高速切削技术（通用11篇）
高速切削技术 篇1
切削加工作为制造技术的主要基础工艺, 随着制造技术的发展, 在20世纪末也取得了很大的进步, 进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门, 如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术, 也是这些工业部门迅速发展的重要因素。因此, 在制造业发达的美、德、日等国家保持着快速发展的势头。发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术面临的新任务。当前以高速切削为代表的硬切削、干切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力, 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 高速切削技术介绍
高速切削技术是建立在高速主轴与快速进给系统, 高性能控制技术, 高性刀具材质及刀具制造系, 高速切削机理等制造技术制造技术全面发展的基础上综合而成的, 高速切削技术在切削原理上是对常规切削的重大突破, 在切削加工工艺安排、切削用量选择及刀具应用等方面有较大的特殊性, 普通切削工艺及传统刀具不能满足高速切削技术要求。它需要刀具材料性能显著改善, 以及新型刀具材料和涂层工艺的开发和推广应用, 性能更耐磨、更可靠, 价格相对低廉的刀具材料成为发展高速切削的可靠保证。该技术也要求数控机床的主机结构和数控系统具备了更高的刚性、更快的运动速度和精度。
2 硬态切削技术应用研究
硬态切削是高速切削技术的一个应用领域, 它是指用车床使用单刃或多刃刀具来加工淬硬材料 (54-63HRC) 零件的一种加工方法。, 这种加工通常是作为最终加工或精加工, 它比传统的磨削加工有效率高、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。在汽车业, 用CBN刀具加工20Cr Mo5淬硬齿轮 (60H RC) 内孔, 代替磨削, 表面粗糙度可达0.22μm, 已成为国内外汽车行业推广的新工艺。
淬硬钢是一类较难加工的材料, 它通常指淬火后具有马氏体组织, 硬度高, 强度也高, 几乎没有塑性的工件材料。其硬度可高达50-65HRC, 主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。由于其典型的耐磨结构, 淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件, 淬硬钢工件的表面也比较光亮, 能达到磨削加工的效果。随着超硬刀具材料——陶瓷和PCBN性能的提高和价格的调整, 解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾, 使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。在德国等发达国家的汽车工业中, 多种轴类、套类零件大多采用硬车工艺代替磨削, 收到了良好效果, 因此在发达国家硬车技术已率先被普遍应用。
硬车技术是硬态切削技术的典型应用, 和普通车削相比在相同条件下, 硬车的切削力会增加70%以上, 切削所需功率也相应增加。硬车出现较大的切削力, 这就要求机床本身具备较高的刚性。切削用量选择是否合理, 对切削影响很大, 工件材料硬度越高, 其切削速度应越小。硬车过程中精加工合适的切削速度为70-150 m/min, 常用范围为125 m/min。当采用大切深或断续切削时, 切速应保持在60~120 m/min, 通常切深为0.1~0.25 mm;当加工表面粗糙度要求高时, 可选小的切削深度, 进给量通常选择0.04~0.14 mm/r, 具体根据表面粗糙度数值和生产率要求而定。
3 硬态车削技术优势分析
在硬态切削加工技术的采用与推广过程中, 与磨削技术相比具有良好加工柔性、经济性和环保性能。以硬态车削为例, 在加工淬硬钢精磨工序中采用硬态车削替代磨削, 分析比较其中优势。
(1) 避免工件灼伤, 磨削时的瞬时高温使工件表层局部组织发生变化, 并在工件表面的某些部分出现氧化变色的现象。磨削烧伤会降低材料的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度, 烧伤严重时还会出现裂纹。零件的磨削会对工件造成回火烧伤与淬火烧伤。而硬切加工时, 大量的热会被铁屑带走, 不会对工件造成烧伤和裂纹。另外硬切一次装夹, 可同时加工多个部分, 如外圆, 端面, 内孔等, 避免了多次装夹造成的累计误差, 所以它的同轴度, 垂直度的位置精度就很高。
(2) 加工表面质量较高, 局部的高温可以软化切削层, 便于切削。刀具硬度高, 能起到挤压的效果。一般车床的加工精度极限是Ra1.6, 而硬车可以达到0.7~0.8, 甚至更好, 也就实现了以车代磨的功能。
(3) 低成本, 较低的加工费用, 因为车床加工相对于钻床、镗床、铣床、磨床来说是最经济的。高效率, 车削装夹快速, 一次装夹可以完成多个表面的加工, 加工时间可缩短70%~80%, 因此硬车的加工效率为磨削的3~5倍, 而且CNC车床辅助时间短, 一般硬车的综合效率为磨削的3~5倍。CNC车床投资通常是磨床成本的一半以内, 设备成本低、适合柔性生产, 更好地适应柔性化生产要求。
(4) 降低维护费用, 节能环保, CN C车床和磨床相比占据更少的空间, 在CNC车床上, 磨损的CBN刀片可快速更换;硬车削里不需要冷却液, 污染排放量大大减小。
4 结语
硬态切削是高速切削技术的主要发展方向之一, 随着CNC技术, 新材料等基础技术的发展, 使得硬态切削成为当前关注的新型加工工艺, 它已经引起制造业界和科研机构的高度重视和极大兴趣。但是我们也应客观的对其进行分析, 认识到该技术自身也存在着一些有待深入研究的问题, 如高硬材料的切削机理研究, 建立高速切削的数据库, 开发适用于高速加工状态的监控技术等, 除了加强研究以外, 还应积极推广, 使这种高效率, 绿色的加工工艺更好的应用于生产实际。随着加工技术的不断发展, 硬态切削技术将会发展的加成熟, 并被广泛应用。
摘要：高速切削工艺以高效、精密和柔性为基本特征, 被视为现代制造技术领域的一个里程碑。本文介绍了高速切削的发展情况并通过研究其中硬态切削技术的应用从而分析高速切削具备一系列显著优势, 使制造业整体切削加工效率有显著的提高。
关键词：高速切削,硬切削,加工工艺,硬车技术
参考文献
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高速切削技术 篇2
精度高,模具不仅要有很高的加工精度,同时也要有很好的加工质量，一般地,公差范围应控制在微米级。只有高精度的模具才能保证产品达到一定的精度,保证产品的合格率,才有可能延长模具的使用。使用寿命长,模具属于比较昂贵的工艺装备,其加工费用约占成本的100/0~30%,所以要求模具的寿命长更有意义。
制造周期短,这主要是为了满足生产的要求和产品的市场竞争能力。成本低,模具的成本与模具结构的复杂程度、模具材料、制造精度要求及加工方法等有关。所以要合理设计和制定加工工艺,选用恰当的加工设备,保证低的加工成本。
模具形状复杂,模具的工作部分一般都是二维或者三维复杂曲面,而不是简单的平面。比如汽车覆盖件模具,其内腔大部分都是由曲面组成。所用的材料硬度高,一般模具都是由淬火工具钢或硬质合金制成,运用传统的加工方法加工较为困难。目前在模具加工制造过程中,主要以普通机加工和电火花加工为主。要缩短制造周期并降低成本,必须广泛采用先进切削加工技术加工模具。而作为先进制造技术的高速切削技术的出现,正是满足了模具加工这些要求和特点。
2 高速切削机床技术
性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提和关键,而具有高精度的高速主轴和控制精度高的高速进给系统,则是高速切削机床技术的关键所在。
2.1 高速主轴
高速主轴是高速切削机床的核心部件,在很大程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度加工精度和应用范围。目前,适于高速切削的加工中心其主轴最高转速一般都大于10,000r/min,有的高达60,000-100,000 r/min,为普通机床的10倍左右;主电动机功率15~80kW,以满足高速车削、高速铣削之要求。随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的快速发展,高速数控机床主传动的机械结构得到极大简化,取消了齿轮传动和带传动,实现了机床的“零传动”,采用机床主轴与主轴电机一体化的传动结构形式,即所谓的电主轴。轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点,在电主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时润滑极为重要,目前,电主轴主要采用两种润滑方式:油脂润滑和油一气润滑。目前,生产磁悬浮轴承电主轴的厂家有德国GMN公司、瑞士IBAG公司及中国洛阳轴承研究所等。
2.2 高速进给系统
控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性,必须对其技术改进和技术创新,才能适应高速切削之要求。高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为0.5-1.0g,行程范围≤6m,用于低档高速数控机床;高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后,其加速度可高达2～10g,行程范围不受限制,用于高档高速数控机床和高速加工中心。
3 高速切削刀具技术
刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。
3.1 高速切削刀具材料
高速切削要求刀具材料具有如下性能:高硬度、高强度和耐磨性;高韧度、良好的耐热冲击性;高热硬性、良好的化学稳定性。日前,高速切削加工常用的刀具材料有:涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)材料和聚品金刚石(PCD)材料等。
3.2 高速切削刀具系统
刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响,一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具约小10°,后角约大5°-8°。刀具在高速旋转时,会承受很大的离心力,其大小远远超过切削力,成为刀具的主要载荷,足以导致刀体破碎,造成重大事故。
4 高速切削工艺技术
高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程;而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程的加工工艺。在进行高速切削时,工件材料不同,所选用的切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同。下面我们着重探讨轻金属、钢和铸铁的高速切削工艺技术。
4.1 高速切削钢和铸铁技术
高速铣削钢和铸铁时,遇到的主要问题是刀具的磨损，
高速铣削钢材时,刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损,提高刀具使用寿命。刀具的磨损与工件材料的力学性能有关。如工件材料的抗拉强度增大,则刀具磨损增加,因此应减少每齿的进给量。
4.2 高速切削轻金属技术
铝合金因具有良好的耐蚀性,较高的比强度,导电性及导热性好等优点,在汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。铝镁合金大多使用铸件。这些轻合金的最大优点就是其固有的易切特性。轻合金可采用很高的切削速度和进给速度进行加工,切削速度可高达1000~7500m/min,高速切削使95-98%的切削热被切屑迅速带走,工件保持室温状态,热变形小,加工精度高。高速铣削轻金属时,由于加工过程存在较大的冲击载荷,PCD和CBN刀具的寿命特性并不好。当切削速度达到1000m/min时,可使用K型硬质合金刀具;当切削速度达到m/min时,可使用金属陶瓷刀具;当切削速度更高时,可使用 PCD刀具;高速铣削铝镁合金时,可使用Kl0硬质合金刀具。
高速切削(High Speed Cutting)是一个相对概念,迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5 -10倍的切削加工,有时也称为超高速切削(Ultra-High Speed Cutting)。也有将主轴转速达到10000r/min-60000r/min,快速进给速度20m/min以上,平均进给速度10m/min以上, 加速度大于lg的切削加工定义为高速切削。对于不同的工件材料和加工工艺,高速切削速度(切削加工的线速度,单位m/min)范围也同。按工件材料划分, 当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材l100m/min以上、塑料1150m /min以上时,被认为是合适的高速切削速度范围;按加工工艺划分,高速切削速度范围为:车削700~7000m/min,铣削300~6000m /min,钻削200~1100m/min,磨削5000~ 10000m/min。
5 高速切削的应用效益据生产实践证明,高速切削应用于模具制造的效益是:
(1)高速粗加工和半精加工,提高加工效率数倍至几十倍,只体与被加工的材料有关;(2)高速高精度精加工硬切削代替光整加工,表面质量高,形状精度提高,比EDM加工提高效率50%,减少手工修磨;(3)硬切削加工最后成型表面,提高表面质量、形状精度,(不仅是表面粗糙度低,而且表面光亮度高), 用于复杂表面的加工显得更具优势。(4)避免EDM加工产生的表面损伤,提高模具寿命20%。
6结束语
由于市场进入全球化以及竞争的加剧,模具市场对每一种模具技术最重要、带有先决性的要求是其快速性,即从设计到进入市场的时间尽可能的短,除了快速模具技术外,就是高速切削技术。当前,这些技术还是跟不上现代模具的需求。加快硬件及软件产业发展步伐,用高性能高品质功能的硬件及软件满足高速切削机床配套的要求,已成为各企业共同的奋斗目标。因此,需要各个方面的协调发展,产学研结合,加大投入,综合利用各个方面力量推动高速切削在模具制造中的应用。总之,通过各方面的努力,在市场需求的推动下,使技术不断进步、像汽车、家电、机床一样,在不远的将来,我国不但要成为模具生产大国,而且要成为模具生产强国。
参考文献
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高速切削技术 篇3
【关键词】高速切削；参数优化；机床；刀具；工艺技术
数控高速切削技术已经在航空航天和汽车制造等众多领域得到广泛的发展和应用。当今科技突飞的工业信息时代，高速切削技术已成为切削加工的主流，对机械制造业来说是一场深刻的技术革命。数控高速切削工艺技术参数是数控切削加工过程中的基本控制量。实现数控高速切削加工工艺参数的优化，不仅有利于企业提高生产技术水平和经济效益，还将进一步推动数控加工技术的发展。
高速切削概念最早是德国物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）通过切削实验而提出来的。迄今尚未有一个确切的界定。一种划分是比常规切削速度和进给速度高出5～10倍的切削加工。也有认为主轴转速高于8000r/min即为高速切削。对不同的材料和加工工艺，高速切削速度也不同。当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被定为是高速切削。从加工工艺上：车削700～7000m/min，铣削300～6000m/min，钻削200～1100m/min，磨削5000～10000m/min被定为高速切削。具有：切削力小、工件热变形小、材料切除率高、工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工以及可加工难加工材料的特点。
数控高速切削加工是一个复杂的系统工程，高速切削加工的机理和相关理论至今仍不完善，其涉及到切削机理、切削机床、刀具、工艺参数等诸多工艺技术，这些是实现高速切削加工离不开的关键技术，着重从以下方面来探索研究。
1、新型高速切削刀具及其材料
高速切削技术发展的一个重要障碍就是刀具材料的耐高温和耐磨损问题，切削速度越高切削温度也就越高，现有的大部分刀具是无法达到这个要求的，为了解决这些问题，高速切削的刀具制造技术发生了巨大的变化。新材料，新工艺不断出现，刀具材料也发展到陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具。为了提高刀具的综合性能，发展了刀具涂层技术和烧结压层技术。对用于金属切削的刀具材料来说，一般有硬度、韧性、强度、热硬性、导热性等指标，其中硬度和韧性是一对极其重要的指标，理想的刀具材料当然是硬度、韧性兼备。
2、高速切削工艺及参数优化
安全、高效和高质量是高速切削的主要目的，可分为两种情况：以实现单位时间最大材料去除量和最大加工表面积。前者用于粗加工，后者用于精加工。在粗加工后，怎样获得余量比较均匀的半成品，为精加工创造条件。另外，在粗加工和半精加工时，如何选用刀具和设置切削参数，采用先进的走刀方法等这些都是要考虑的重要问题。对高速切削加工任务来说，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体考虑，设计出合理的加工方案，从总体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速切削的优势，这就是高速切削工艺设计的原则。
1）切削方式的选择。在高速切削加工中，应尽量选用顺铣加工，因为在顺铣时，刀具刚切入工件产生的切削厚度最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件时产生的切削厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产生大量的热量，所以在逆铣时产生的热量比顺铣时多很多，径向力也大大增加。同时在顺铣中，刀刃主要受压应力，而在逆铣中刀刃受拉应力，受力状态较恶劣，减低了刀具的使用寿命。
2）走刀方式的选择。对带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面走刀，以实时分析材料的切削状况。而对没有型腔的封闭区域，采用螺旋进到方式，在局部区域切入。针对高速加工时应尽量采用轮廓的切向进、退刀方式以保证刀路轨迹的平滑。在对曲面进行加工时，刀具可是Z向垂直进、退刀，曲面法向的进、退刀，曲面正向与反向的进、退刀和斜向或螺旋式进、退刀等。在实际加工中，用户可以采用曲面的切向进刀或更好的螺旋式进刀。而且螺旋式进刀切入材料时，如果加工区域是上大下小，螺旋半径会随之减小以进刀到指定的深度。尽量减少刀具的急速换向。由于之字形模式主要应用于传统加工，在高速切削加工中主要选择回路或单一路径切削。
3、新型机床及其技术发展的新动向
高速加工机床主轴转速高、功率大、快速行程速度高等会导致机床运动副之间发生急剧的摩擦和发热；高的运动加速度也会对机床产生巨大的动载荷等等这些都会影响产品的质量、效率、机床寿命。“零传动理论”的提出大大简化了机床的传动与结构，提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构，它是将主轴和电动机集成在一起的结构，取消了主传动链中的一切中间环节，可将主轴转速提高到每分数万转；直线电动机的高速进给单元则是高速机床进给系统实现“零传动”的典型代表，主要优点有：速度高、加速度大、定位精度高、行程不受限制。
轴联动加工机床的兴起：一台5轴联动机床的效率可以等于两台3轴联动机床，当前由于电主轴的出现，可以使得复合主轴的结构大为简化，制造难度大幅度降低。并联加串联机床的出现：瑞典Neos Robotics公司采用三杆结构，解决3个自由度的问题，另外两个自由度采用成熟的传统串联机构来解决。该公司生产的Tricept845加工中心，对并联机床已有实用价值。高速虚拟轴机床的发展：其基本结构是一个活动平台、一个固定平台和六根长度可变的连杆。活动平台上装有主轴和刀具，固定平台上安装工件，六根杆实际是六个滚珠丝杠副，可产生六自由度的空间运动，使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。
高速切削加工的问世，加快了汽车、模具、航空、精密机械等产品的更新换代速度，引起了这些行业制造技术及提升，加快了社会的进步。工业制造业要发展，企业必须不断的开发、应用现代高速切削加工技术。在二十一世纪全球化制造的市场环境下，高速加工必将在各类制造企业中得到广泛的应用。
参考文献
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[2]艾兴.《高速切削加工技术》.国防工业出版社，2003
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论高速切削加工技术及应用 篇4
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
[1]曲晓文,林有希,颜聪明.模具高速切削关键技术研究进展[J].机械设计与制造,2012(5).
[2]侯亚丽,刘景香.高速切削加工刀具材料[J].模具制造,2007(10).
高速切削技术 篇5
一、铝合金：
1、易切削铝合金
该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°，
2、铸铝合金
铸铝合金根据其Si含量的不同，选用的刀具也不同，对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si3N4刀具，当Si含量大于12%时，可采用 PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。
二、铸铁：
对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷;切削速度在510～2000m/min时，可选用Si3N4陶瓷刀具;切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。
铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或Si3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co，晶粒尺寸平均为3μm，CBN含量大于 90%～95%的BZN6000在V=700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均为10μm、 CBN含量为90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。
普通钢
切削速度对钢的表面质量有较大的影响，根据德国Darmstadt大学PTW所的研究，其最佳切削速度为500～800m/min。
目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的 TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。
金属陶瓷刀具占日本刀具市场的30%，以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在 400～800m/min的小进给量、小切深的精加工;Carboly公司用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，Kyocera公司用TiN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm，
CBN可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。
三、高硬度钢：
高硬度钢(HRC40～70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。
金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。
采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1μm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC 陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。
当切削速度高于1000m/min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢)。
四、高温镍基合金：
Inconel718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN刀具。
碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命，切削速度高于500m/min时，添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小，而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel718合金的加工。
加拿大学者M.A.Elbestawi认为，SiC晶须增强陶瓷加工Inconel718的最佳切削条件为：切削速度700m/min，切深为1～2mm，进给量为0.1～0.18mm/z。
氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高，适合于切削过固溶处理的Inconel718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。
五、钛合金：(Ti6Al6V2Sn)
钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于Inconel718，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。日本学者 T.Kitagawa等经过大量实验得出，用直径?10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金，可达到满意的刀具寿命，切削速度可高达628m/min，每齿进给量可取0.06～0.12mm/z，连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。
六、复合材料：
高速切削可转位铣刀安全性分析 篇6
在中国的高速切削行业中最常用的切削形式就是高速铣削，而在高速铣削中占重要地位当属可转位铣刀加工技术，在高速铣刀特别是可转位的铣刀研发中人们更加关注其安全性能，提高高速切削可转位铣刀安全性能对于发挥高速铣削加工技术，推动经济发展具有重要的理论性意义与现实性意义。本文主要针对高速切削可转位铣刀安全性进行分析，探究目前国内外铣刀安全性研究的背景与发展意义。
【关键词】高速铣削技术 高速切削可转位铣刀 安全性分析 研发前景
在实际使用的过程中，高速可转位铣刀在切削时产生巨大的能量，在刀具失效的情况下，释放出的巨大能量完全可以破坏作业设备，严重者很可能会穿透设备，继而导致操作人员的伤亡，所以提高高速切削可转位铣刀安全性就十分迫切与必要。在高速切削可转位铣刀安全性分析时我们可以根据刀具本身所具有的刚度失效与强度失效进行判断，通过对高速切削可转位铣刀的模态分析与应力场分析，研究安全性能更好的高速切削可转位铣刀，推动经济发展的同时，切实保护人员生命安全。
1.高速切削的科学性界定
我们先说说高速切削中的高速概念，什么样的速度才是高速，这其实是一个相对性的概念，参考的标准是常规的加工速度，高于常规加工速度的基本上就可以定位与高速。关于高速切削的科学界定，行业内部没有明确的统一性规定，这主要是因为对于高速各国没有统一的标准，随着铣削技术的升级，速度越来越快，通常意义上认为铣削速度在常规切削速度5倍以上的都可以定义为高速切削。
2.高速切削加工的安全性研究的意义与现状
随着在高速切削过程中引发的安全事故，人们越来越认识到高速切削技术安全性能的重要性，在实际研发与切削技术改良的过程中，安全性分析与设计被放在首位。高速切削技术的产生对于安全性的要求也越来越高，进行高速切削刀具的就十分必要。
从系统的安全性角度来看，高速切削技术的安全性分析涉及操作机床周围环境与操作人员的安全、机床、刀具与工件的安全无损耗，切削操作产品的质量安全与可靠，对于危险事故的安全性预报等等，在机床方面，首先要做好必要的防护结构，设有安全防护墙体与门窗，机床本身能够启动安全装置，从机床的角度避免刀具、夹具在飞转的过程中对操作者及周围环境的伤害与破坏。在进行高速切削刀具的安全性分析时要重点加强对机床防护罩的设置。
从切削刀具方面进行分析，这是相对于机床比较好操作的设备部分，我们主要依据高速旋转的铣刀、镗刀主要是前者进行安全性设置，大量的研究实验证明，普通的铣刀结构与固有的强度完全不能适应高速切削的要求，所以研究一种新性能的高速切削铣刀就显得十分有必要，而我们接下来要说的高速切削可转位铣刀就是在当前安全性背景下产生的新型切削刀具，在结构、性能与安全性上都比先前的铣刀得到了明显的提高与改善。
3.高速切削可转位铣刀的安全性分析
3.1高速切削可转位铣刀的结构安全性分析
现有的铣刀安全性要求中明确规定，高速切削可转位铣刀在高速切削的过程中是不允许采用摩擦力夹紧的方式，这是由高速切削的强度所决定的，在高速切削可转位铣刀采用的是带中心孔位的铣刀刀片，通过螺丝钉进行夹紧。在高速切削可转位铣刀的结构中，和安全性能关系密切的部件是刀片中心的孔位对于螺丝钉孔位的偏心量、刀片中心孔位与螺丝钉中心孔位的形状，这些参数一定程度上决定着螺钉在静止的状态下夹紧所受应力的大小。如果产生的应力过大，那么容易导致螺钉发生变形，在降低夹紧系统的失效转速。除了这种夹紧方式，还可以尝试采用带卡位的空刀槽夹紧方式，采用这种夹紧方式可以进行对比刀具的精确性定位，并实现高速旋转的过程中产生可靠、稳定的联接。夹紧刀片要使用合适的螺钉，在进行螺钉固定的前期用润滑剂进行均匀涂抹，减少彼此之间的摩擦，减少夹紧扭矩中的损失，最后，螺钉需要定期的检查与维护，必要的情况下进行及时的更新，保证高速切削可转位铣刀的安全运转。刀体本身的设计也要兼顾安全性，在设计上要尽量减轻其质量，通过减小直径的方式进行减重，在材料的选择上也尽量选择比重轻而强度较高的刀具材料，目前比较推荐的材料是高强度铝合金制材料。刀槽的设计上要注意避免引起全部的应力，以此来降低刀体的强度，避免采用贯通式的刀槽，减少应力的集中。我们还可以从减少机夹零件的数量、回转轴的刀体结构设计进行高速切削可转位铣刀的安全性能分析。
3.2高速切削可转位铣刀设计上的安全性分析
我们可以通过一些具体的设计来增强高速切削可转位铣刀的安全性能。在例如在刀片的排列上尽量选择切向的排列方式，注意实现切削力的方向刀片的厚度要有所增加，在加大力的情况下可以实现切削刃的受力减轻，保证切削刃的强度与刚性，每次的铣削量及铣削深度都会大大提高，铣刀刀片不容易出现崩刃，延长了铣刀的使用寿命，高速切削可转位铣刀刀片采用的是切削力夹紧的方式，一方面节省了不必要的设备元件，另一方面可以使排碎屑槽的空间逐渐变大，提高排屑能力。我们前面提到过高速切削可转位铣刀的刀具材料采用的是先进的优质合金制品，已经在制刀之前进行了热处理，其安全性能十分可靠。
4.结束语
作为先进的制造切削技术，高速切削技术在我们的工业发展中发挥了重要的作用，从目前的发展情况来看，有着广阔而光明的应用前景。在高速切削工艺中最为关键的部位就是刀具，随着人们对高速切削安全性要求的提高，刀具的改良成为提高高速切削工艺安全性的突破口。作为目前比较先进的刀具——高速切削可转位铣刀十分值得关注，其在结构与设计上都最大化的考虑到安全性问题，着力提高高速切削工艺的安全性能，也为今后的高速切削工艺刀具研发提供了发展思路与改良突破口。我国的高速切削可转位铣刀研发还处于初级阶段，面对与发达国家的巨大差距，我们在今后的研发中应着力加强资金支持与技术扶持，推动我国铣刀制造业的新发展。
参考文献：
[1] 陈明，袁人炜，严隽琪，张明贤史兴宽.推动我国高速切削工艺发展若干问题的探讨[J].中国机械工程.1999（11）.
[2] 赵炳桢.高速铣削刀具安全技术现状[J].工具技术.1999（01）.
超高速切削加工技术研究 篇7
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.
高速切削加工技术的探导 篇8
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。
参考文献
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高速切削加工中刀具技术的选择 篇9
高速加工技术由于其精度高、产品表面质量好, 生产效率高, 被认为是21世纪最有发展前途的一种先进制造技术。特别是在当前市场竞争日趋激烈的情况下, 企业为满足时代与市场变化的需求, 只有通过不断提高产品质量、降低生产成本、改进服务方式、开发适应时代变换及有利于环保的新产品, 因此不断推动了这一技术的发展。高速切削加工技术作为机械制造中一种集高效、优质、低耗的先进制造技术, 相对于传统的切削加工, 其切削速度、进给速度都得到了很大的提高。
1 高速加工的定义
高速加工, 就是采用超硬材料的刀具, 通过极大地提高切削速度和进给速度, 来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的一种现代加工技术, 即以较快的生产节拍对零件进行加工。高速加工的一个生产节拍一般包括:零件送进→定位夹紧→刀具快进→刀具工进→刀具快退→工具松开、卸下零件→质量检测等七个基本生产环节。在高速加工中, 高速主要体现在刀具快进、工进及快退3个环节上。一般主轴转速≥8 000r/min, 最高可达到:10 000 r/min~150 000 r/min;进给速度超过40 m/min, 为普通切削的5倍~10倍;转速特征值达到0.5~200×106, 换刀时间:3s~5s, 最快可以达到0.7s~1.5s。高速加工切削速度随加工方法不同有所不同, 也随加工材料不同而不同。例如:车削:700m/min~7000m/min, 铣削:300m/min~6 000m/min, 铝合金:1 000m/min~7 000m/min, 铸铁:800m/min~3 000m/min。
2 高速切削加工刀具技术的选择
刀具作为高速切削加工技术中的一个关键因素, 它对产品加工效率、生产成本、加工质量等都具有直接的影响。在生产加工过程中, 刀具不仅要承受高切削力、高温、振动、冲击等载荷, 而且还应具有良好的力学性能和热稳定性, 即具有高硬度、高强度、高韧性、高耐磨性、抗氧化能力强和抗冲击能力强等特性。此外, 与传统切削加工相比, 由于高速切削速度高, 导致前刀面摩擦力增大, 使刀具接触面温度增高, 要求刀具具有高熔点、高耐热性、抗热冲击性能、高温力学性能等。同时, 为了保证高速切削的加工要求, 在刀具材料选定后, 应选择合理的刀具装夹结构、刀具几何参数, 同时考虑刀具的安全性。
2.1 刀具材料选择
根据高速切削刀具的作业强度, 其刀具材料应具备以下几个性能:1) 高硬度和高韧性, 能够承受刀具高速回转所产生的冲击和振动, 不发生崩刃和断裂现象;2) 高耐热性, 能够承受刀具高速作业过程的高温, 并具有较强的抗氧化能力;3) 高耐磨性, 保证刀具在高速切削中, 不易形成锯齿形和厚度变化的断续切屑, 有效防止刀具的动平衡性破坏, 而导致刀具加速磨损。除了以上性能之外, 还要求刀具材料必须具备抗热冲击性、抗断裂和塑性变形的能力。目前高速刀具材料主要以涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN为主。其中采用Ti C为基体的金属陶瓷化学稳定性比较好, 且具有耐氧化性、耐磨性和抗粘结性, 适合模具钢加工;以Si N陶瓷、Ti基陶瓷、Ti CN涂层为材料的高速硬质刀具适合加工高强度铸铁件及精锻结构钢件;采用聚晶金刚石 (PCD) 、超细硬质合金刀具适合加工铸铝合金件;采用高粉末Co冶金表面涂覆的高速钢整体拉刀、滚刀适用于加工各种精锻钢件、铸铁件;金属陶瓷硬度和抗断裂性与硬质合金基本相当, 但导热系数却不及硬质合金的1/10, 且具有优异的抗粘结性、耐氧化性和耐磨性, 比较适合于模具钢加工。涂层硬质合金由于耐磨性好, 且能很好的保持刃口形状, 使零件有高的精度和表面加工质量, 如聚晶金刚石或金刚石涂层刀具常用于加工有色金属或非金属材料。
2.2 刀具装夹结构的选择
高速切削加工在对切削刀具的刚性和高机械性能具有很高要求的同时, 对刀具的装夹力与装夹精度也有比较高的要求。刀具系统中, 装夹刀柄与刀具组成了一个完整的刀具体。在刀具高速旋转加工过程中, 由于离心力及震动的影响, 刀具系统可能导致振动或倾斜, 使加工精度降低, 刀具磨损加剧, 降低机床使用寿命。这就要求刀具系统有高的几何精度、装夹刚度和装夹定位精度。而普通切削加工中大多采用7:24锥度单面夹持刀柄系统, 这类常规刀柄在高速切削时, 往往会出现刚性不够、重复定位精度不稳定、不利于快速换刀等现象。为了提高刚性和装夹精度, 目前国外普遍采用1:10锥度的HSK空心刀柄, 它主要依靠空心薄壁的径向膨胀量保持与主轴内锥孔变形来实现夹紧, 采用小锥面的夹紧力提高接口承载能力及良好的定位作用, 具有换刀快、重复定位精度高等优点。如山特维克可乐满公司的刀柄系统。
2.3 刀具几何参数选择
刀具材料选定后, 刀具几何参数的选择会直接影响到刀具寿命及切削速度, 一般来说应选择高强度的刀片。对圆刀片和球头铣刀, 注意有效直径的概念。与普通切削不同, 高速切削时刀具的前角应小10°, 后角应大5°~8°。由于后角在高速切削时的进给速度高, 为了减少刀具与工件之间的摩擦, 后角选择120°以上;为了减少切屑流出阻力和降低刀具的磨损, 刀具前角选择120°左右;刃倾角影响切屑的方向和切削力的大小, 一般刃倾角选择为150°~100°, 这样以减小切削时刀具的磨损, 提高刀具的使用寿命。
2.4 刀具的安全性
由于转速的提高, 其安全性问题变得越来越重要。如40mm直径刀具, 主轴转速达到30 000r/min, 其射出的速度可达到63m/s的速度, 接近于230km/h的汽车速度, 切削过程中如出现断刀摔出, 势必有较大的冲击动量。因此, 刀具系统的动平衡性显得至关重要。
3 结论
高速切削中刀具技术的发展和应用将对高速切削技术具有决定性的作用。随着刀具新材料、新工艺等新技术的不断突破, 高速加工技术一定会成为机械切削加工的主要发展方向, 将不断为企业创造更大的经济效益。
摘要：本文从高速加工技术的涵义出发, 阐述了高速切削加工技术中刀具材料的选择、刀具装夹结构的选择、刀具几何参数的选择以及刀具安全性考虑。
关键词：高速切削加工,刀具,选择
参考文献
[1]徐宇慧.高速切削刀具及接口技.
[2]左敦稳.高速加工技术现状及发展趋势.
高速切削加工技术的分析与应用 篇10
1 高速切削加工技术的优势
高速切削在单位时间内对加工工件的材料切除率有了显著的提高, 从而改善了机械加工传统的加工效率;高速切削当速度达到临界点后, 整个切削力就能降低30%左右, 减少了很多径向切削力, 这就有利于一些薄壁件和刚性较差的零部件加工;由于高速切削加工有着传统工艺无法比的速度, 切削热还没有传给工件, 就已被切屑飞速带走, 确保了工件冷态, 所以说高速切削加工特别适用于一些易热变形的加工零件;高速切削加工切削比较平稳, 也可以加工一些精密、表面粗糙度要求较高的零件;高速切削加工还能加工比较难以加工的材料, 降低加工成本和提高加工效率。
2 高速切削加工技术的应用
伴随着高速切削加工技术逐步进入机械加工行业, 高速切削加工技术对传统的机械加工产生很大的影响, 高速切削加工技术完全改变了传统的机械加工工艺整个流程。如我单位生产的某种数控车床的床身, 由于受到机床结构的限制, 床头箱结合面比淬火导轨面高210mm, 床头箱结合的前端面与淬火导轨前端面相距400mm, 而且导轨面淬火硬度HRC52, 精度的要求又很高, 床身总重量25.5t, 如果还使用传统的切削加工方法, 导轨淬火-粗磨导轨-精铣其它面-精磨导轨面和床头箱结合面, 粗磨由于受到床身结构和重量的限制, 不可能实现, 就是用精磨机床代替粗磨, 由于磨削量比较大, 磨削时间长, 砂轮易撞到床头箱结合面上, 与同行们对高速切削刀具进行研究, 采用可转位刀片CBN的刀具, 对淬火导轨面进行精铣, 消除淬火对导轨面产生变形, 留很少的加工余量进行精磨, 即提高了加工效率, 问题又得到解决。高速切削在精加工中以铣代磨在我单位对某些零件也得到应用, 如小型直线导轨的床身、底座和横梁。目前某单位刀具代理商正与沈阳第一机床厂共同对高速切削刀具在粗加工中应用进行试验, 从试验的结果来看, 加工效率至少提高35﹪, 沈阳第一机床厂正准备推广应用这一技术。机械加工在各国制造业中影响力很大的加工业之一, 可以说机械加工技术代表着一个国家工业技术水平的高低, 一个国家没有高水平的机械加工技术, 就不可能生产出高质量的产品, 这个国家就不会有较强的工业和较强的国力。
高速切削加工技术在机床制造业, 其主要表现在:1) 高速切削能够提高整个加工效率, 不仅机床转速高、进给快, 而且粗、精加工能够一次完成, 一定程度上提高了工件制造的生产率。如果在结合CAD/CAM技术, 工件的制造周期就能缩短约35%的时间;2) 高速切削加工可代替磨削加工;3) 对于一些复杂曲面的零件和结构特殊的工件, 利用高速切削技术作精加工, 可取得以铣代磨的加工效果。采用高速切削后, 不仅能够满足工件表面质量的要求, 而且还能提高加工效率。
3 高速切削加工对切削刀具的要求
对刀具材料的要求, 在高速切削时, 产生的切削热和对刀具磨损都比较小, 所以高速切削使用刀具材料的选择, 主要表现在:1) 耐磨性和高硬度, 刀具硬度一定要高于加工工件的硬度, 通常都是在60HRC以上。刀具的硬度和耐磨性成正比, 硬度越高耐磨性就会越好;2) 高的韧性和强度, 刀具要具备较高的韧性和强度, 以便承受振动、切削力和冲击, 防止刀具脆性崩刃和断裂;3) 抗热冲击性和高的耐热性能, 高速切削时一般都有着很高温度, 所以刀具要选择氧化温度高、熔点高、抗热冲击性能强、耐热温度好材料;4) 良好的高温力学性能, 刀具材料要求具有很高的高温力学性能, 如高温硬度、高温韧性及高温强度等;5) 刀具材料要满足新型材料加工和难加工材料的需要。对刀具结构和几何参数的要求, 除了刀具材料的正确选择外, 正确选择刀具结构、切削刃的几何参数及刀具的断屑方式等, 对高速切削的效率、表面质量、刀具寿命及切削热量的产生都有很大的影响。刀具系统必须要有良好的平衡状态和安全性。刀柄是高速切削加工的一个关键部件, 它是传递机床的动力和精度。高速切削加工时既要保证加工精度, 又要保证高的加工效率, 还要保证安全可靠。
4 高速切削加工的经济性分析
有以下几个方面的因素可以体现高速切削加工良好的经济型性, 零件的单件加工时间缩短;工序的集约化, 可以在同一台机床上, 一次加工装卡完成零件所有的粗加工, 半精加工和精加工;将CAD/CAM技术一体化集成应用, 缩短新产品的开发, 设计与制造周期;可以加工刚性差的零件, 提高了刀具的耐用程度和机床利用率;零件加工精度高, 表面质量好, 刀具成本低, 节省了换刀辅助时间以及刀具刃磨费用, 这些都是采用高速切削加工所能去的较好技术经济效益的体现。
5 结论
为了充分发挥高速切削在加工中心和数控铣床的作用, 在保证工件加工质量的前提下, 要优先选择高速切削刀具和优化切削参数。刀具的选用与普通机床不同, 要完全从高速的角度考虑问题, 才能使高速切削达到目的。
参考文献
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高速切削技术 篇11
1 超高速切削技术的优越性
在现代工业科学技术的不断发展进步中, 高速与超高速切削刀具与机床设备等关键技术取得了突破性的进展, 使得朝高速切削工艺逐渐走向成熟。超高速切削工艺技术不断进步, 切削速度范围不断扩展, 在实际的生产应用过程中, 铝合金的超高速切削速度已经能够达到每分钟1 500m~5 500m, 铸铁的超高速切削速度为每分钟750m~4 500m, 普通刚的切削速度为每分钟600m~800m, 给进速度达到每分钟20m~40m。随着现代工艺的发展, 超高速切削的技术还在不断发展, 实验室中铝合金的切削速度已经超过了每分钟6 000m, 给进加速度已经能够达到3倍重力加速度。超高速切削的具体特点与优势包括以下几点。
1.1 可提高生产效率
在机床加工的切削过程中, 生产效率的提高是核心。而生产效率的主要影响因素包括加工系统的自动化程度、机床机械的动作时间与辅助加工时间。根据文献资料, 机床主轴给进与转动的速度大幅度提高, 使得加工时间减少一半, 从而简化了机床的机械结构, 减少了1/4的零件数量, 简化了维护的过程。
1.2 可获得较高的加工精度
现代机械技术的发展, 减少了1/3以上的切削力, 使得工件的加工精度增加。由于减少了变形程度, 降低了切削热量向工件的传导, 能够使工件的温度加热程度减少, 减少了热变形程度, 从而提高了加工精度。在大型薄板件、框架见、薄壁槽型件的加工过程中, 要实现加工过程的高效率与高精度, 主要的有效加工方式即为超高速切削。
1.3 能获得较好的表面完整性
生产效率不断提高的工艺改进中, 能够实现进给量的减少, 以较小的进给量增加加工表面的光滑程度, 同时切削力改变幅度降低且减少切削力的作用, 工艺系统的固有频率相比机床激振频率小很多, 所有振动对加工工件表面质量的影响较小, 切削热传人工件的比率大幅度减少, 加上表面的受热时间短, 切削温度低, 加工表面可保持良好的物理力学性能。
2 超高速磨削技术的现状与发展趋势
20世纪60年代初, 高速磨削的砂轮速度曾一度达到90m/s, 但更多的还是在45m/s~60m/s之间使用。20世纪70年代初, 高速磨削在各工业发达国家得到较快的发展, 砂轮圆周速度基本达到80m/s~90m/s, 少数磨床砂轮线速度达到120m/s。高速磨削作为最早开发应用的一种高效磨削技术曾风靡一时, 但是, 高速磨削并未按原先预料的方向发展。通过研究, 高速磨削时, 一方面由于磨屑厚度变小, 磨削能会增加, 磨削热增加;另一方面磨削液难以进入磨削区, 使传入工件的热流比例增大。这就使工件受热变形和表面烧伤等成为限制砂轮速度进一步提高的主要因素。此外, 早期的高速磨削技术在当时技术水平下还受到了普通砂轮的强度、普通磨料的耐磨性、机床结构和成形砂轮修整等多方面因素的制约。高速磨削技术在一段时间内发展缓慢, 只是在对磨削温度没有限制的高效磨中, 砂轮速度发展到120m/s。在20世纪50年代末, 德国的ELB磨床公司首创了另一种高效磨削加工方法——缓进给磨削, 即砂轮的线速度保持普通磨削时的水平, 而加大切削深度, 降低工件进给速度, 使砂轮像铣削那样工作, 从而提高材料去除率, 获得磨削的精度和表面粗糙度。缓进给磨削几乎是同高速磨削同时发展起来的一种高效磨削技术。自1963年缓进给磨削机床正式投入工业应用以来, 一直受传统砂轮速度 (u。<35m/s) 的限制。人们普遍认为高砂轮速度不适合于深磨场合, 因为砂轮速度的提高会引起磨削温度上升, 导致磨削烧伤的危险性增加。
1979年, 德国的P.G.Wemer博士预言了高效深磨区存在的合理性, Wemer在试验基础上将缓进给磨削的深磨机制推广到高速磨削领域, 提出了高效深磨的新概念。该磨床成功应用于螺杆齿轮、丝杠、工具沟槽、转子槽、齿槽等零件的机械加工中, 用磨削加工代铣加工。在这种情况下, 外界才真正开始意识到HEDG技术的巨大能量, 并受到全世界的极大关注。HEDG技术将传统的磨削加工工艺提高到了难以想象的程度, 材料去除率Q+达到50-1000m3/ (mm·s) , 磨削比一般在20 000以上。这种技术能够实现零件毛坯到成品的直接加工, 同时结合粗加工与精加工, 与传统铣削、车削加工工艺相比较, 极大程度提高了加工效率、缩短了加工时间。HEDG真正使磨削实现了高效优质的结合, 因而被誉为磨削技术发展的高峰。近年来, 随着人造金刚石和立方氮化硼超硬磨料砂轮的推广应用和高速磨削机制研究的进一步深入, 高速磨削得以再度兴起, 并实现了砂轮线速度高于普通磨削5倍~6倍的超高速磨削。20世纪80年代末期, 市场上已出现了80m/s~120m/s的磨床, 实验室的磨削速度已达230m/s。德国居林公司已制造出砂轮线速度为14m/s~160m/s的CBN磨床, 现在工业上实用磨削速度已达到了150m/s~250m/s, 实验室中达到400m/s, 并表现出非常优异的磨削效果。
3 结论
超高速切削对机床结构的要求是最基本的关键技术, 其技术包括直线驱动告诉进给系统、主轴结构改进单元、数字控制与伺服驱动的高性能系统、超高速切削刀具技术工艺与配套系统、实时监控系统、稳定的安全装置、高效的冷却系统、高阻尼和高刚度的机床床体结构、方便可靠的换刀装置、良好的动态特性和热特性。
此外, 超高速切削工艺也非常重要, 忽视这点也很难实现高速与超高速切削。
参考文献
[1]宋昌才.高速机床与高速切削在现代机械加工中的应用[J].新技术新工艺, 2002 (9) :2-5.