿命的重要因素。4.2.2刀柄结构。高速切削加工时, 应正确选择适合高速切削加工用的刀柄系统。刀柄结构是高速切削时的一个关键件, 主要体现在它传递机床精度和切削力的作用。刀柄的一端是机床主轴、另一端是刀具。高速切削时既要保证加工精度, 又要保证很高的生产效率, 所以高速切削时刀柄须满足下列要求:a.很高的几何精度和装夹重复精度;b.很高的装夹刚度;c.高速运转时安全可靠。
刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以图5所示的圆锥空心柄 (HSK) 为主。它是德国工业界联合研究的成果, 目前已列入国际标准。它以其端面及1:10锥度的空心锥套作双重定位, 与以往常用的7:24锥柄相比, 有如优点:a.重量减少约50%;b.重复使用时装夹和定位精度高;c.刚度高, 并可传送大的转矩;d.装夹力随转速升高而加大。
4.3 高速切削的CAM软件。
高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求, 除了要有高速切削机床和高速切削刀具, 具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度, 较强的插补功能, 全程自动过切检查及处理能力, 自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能, 进给率优化处理功能, 待加工轨迹监控功能, 刀具轨迹编辑优化功能, 加工残余分析功能等等。数控编程可分为几何设计 (CAD) 和工艺安排 (CAM) , 在使用CAM系统进行高速加工数控编程时, 除刀具和加工参数根据具体情况选择外, 加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名出色的使用CAD/CAM工作站的编程工程师应该同时也是一名合格的设计与工艺师, 他应对零件的几何结构有一个正确的理解, 具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳, 这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;最后要尽量使刀具载荷均匀, 这会直接影响刀具的寿命。
在国内外众多的CAD/CAM软件中并不是都适用于高速切削数控编程。这其中比较成熟适用于高速加工编程的有:英国Del CAM公司的Power Mill软件模块, 日本Makino公司的FFCUT软件, 以色列的Cimatron软件, 美国PTC公司的Pro/ENGINEER软件, 国内北航海尔华正软件有限公司的CAXA-ME软件等。
5 高速切削加工的应用
目前国际上高速切削加工技术主要应用于航空航天工业、汽车工业和模具工业等的如下领域。
5.1 大批生产领域。
如汽车工业, 如美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机床以实际用于福特公司的生产线。
5.2 工件本身刚度不足的加工领域。
如航空航天工业产品或其他某些产品, 如Ingersoll公司采用高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚仅为1mm。
5.3 加工复杂曲面领域。
如模具工具制造。
5.4 难加工材料领域。
如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为:加工航天航空铝合金2438m/min, 汽车铝合金1829m/min, 铸铁1219m/min, 这均比常规切削速度高出几倍到几十倍。国内高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代, 应用于模具、航空、航天和汽车工业。但采用的高速切削CNC机床、高速切削刀具和CAD/CAM软件等以进口为主。
结束语
高速切削技术作为一种新的技术, 它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一, 它会随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。但我们也应该看到, 人们对高速切削的经验还很少, 还有许多问题有待于解决:比如高速机床的动态、热态特性;刀具材料、几何角度和耐用度问题, 机床与刀具间的接口技术 (刀具的动平衡、扭矩传输) 、冷却润滑液的选择、CAD/CAM的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。目前, 即便在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国, 对于这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。而我国对于高速切削技术的研究始于20世纪90年代, 在高速机床与高速切削技术的研究与开发制造, 与国外同行业一流水平存在着不小的差距。
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高速切削加工技术的应用分析 篇10
1 高速切削将成为切削加工的新工艺
以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力, 这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此, 发展高速切削等新型切削工艺, 促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高, 而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上 (包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步) , 达到切削速度和进给速度的成倍提高, 并带动传统切削工艺的变革和创新, 使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域, 即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件, 它与传统的磨削加工相比, 具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点, 已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业, 用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC) 内孔, 代替磨削, 已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具, 采取小的走刀步距, 中间不接刀, 完成型面的精加工, 大大减少了抛光的工作量, 显著缩短了模具的开发周期, 已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用C B N旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。
高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害, 成为当前治理的重点, 但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本, 导致干切削新技术的开发, 并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉, 降低切削效率, 而是进行传统切削工艺的重大变革, 为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺, 这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗, 开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。
2 加快关键技术的开发应用
2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术
刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用, 自从问世以来发展非常迅速, 尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层 (CVD) 仍然是可转位刀片的主要涂层工艺, 开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺, 在基体材料改善的基础上, 使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展, 提高了涂层表面光洁度, 进入了实用的阶段。目前, 国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达7 0%以上。在此期间, 物理涂层 (PVD) 的进展尤为引人注目, 在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展, 不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN, 及综合性能更好的T i A l C N通用涂层和D L C、W/C减摩涂层, 而且通过对涂层结构的创新, 开发了纳米、多层结构, 大幅度提高了涂层硬度和韧性。
PVD涂层技术的新进展, 向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层, 以满足加工多样性的需要, 是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术, 有着十分广阔的应用前景。
2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇一律的面貌和单一的功能
随着制造业的高速发展, 汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加
工不断提出更高的要求, 推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具, 突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法, 而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素, 发挥新的作用。
为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要, 开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。
模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短, 成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展, 模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。
与此同时, 也出现了各种可转位刀片的新结构, 如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等。
2.3 快速发展的配套技术
切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的, 是现代切削技术不可缺少的组成部分, 并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展, 包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。
双面接触的空心短锥刀柄 (H S K) 机床-刀具接口, 由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触, 具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点, 随着高速切削技术的推广, 得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准, 并且也已被众多的机床工具厂商所接受, 纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带H S K刀柄的工具系统或整体刀具, 显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时, 一些公司还开发了与H S K类似的刀柄结构, 如Sandvik公司的Capto刀柄, Kennametal公司的KM刀柄。近年来, 还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口, 以适应现有机床用于高速切削加工的需要。
在高速切削时, 刀具的转速在10000～20000r/min以上甚至更高, 此时, 刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用, 当转速达到某一临界值时, 足以使刀片甩出, 或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故, 因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此, 德国制定了高速旋转刀具的安全规范, 对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定, 这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。
3 机床技术
3.1 驱动和传动技术
高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5—1 0μm, 运动的均匀性误差小于1μm, 进给速度Vfj≥40—50m/min, (j=x、y、z) , 加速能力αj≥5—10m/s2, 其他性能指标还有动态轨迹精度, 机械传动件的动力学特性和热特性。
直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成, 也是零传动。它的Vfj≥120 m/min, αj≥25m/s2, 动态轨迹精度也高得多。
目前, 高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动, 即所谓“零传动”, 并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min, 最大功率p=23KW, 最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示, 通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。
3.2 控制和数控技术
高速切削机床部件运动速度高, 在单位时间内C N C系统需要处理计算的数据大大增加, 要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存 (或更高) 、1—10G硬盘等, 并应用数字化驱动调节和数字化总线技术, 高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能, 速度预控制功能, 数字化自动平滑运动轨迹功能, 加速和制动时的急动速度监控功能, 使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外, CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能, 并安装有高效的CNC专用模拟软件。
4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施
我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言, 由于缺乏全面认识了解和经验, 或者因为资金有限, 引进的高技术装备不配套, 主要是没有适用的高速刀具和设备, 其次缺少C A D/C A M软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考, 进口设备多数没有发挥潜力, 经济效益不佳。
当前我国有科研机构和单位应该对与高速切削相关的技术进行研究, 对高速切削的机理进行科学的分析和实验, 夯实理论基础, 做好基础理论的预研工作。国外工具公司面对我国制造业快速发展的大好形势和广阔前景, 加快了在中国实现本地化生产或服务的步伐, 以降低制造成本、提高服务能力、缩短交货周期, 应该说, 外国刀具公司进军中国市场为我们应用先进刀具改造传统制造业提供了十分有利的条件。我们要抓住这个有利时机, 积极采用先进刀具, 为提高企业的加工技术和竞争实力服务, 迎接经济全球化的挑战。先进的切削技术和刀具是我国发展汽车工业、航空航天工业、能源工业和配套的模具工业必备的前提条件。在这样的大好机遇面前, 我们要充分利用先进的切削技术和刀具, 为发展我国的制造业服务。
摘要：高速切削技术是未来切削加工的方向, 也是时代发展的产物, 它仰仗于数控技术、微电子技术、新材料和新颖构件等基础技术的出现。然而, 它自身亦存在着有待攻克的一系列特殊的关键技术, 归纳起来有以下几方面。
高速数控切削加工中的刀具研究 篇11
关键词：高速切削；刀具；数控加工
中图分类号：TG659文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0096-01
高速切削刀具是实现高速数控加工技术的关键。刀具技术是实现高速数控切削加工的关键技术之一，不合适的刀具会使复杂、昂贵的机床或加工系统完全不起作用。由于高速切削的切削速度快，而高速加工线速度主要受刀具限制，因为在目前机床所能达到的高速范围内，速度越高，刀具的磨损越快。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求，除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前常用的高速切削刀具材料有：聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷、涂层刀具、超细晶粒硬质合金等刀具材料。
1高速切削刀具材料
金刚石刀具材料。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石价格昂贵，加工焊接非常困难，除少数特殊用途外，很少作为切削工具。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气钎焊金刚石技术，使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简单，因此在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作用。
立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼（CBN）是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石，但其氧化温度高达1360℃，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。PCBN刀具是能够满足先进切削要求的主要刀具材料，是用于硬态切削、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。
陶瓷刀具。与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍，其红硬性比硬质合金高2～6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了它的应用推广，而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，目前已引起世界各国的重视。在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%～l0%。
涂层刀具。涂层材料的发展，已由最初的单涂层，经历了复合涂层和多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。
硬质合金刀具材料。 细晶粒（1～0.5μm）和超细晶粒（<0.5μm）硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大提高，可替代高速钢用于制造小规格钻头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。整体硬质合金刀具的使用可使原来采用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率显著提高。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具刃口锋利，尤其适于高速切削粘而韧的材料。
2高速切削旋转刀具的刀柄系统
在高速切削中，刀体结构和刀片夹紧结构都受到很大的离心力作用为使刀具保持足够的夹持力，刀具在结构设计上应充分考虑高速切削加工的特殊性，刀体材料重量要轻，要考虑刀具的动平衡性，刀具/刀片的夹紧应可靠。加工中心等NC 机床多年来一直采用7:24 实心锥柄工具系统，这种实心锥柄具有以下缺点：由于只靠锥面结合，刀柄与主轴的联接刚性较低，尤其当主轴转速超过10 000 r/min 时，联接刚性的不足更为明显；当采用ATC（ Automatic Tool Changing，自动换刀）方式安装刀具时，重复定位精度较低，难以实现高精度加工；当主轴高速回转时，主轴前端在离心力作用下会发生膨胀，易导致主轴与刀柄锥面脱离，使径向跳动急剧增大（可达15 ?滋m），从而降低刀柄接触刚度，且易发生安全事故。因此，传统的长锥刀柄不适宜用于高速切削加工。为解决这一问题，开发了采用锥部和主轴端面同时定位的双定位式刀柄（如德国的HSK空心刀柄、美国KM系列刀柄等）。此类刀柄通过锥部定心，并使机床主轴端面紧贴刀柄凸缘端面。这种刀柄安装时重复定位精度较高（轴向重复定位精度可达0.001 mm），在高速转动产生的离心力作用下，刀柄会牢固锁紧，其径向跳动不超过5 ?滋m，在整个转速范围内可保持较高的静态和动态刚性。因此，此类刀柄特别适合高速切削加工。
3高速切削刀具监测技术
刀具监测技术对于高速切削加工的安全性十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测切削力以控制刀具磨损；通过监测机床功率以间接获得刀具磨损信息；监测刀具断裂（破损）等。目前国内外对高速切削刀具监测技术的研究及开发应用还不够充分。由于声发射信号对刀具载荷比较敏感，因此MyeonyChang Kang等利用声发射对高速切削中的刀具状况和刀具磨损进行监测，并取得了较好的效果。另外Jean-Ha Kim等利用数码照相机和专用夹具进行高速切削刀具磨损的研究。
4结语
随着先进制造技术及材料技术和纳米技术的发展，新的多元、复合、纳米级的硬质涂层及CVD金刚石薄膜等功能材料、超硬刀具材料、陶瓷刀具、涂层刀具等将得到广泛应用，高速切削刀具系统将日趋完善，成为推动高速数控切削加工的重要组成部分。
参考文献：
[1] 杨国权,李国和,蔡玉俊.模具高速切削刀具技术研究概况[J].锻压技术,2005,(2).
[2] 肖寿仁,高鸣智,邓晓春.高速切削刀具材料应用进展[J].有色金属,2008,(1).
[3] 李波.高速数控切削用刀柄工具系统[J].机床与液压,2010,(1).
切削加工技术 篇12
木制玩具加工过程中的万向横切、切削、刨削、钻孔得到越来越多的关注, 对木制玩具零件的加工要求越来越高。而另一方面, 木制玩具厂则要求降低加工成本, 进一步提高经济效益, 如何解决加工与经济性的矛盾, 木制玩具厂是选用木材万向横切、切削、刨削、钻孔加工技术。技术指标: 以木材万向横切、切削、刨削、钻孔为目标, 建立年产500 万零件单元的加工示范生产线。难题要点: 通过取得木材万向横切、切削、刨削、钻孔加工技术, 制造响应生产实际的加工设备。需求服务内容: 木材万向横切、切削、刨削、钻孔加工设备制造, 生产线组合制造。需求供应方的资质: 要求供应方具有以上全部能力。