高速加工机床

高速加工机床（共12篇）

高速加工机床 篇1

1概述

高速机床对数控加工程序要求很高的安全性、 有效性, 任何编程过程的失误都会造成非常严重的事故, 而且由于高速运动无法靠人工急停来预防, 这需要CAM系统必须具备全自动的防过切、防碰撞功能, 确保加工指令的绝对安全。使用高速加工机床及用CAM软件进行编程, 注意加工工艺的安全性和有效性, 及工艺策略等方面的经验积累, 可对切削技术人员起到正确的指导作用。

2高速切削对数控编程的要求

2.1尽量避免加工方向的突然改变

应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化, 以免因局部过切而造成刀具或设备的损坏;走刀速度要平稳, 避免突然加速或减速;应采用光滑的转弯走刀, 以保证高速加工的平稳, 如图1所示, 在尖角处刀路改成了圆弧过渡, 这可由CAM软件中切削参数里面的“拐角”选项设定。 进退刀方式可采用螺旋线、圆弧和斜线方式, 如图2所示的圆弧切入切出走刀方式, 这可由CAM软件中的非切削参数选项设定。在曲面等高切削等涉及到相邻两层切削刀路间的移刀情况出现时, 最有效的方法是附加圆滑刀具转接。两层间的刀路圆弧转接既有效的解决了刀路平滑的要求, 又符合螺旋下刀减少切削阻力的问题, 如图3所示。

2.2尽量保持刀具负载不变

高速加工时, 建议尽可能地保持一个稳定的切削参数, 包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性。如图4所示, 分层切削要优于仿形加工。摆线式加工这是一种专门针对高速加工的刀位轨迹策略, 所谓“摆线”即为圆上一固定点随着圆沿曲线滚动时生成的轨迹, 由于切削过程中总是沿一条具有固定曲率的曲线运动, 使得刀具运动总能保持一致的进给率。如图5所示, 在曲面切槽加工中, 当用螺旋下刀切入工件后, 利用摆线切削摆动前进切开一道或两道通槽, 而不是直接直线走刀切削通槽, 在通槽切削出来后, 再使用直线走刀进行切削。这样就有效地避免了全刃径的切削, 使得整个曲面切槽加工的每刀的切削负荷更加平均了。

2.3高速加工刀具路径的优化

在高速加工过程中, 应输出光滑、平顺的刀位轨迹, 现有的CAM系统中的高速加工路径的生成, 通常基于对传统加工路径的修正与改造。

2.3.1刀具轨迹切削方式的修正

包括在相邻的两行切刀路间附加圆滑刀路转接;在相邻的两层切削刀路间附加圆滑刀路转接;垂直进刀要尽量使用螺旋进给, 应避免垂直下刀;程序中走刀不能拐硬弯, 要尽可能地减少任何切削方向的突然变化, 从而尽量减少切削速度的降低;尽量减少全刀宽切削, 保持金属切除率的稳定性。

2.3.2使用NURBS输出程序

在复杂形状零件的高速加工中, 采用直线段逼近零件形状, 为保证加工精度每段NC代码定义的位移较小, 因而NC代码变得非常庞大。而且直线插补加工时为降低直线端的速度冲击, 数控系统监控功能在直线端不断加减速, 而NURBS插补刀轨在允许的加工方向变化范围内, 无需加减速。例如在UGCAM等软件中做轮廓铣的时候, 在机床控制对话框中设置运动输出Motion Output为NURBS , 则生成简化的NC程序, 使机床以更高的进给率产生更光顺的曲面精加工效果。

结束语

高速加工对加工工艺走刀方式比传统方式有着特殊要求, 使用CAM系统进行数控编程时, 在刀具轨迹生成方面应具备相应的功能, 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运动轨迹的光滑与平稳, 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。

摘要：安全、高效、高质量是高速数控加工的主要目标。一个优秀的CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能等。分析了高速加工对数控编程的要求, 强调了刀路轨迹光滑、载荷平稳和轨迹的优化。

关键词：数控加工,刀具路径,优化,高速切削

参考文献

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[3]刘占强.高速切削数据库与数控编程技术[M].北京:国防工业出版社, 2009.

高速加工机床 篇2

超硬材料刀具在高速切削领域独占优势，其实际应用与日俱增。在这类刀具中PCD(聚晶金刚石)刀具是高速切削铝合金和非金属材料的最佳选择，而金刚石涂层刀具则不仅已经实用化且增长势头很猛;PCBN(立方氮化硼聚晶产品)刀具适于以更高速度切削铸铁、淬硬钢等材料，CBN(立方氮化硼)涂层刀具也有望在近期取得重大技术突破。

为了使高速切削刀具有足够的使用寿命和低的切削力，应根据不同的工件材料选择最佳的刀具几何角度。与普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些甚至是负前角，后角要稍大一点，且常采用修圆或倒角刀尖来增大刀前角，以防止刀尖处的热磨损。由于进行高速切削的旋转刀具要在很高的转速下工作，离心力问题非常突出，故要求其刀体结构和刀片夹紧结构应十分可靠，同时需要在动平衡仪上经过严格的动平衡，最好能进一步安装在机床上与主轴组件一起进行动平衡。

在普通转速下刀具与主轴间广泛采用的7：24锥联结，当高速旋转时，由于实心锥柄不能像主轴孔那样受离心力作用发生“胀大”，两者之间出现间隙会导致刀具在锥孔内摆动，从而引起刀具的轴向定位误差和破坏结构的动平衡。为了克服这种联结高速性能差的缺点，相继开发出了一些适合高速切削的联结方式，如：HSK 工具系统和Capto工具系统。

下面详细介绍刀具、刀柄及切削用量的选取。

1 刀具材料

要实现高速切削，刀具材料是关键。高速切削材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的切削速度范围。必须注意的是刀具材料和工件材料副之间有一个适配性问题，即一种刀具材料与工件材料时性能良好，但加工另一种工件材料时却不理想，换句话说，不存在一种万能刀具材料可适用于所有工件材料的高速加工。

高速切削刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、涂层刀具及CBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工;PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。表中列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料。

陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金等。

金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度。因为金刚石和铁有很强的化学亲和力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏，因此金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。

立方碳化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、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高速切削。CBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。

2 刀具

以下介绍在加工中心上加工壳体常用刀具。

1、铣刀

在面铣时，由于铣刀和工件之间的关系，尺寸和位置是重要的因素。在选择刀具时，工件的宽度决定铣刀的直径。对于加工小件而言，一般刀具直径比工件大30%是比较理想的，但是机床功率和稳定性在许多情况下起决定作用。面铣常常需要几次走刀才能完成。

在优化铣削效果时，铣刀的刀片是另一个重要因素。在任何一次铣削时如果同时参加切削的刀片数多于一个是优点，但同时参加切削的刀片数太多就是缺点。在切削时每一个切削刃不可能同时切削，所要求的功率和参加切削的切削刃多少有关。就切屑形成过程，切削刃负载以及加工结果来说，铣刀相对于工件的位置起到了重要作用。在面铣时，用一把比切削宽度大约大30%的铣刀并且将铣刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度变化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削时的切削厚度稍稍薄一些。

为了确保使用足够高的平均切屑厚度/每齿进给量，必须正确地确定适合于该工序的铣刀刀齿数。铣刀的齿距是有效切削刃之间的距离。可根据这个值将铣刀分为3个类型——密齿铣刀、疏齿铣刀、特密齿铣刀。

和铣削的切屑厚度有关的还有面铣刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之间的夹角，主要有45度、90度角和圆形刀片。切削力的方向变化随着主偏角的不同将发生很大的变化：主偏角为90度的铣刀主要产生径向力，作用在进给方向，这意味着被加工表面将不承受过多的压力，对于铣削结构较弱的工件是比较可靠。

主偏角为45度的铣刀其径向切削力和轴向大致是相等的，所以产生的压力比较均衡，对机床功率的要求也比较低，特别适合于铣削产生崩碎切屑的短屑材料工件。

圆形刀片的铣刀意味着主偏角从0度到90度连续变化，这主要取决于切削深度。这种刀片切削刃强度非常高，由于沿长切削刃方向产生的切屑比较薄，所以适合大的进给量。沿刀片径向切削力的方向在不断改变，而且在加工过程中所产生的压力将取决于切削深度。现代刀片几何槽形的研制使圆形刀片具有平稳的切削效应、对机床功率需求较低、稳定性好等优点。今天，它已不再是一种有效的粗铣刀，在面铣和立铣中都有广泛的应用。

相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方式。第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二种是逆铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必须在工件上滑移一段，以切削厚度为零开始，到切削结束时切削厚度达到最大，

在三面刃铣刀、某些立铣或面铣时，切削力有不同方向。面铣时，铣刀正好在工件的外侧，切削力的方向更应特别注意。顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力使工件离开工作台。

由于顺铣的切削效果最好，通常首选顺铣，只有当机床存在螺纹间隙问题或者有顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。

在理想状况下，铣刀直径应比工件宽度大，铣刀轴心线应该始终和工件中心线稍微离开一些距离。当刀具正对切削中心放置时，极易产生毛刺。切削刃进入切削和退出切削时径向切削力的方向将不断变化。机床主轴就可能振动并损坏，刀片可能碎裂而加工表面将十分粗糙。铣刀稍微偏离中心，切削力方向将不再波动—— 铣刀将会获得一种预载荷。我们可以把中心铣削比做在马路中心开车。

铣刀刀片每一次进入切削时，切削刃都要承受冲击载荷，载荷大小取决于切屑的横截面、工件材料和切削类型。切入切出时，切削刃和工件之间是否能正确咬合是一个重要方向。

当铣刀轴心线完全位于工件宽度外侧时，在切入时的冲击力是由刀片最外侧的刀尖承受的，这将意味着最初的冲击载荷由刀具最敏感的部位承受。铣刀最后也是以刀尖离开工件，也就是说刀片从开始切削到离开，切削力一直作用在最外侧的刀尖上，直到冲击力卸荷为止。当铣刀的中心线正好位于工件边缘线上时，当切屑厚度达到最大时刀片脱离切削，在切入切出时冲击载荷达到最大。当铣刀轴心线位于工件宽度之内时，切入时的最初冲击载荷沿切削刃由距离最敏感刀尖较远的部位承受，而且在退刀时刀片比较平稳的退出切削。

对于每一个刀片来说，当要退出切削时切削刃离开工件的方式是重要的。接近退刀时剩余的材料可能使刀片间隙多少有所减少。当切屑脱离工件时沿刀片前刀面将产生一个瞬时拉伸力并且在工件上常常产生毛刺。这个拉伸力在危险情况下危及切屑刃安全。

当铣刀轴心线和工件边缘线重合或接近工件的边缘线时，情况将很严重。达到较好铣削的总结

①检查机床的功率和刚度，以保证所需要的铣刀直径能够在机床上使用。

②主轴上刀具的悬伸量尽可能达到最短，减小铣刀轴线与工件位置对冲击载荷的影响。

③采用适合于该工序的正确的铣刀齿距，以确保在切削时没有太多的刀片同时和工件啮合而引起振动，另一方面，在铣削狭窄工件或铣削型腔时要确保有足够的刀片和工件啮合。

④确保采用每刀片的进给量，以便在切屑足够厚时能获得正确的切削效果，从而减小刀具磨损。采用正前角槽形的可转位刀片，从而获得平稳的切削效果以及最低的功率。

⑤选用适合于工件宽度的铣刀直径。

⑥选用正确的主偏角。

⑦正确的放置铣刀。

⑧仅仅在必要时使用切削液。

⑨遵循刀具保养及维修的规则，并且监控刀具磨损。

(2)钻头

钻头是孔加工刀具中应用最广的刀具，尤其是钻削ф30mm以下的孔时，钻头从结构上分为整体式和可转位刀片钻头，由于汽车工业追求高的生产效率，台肩和倒角复合钻的应用也越来越广泛。

许多工件上都需要钻削一个孔或数个孔，而且如今这些孔大多数都是在数控机床和加工中心上加工。从原理上讲，有许多不同类型的孔，在这些孔之间最普遍的差异是配合间隙。这些孔包括螺纹孔、有极好配合要求的孔、管道孔以及为去除重量而加工出的孔等。这些孔是通孔或者是盲孔，对切削刀具和方法有不同的要求。

在钻削过程中，为了以有效的方法达到满意的效果，需要考虑4个主要因素。

①直径和孔深的比值;

②被加工孔需要的精度和表面粗糙度;

③工件材料类型、质量和硬度;

④机床，尤其是加工条件和主轴转速;

这些因素将影响钻头类型的选择和应用。在所有的加工过程中，工件、机床和工艺系统的稳定性是最重要的。在考虑什么类型的钻头适用于加工工序时，钻削工艺起着某些制约作用。最小的可转位刀片直径为12.7mm。

(3)镗刀

镗刀按结构分为整体式、装夹式和可调式，可调式又分为微调式和差动式。在汽车变速器壳体加工中常用的主要是单刃微调式镗刀和双刃粗镗刀。

粗镗刀利用轴向调节机构，使两刃高度完全一致，取得理想的平衡状态，防止振动。进给螺纹是精镗头的命脉，在一些厂家采用配对生产法，将螺丝与螺母间的齿隙限制在最小，获得最高的可靠性。在镗背面的孔时，往往需要将工件反装，或回转工作台，这样不仅浪费时间，而且很难保证同轴度，日本BIG公司生产的 EWN精镗头只需将刀片反装即可进行反镗加工，即保证精度有提高生产效率。对于有高精度要求的孔要求刀杆有高的动平衡效果，在BIG公司生产的高速小孔精镗头移动平衡环，内藏的平衡块既会移动，根据说明书中的相关数据，将平衡环转到相应的位置既可使镗头处于平衡状态。

(4)攻丝

在加工中心上有两种攻螺纹方式，高精度自动倒转攻螺纹器，最高转速达6000r/min，不需任何补偿作用的刚性攻。这两种攻螺纹的方式各有优劣，因此依照加工要求而选择，在大量生产中，因追求高效率，自动倒转攻螺纹器将有利于生产，但它机构复杂、附件繁多、维修不易、价格昂贵。目前，随着CNC加工中心使用数量的增加，刚性攻丝将日渐普及。

高速高效微细加工技术的发展研究 篇3

关键词：高速高效微细加工 高速切削加工 高速与超高速磨削

前言：

制造业为人类创造了辉煌的物质文明，它是一个国家经济发展先进与否的重要标志。从古至今，制造业不断改变着人们的生产方式、经营管理模式乃至社会的组织结构形式和文化内容，尤其是机械制造，更是国民经济支柱。高速高效微细加工技术随着社会对制造加工业提出更高的要求而成为各个加工制造业日益关注的技术，不断加大了对其的科研投入。因此，我们要进一步发展机械制造业，就要向高速高效微细加工技术发展。

1.高速高效微细加工技术概述及应用

1.1.高速切削加工技术

高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念，随着切削加工技术的不断发展其速度范畴发生着变化，对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的切削速度也不相同。从切削速度方面，一般以高于5 10 倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。从切削机理上定义为：切削加工过程通过能量转换，高硬刀具对工件材料的作用，导致其表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为，形成的热、力耦合不均匀强应力场制造工艺。

1.2.高效加工技术

近来，一些从事高效加工技术研究者，从开始就强调切削加工中加工零件的质量与生产效率的共同更大幅度的提高。该研究继承了高速切削可以降低切削力﹑提高加工零件精度和表面质量等特点，着重从极大地提高生产效率的目的出发，进行了大量的切削试验研究，从理论和实践的结合上解决了许多技术难题，使高效率切削技术开发研究取得了长足的进展。高效率加工技术的关键在于：采取了选用或新设计出具有足够的机床主轴转速与较大地传递力矩的能力的高功率、高刚性机床，进行大功率切削；选用目前最好的先进刀具材料；选用适合高速切削先进的刀具夹头；采用独具风格的特殊加工方法以及选择合理的切削参数等技术措施。

1.3.微细加工技术

微细加工技术是一种有选择性地精修被加工对象表面微观粗糙度和拓扑结构的创新性微观加工工艺。这种机械化学工工艺是一种全自动化适用于汽车制造、电子、化工、冶金、机械制造、航空制造等行业，尤其是注塑模具、刀具和机床工具、高精密零件、光学器件，以及硬涂层处理前后的表面预处理加工。微细加工技术通过改变材料表面的微细结构，能够减少摩擦、提高抗磨损性能，显著地提高材料的表面性能，在刀具行业具有广阔的应用前景。

2.高速高效微细加工技术现状及发展趋向

尽管现阶段，国内国外对综合的高速高效微细加工技术的研究与应用都不多，但是国外在高速加工技术、高效加工技术、高速高效加工技术及微细加工技术的各个研究领域里都有了极其深入的研究并且也在许多的加工制造业里得到了极其广泛的应用，为他们今后在高速高效微细加工技术的研究与应用方面打下了良好的基础。而我国高速加工技术、高效加工技术、高速高效加工技术及微细加工技术的各个研究领域里取得的进展比较缓慢，和外国发达的国家相比有很大的差距。

2.1高速高效加工技术的发展

高速、高效和高性能自动化数字化制造设备和工具的快速发展和进步为制造业建立这种基础设施提供了可能和支持。沈阳黎明航空发动机公司利用CAD/CAM软件UGNX进行零件三维几何建模方法及加工、动态仿真和五坐标数控铣削编程方法的应用。西门子（中国）有限公司拥有了可用于加工飞机部件的数控系统及应用网络的DNC加工技术及管理软件。上海联泰科技有限公司推出了用于航空的快速成形和快速制造技术，重点研究了集激光、光化学、软件、控制技术为一体的金属快速铸造技术在航空工业中的应用等等。

综上，与国外相比，我国制造业数字化技术的应用水平还较低，面对这种挑战，首先要解决的是数控设备的长期稳定可靠，以提高加工效率和产品质量，从而提高设备的综合应用效率，提升数控设备的工业应用水平。

2.2 高速高效微细加工技术在国内外发展趋向

高速高效微细加工技术在国内外发展趋向的重点是如何权衡高速加工技术、高效加工技术和微细加工技术三者之间的发展关系。这三者之中的任何一个发展速度过快或过慢都会影响到高速高效微细加工技术在生产制造中得不到提高生产效率、提高生产产品的质量及提高加工精度的要求。高速高效加工技术一直以来都是我们研究的最多的一部分，也是高速高效微细加工技术中最为基础的一部分，而微细加工技术是作为最新的交叉科学技术又能起到了调节高速加工技术与高效加工技术的二者之间的关系。因此，高速高效微细加工技术在国内外发展趋向将会是以高速高效加工技术为核心平台，以微细加工技术的融合作为其发展的动力。

3.高速高效微细加工技术预测

高速高效微细加工技术将会成为未来汽车、航空航天制造业，医疗业、微电子集成、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、等领域主要加工技术的支柱。未来，哪个国家首先在高速高效微细加工技术上取得重大的突破哪个国家就可以掌控先进制造技术应用，占据所有制造行业的主导地位。因此，高速高效微细加工技术将被世界各国列为重点的研究对象，它将是权衡一个经济发达、工业发达以及技术发达的重要标准。

通过这些研究项目的实施，它将会极大地提升我国企业的自主创新能力，打破国外对高速高效微细加工技术的封锁，提高相关领域的国际竞争力。

参考文献：

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[2]文秀兰，林宋，谭昕，等. 超精密加工技术与设备[M]. 北京：化学工业出版社， 2004.

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高速加工机床 篇4

高速切削是20世纪90年代发展起来的先进加工技术,通常指高主轴转速和高进给下的铣削加工,其广泛应用于航空航天制造业、模具加工制造业以及汽车零件加工和精密零件加工等领域。近年来,高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势,而高速加工中心是提供高速切削技术的有效载体,是高速加工技术实现工程化的重要工具,因此高速加工中心是未来模具制造业的关键设备。在此背景下,沈阳机床股份有限公司自主研发了高速五轴加工中心VMC0656mu。

1高速机床关键技术

高速机床的关键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。高速单元技术包括高速主轴、高速进给系统、高速数控系统等;机床整机技术包括机床大件、刀具系统、安全装置等。

1.1 高速主轴单元

高速主轴是高速机床实现高速加工的核心部件。模具一般多为复杂曲面造型,在最终精加工时,为了保证其精度和粗糙度,刀具直径一般小于2 mm,为了实现很高的切削速度,需要主轴具有20 000 r/min以上的转速。目前主轴有机械主轴和电主轴两种结构型式,机械主轴最高转速能达到10 000 r/min左右,而电主轴转速一般在18 000 r/min～42 000 r/min。为了满足切削速度的要求,我们选用德国凯斯乐公司生产的24 000 r/min的电主轴,主轴最大扭矩可达到100 Nm。

1.2 高速进给机构

高速进给机构是高速机床性能的重要指标之一。高速进给是指机床不但要具有很高的进给速度而且还要有很高的加速度。模具类零件表面多为三维曲面,在高速加工过程中,只有通过较高的轴加速度才能在很高的轨迹速度情况下,在较短的轨迹路径上确保以恒定的每齿进给量跟踪给定的轮廓,这就要求机床具有很高的加速度。因此,在设计高速进给机构时采取了如下措施:①采用直线滚动导轨,其摩擦系数小,保证机床不产生“爬行”;②采用高精度滚珠丝杆,保证机床具有很高的定位度;③采用高速大扭矩全数字交流伺服电机,保证机床具有很高的进给速度和很大的加速度;④采用高精度光栅尺作为进给反馈元件,保证机床具有很高的进给精度。

1.3 高速数控系统

数控系统的选择是高速加工机床设计中不可忽视的,数控系统的功能直接关系到高速加工中零件的质量和效率。高速加工对数控系统的要求主要有:①应具备高速的处理器来快速地处理高速加工中的大量数据;②具有基于NURBS的样条插补计算方法来保证加工出较好的表面质量和较高的尺寸精度;③具有预处理功能以及速度和加速度的前馈控制,从而保证加工过程中预判加工轨迹防止过切;④具有误差补偿功能,从而减少机床因机械零件精度、热变形及测量系统等引起的误差。通过比较,最终选择了海德汉的iTNC530系统。

1.4 机床大件

高速机床大件设计的关键点在于如何降低运动部件惯量的同时,保证基础支撑部件的高的静刚性、动刚度和热刚度。因此在开发机床时采用三维设计软件进行建模设计,并通过有限元分析优化了机床整机结构。该机床采用龙门框架结构,而移动部件横梁、滑鞍、主轴箱在保证其刚度的前提下采用轻量化设计,提高了整机的动态性能。

1.5 刀具系统

高速加工离不开刀具系统,刀具系统包括主轴的刀柄型式、刀具的选择和刀具的冷却。主轴的高转速将产生高的离心力,而目前常用的7∶24锥柄不能提供足够的夹持力,为此选择了更适合高速加工的HSK型式的刀柄。高速加工通常选用立式铣刀,但一般不采用平底立式铣刀,因为平底立式铣刀切削刃短,受力大,易磨损,故通常采用刀尖为圆弧型的立式铣刀。冷却对高速加工的刀具非常重要,直接影响刀具的寿命和加工零件的表面质量,传统的冷却方式是通过大流量的切削液实现冷却,但会造成环境污染。因此本设计中采用干式切削,即通过微量油雾冷却刀具进行切削,并配有油雾吸收装置。而清理切屑的工作则采用吹气的方法实现。

1.6 安全装置

高速加工机床的安全防护装置不同于普通的数控机床,除了要考虑功能部件的防尘、防屑,最关键是应考虑到对操作者的安全。高速加工中切削速度非常高,如果加工中铁屑或者断裂的刀片从加工区域飞出来,对操作者可能造成非常大的伤害,因此在开发的机床防护系统中采用了加厚的钢板,并且观察窗采用防弹玻璃;在电气控制上做了互锁,以防止误操作。

摘要：介绍了VMC0656mu高速加工机床在开发过程中的几个关键技术点。

面向高速切削加工的数控编程技术 篇5

面向高速切削加工的数控编程技术

分析高速切削加工所具有的特殊性及优点,并说明高速切削对数控编程方法的`限制.针对传统编程方法,提出了满足高速切削加工的刀位轨迹特殊处理关键技术,并对其实现方法进行了较详尽的论述.同时,对高速切削数控编程中刀具载荷分析与速率优化、毛坯残留量自动分析等新技术的实现方法也进行了探讨.

作 者：孟月梅 Meng Yuemei 作者单位：北京航空制造工程研究所刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2007“”(z1)分类号：V2关键词：高速切削 数控编程 刀位轨迹 载荷分析

高速加工路径的空间曲线插补研究 篇6

当今自由曲面在高速加工中，尤其是在高速加工的精加工中，经常使用到空间曲线插补方法。空间曲线的插补方法有很多，如直线插补、参数样条插补、NURBS插补等，涉及到很多相关的算法。其中，三次参数样条和NURBS曲线是广泛应用的插补曲线。这篇论文对空间曲线插补的几种方法进行了简单介绍，分析了它们的应用特点。特别针对NURBS插补的应用特点进行研究，NURBS插补不仅保证空间自由曲线在高速加工中精度的要求，而且还缩短了插补计算的时间。

【关键词】高速加工 三次参数样条 NURBS曲线 插补

引言

高速加工是当今数控技术中崛起的一种新方法。高速加工带来的高效率、高精度以及对硬质材料能满足当前汽车工业、模具行业以及制造业发展的迫切需求， 在现代工业发达国家，高速切削已被作为一种新的加工技术越来越广泛地得到应用。高速加工的特点是具有极高的切削速度、极快的进给速度、很少的切削用量，可获得极高的精度和光洁度，也能得到很高的切削效率。要使高速加工达到预期目的，其刀具路径、切削参数和加工方法是关键因素。因此，这篇论文针对高速加工的插补技术进行研究。

1.插补技术的应用

1.1直线插补

数控系统一般都具有直线和圆弧插补功能。数控直线插补的任务就是根据进给速度的要求，在直线起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。由于每个中间点的计算时间直接影响数控系统的控制速度，而插补中间点的位置精度又影响到整个系统的控制精度，所以插补算法对整个数控系统的性能指标至关重要。目前直线插补中常用的方法有：逐点比较法、数字积分法等。逐点比较法是用于实际轮廓是直线的插补方式，如果不是直线，也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近，从而每一段线段就完成了直线插补。数字积分法是脉冲增量插补的一种，它是用数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的移动量，从而使刀具沿着设定的曲线运动。

1.2样条插补

在汽车、航空航天制造以及工模具制造等领域，存在着大量的具有自由曲面的零件。实际生产中，自由曲面零件的数控加工一般都采用CAM 软件进行NC编程。 由于受CNC系统插补（直线、圆弧插补，在三坐标以上加工时仅采用空间直线插补）能力的限制，CAM 软件的工作过程是首先对自由曲面进行刀具路径规划，然后通过大量的微小直线段逼近刀具轨迹曲线，生成刀位数据和NC程序。显然，在自由曲面加工，尤其在高速加工时，传统的直线插补方法已成为提高加工速度和加工质量的瓶颈。解决这一问题的根本途径就是研究开发基于样条的光滑的NC指令生成与处理技术以及基于样条的新型曲线实时插补技术，以适应高速加工的需求，这也是CNC系统的主要发展趋势之一。与传统的直线插补逼近方法相比，样条处理方法具有以下主要优点：由于样条曲线可达到 连续光滑，能够避免刀具运动方向的突然变化，并能改善刀具的受力情况，使得刀具可以光滑地、“柔顺地”从一点移到另一点，不会出现任何突然性运动（蠕动），从而可以提高加工表面质量和降低刀具磨损速度；在整个NC过程链中可使用统一的样条函数进行各种处理，使精度损失达到最小；可避免传送庞大的数据文件（刀位数据和NC程序），数据量约是传统方法的1/10。

1.3NURBS插补

随着数控高速切削技术的日益发展，当进行高精度的曲线加工时，由微段直线或圆弧构成的零件程序非常庞大，从而造成加工信息量大增，另外直线或圆弧也不能真实、完整地反映CAD/CAM系统所产生的复杂曲线模型，从而造成制造精度偏离设计要求，影响零件的加工精度、表面光滑性和生产效率。为了能够更好地解决高速切削的工艺问题，有关NURBS插补技术也成为研究热点之一。由于NURBS插补使近几年才发展起来的， 目前只有FANUC、Siemens、三菱等的部分数控系统支持NURBS插补，而绝大多数数控系统只支持直线、圆弧或抛物线插补。所以研究NURBS曲线插补方法是当前十分重要的一个问题。

NURBS曲线插补应用特点：

1.3.1减少程序指令条

NURBS插补以GO6.2表示插补开始，其中GO6.2表示NURBS插补；P表示NURBS次数；K为节点；x，y，z表示控制点的坐标；R表示权因子；F表示进给率。CNC读入GO6.2后面的3种参数值，然后进行插补计算。这样，只需给出定义NURBS曲线的3种参数值就能实现NURBS插补。和直线插补相比，NURBS插补的程序量要小1/2～1/3的程度。

1.3.2加工精度高

NURBS插补避免了以直代曲，因而提高了工件加工精度，改善了表面质量。由NURBS的定义式可知：NURBS插补时要进行多项式计算，计算过程比普通插补复杂。要使插补过程能够高速进行，必须采用高性能的CPU，以实现1次/ms的高速插补。NURBS插补时，CNC自己计算生成NURBS曲线，插补点计算时间非常短，被插补的各点之间间隔也相应变短，这样就提高了加工精度。NURBS曲线插补控制可以方便地满足曲线高速高精度加工的各项要求，这是传统的离线编程加工方法所无法比拟的。

1.3.3缩短加工时间

NURBS插补能在机械允许的速度矢量方向变化的加速度范围内，以最高速度加工，在曲率一定时，NURBS插补不需减速，当然加工时间自然就缩短了。另外，由于在高速加工时，一般的CNC系统的NC代码块处理能力往往跟不上代码段高速加工速度，而一段NURBS插补刀轨位移往往包含10～100段线性刀轨的位移，降低了对CNC的NC代码块处理能力的要求，因而往往能满足高速加工的要求。一般NURBS插补比线性插补加工时间减少30%以上。

本文介绍了直线插补、参数样条插补、NURBS插补的应用特点。其中NURBS插补能提供平滑稳定的高速、高精度的加工，是未来高速加工计算的发展趋势，同 时也需要机床各部件性能的提高，高速的主轴系统、快速的进给系统、高性能CNC控制系统等是实现NURBS插补高速加工的必要条件。

参考文献：

[1] 方沂.数控编程机床与操作.北京：国防工业出版社.1999.

[2] 王雅，叶友东.高速加工NURBS曲线插补技术分析与应用.安徽理工大学学报.2004，9：74—76.

[3] Dr.-Ing.H.高速加工发展概况[J].机械制造与自动化.2002，1.

数控高速加工技术分析 篇7

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.

高速切削加工工艺分析 篇8

高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具, 利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备, 以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。

随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用, 机械加工的辅助工时大为缩短, 这使得切削工时占去了总工时的主要部分, 因此, 只有提高切削速度和进给速度, 才有可能在提高生产率方面出现一次新的飞跃和突破。这就使得高速加工技术得以迅速发展。

高速切削不同工件材料时, 所用的切削刀具、工艺方法以及切削参数均有很大不同, 掌握高速切削工艺特点是高速切削应用技术中的一个重要环节。

1高速切削轻金属

铝是飞机和各种航天器零部件的主要材料, 也是机器和仪表零部件的常用金属。它的相对密度很轻, 经过适当处理的铝合金材料, 其强度可高达540 MPa。近年来铝合金在汽车和其他动力机械中的应用也逐渐增多。铝镁合金大多使用铸件, 这些轻合金的最大优点在于其固有的易切特性。

加工轻合金的优越性主要表现在:①切削力和切削功率小, 大约比切削钢件小70%;②切屑短、不卷曲, 因而在高速加工中易于实现排屑自动化;③刀具磨损小, 用涂层硬质合金、多晶金刚石等刀具在很高的切速下切削轻合金材料, 可以达到很高的刀具寿命;④加工表面质量高, 仅采用少量的切削液、在近乎干切削的情况下, 不用再经过任何加工或手工研磨, 零件即可得到很高的表面质量;⑤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1 000 m/min～7 500 m/min, 高速加工使95%以上的切削热被切屑迅速带走, 工件可保持室温状态, 热变形小, 加工精度高。

由于在轻金属的高速切削过程中存在较大的冲击载荷, 聚晶金刚石和立方氮化硼刀具的寿命特性并不好。高速钢也不适合于加工轻金属。

当切削速度达到1 000 m/min时, 可使用K型硬质合金刀具;当切削速度达到2 000 m/min时, 应使用金属陶瓷刀具;当用更高切削速度加工时, 特别是切削低熔点的硅铝合金材料时, 要使用金刚石镀层硬质合金刀具, 甚至PCD刀具;在铣削铝镁合金时, 可使用K10硬质合金刀具。刀刃圆角半径对切削温度和微粒火花的影响都很大, PCD刀具或硬质合金刀具的刀刃半径必须精密刃磨到纳米级的水平。

2高速铣削钢

近年来, 高速加工开始用于钢和铸铁的精加工, 特别是加工形状复杂的零件, 高速切削可以大大提高生产率。高速铣削钢的主要问题是刀具磨损。优化切削参数的目的不仅仅为了提高金属切除率, 而且更注重于降低切削力, 提高工件的表面质量、尺寸精度和形状精度以及减少刀具磨损。

高速铣削钢材时, 刀具采用更锋利的切削刃和较大的后角, 这样可以减少切削时刀具的磨损, 提高刀具的使用寿命。当进给速度增加时, 刀具后角要减小;进给速度对刀具前角的影响相对比较小。在高速下, 正前角并不比0o前角更多地降低切削力;负前角虽然能使刀片具有更高的切削稳定性, 但是增大了切削力和月牙洼磨损。一般来讲, 随着切削速度的的提高, 刀具寿命降低。当切削速度进一步升高, 使切屑与刀具前刀面接触区的滑移速度高到超过刀具材料的耐热能力时, 就会造成月牙洼磨损。

在高速铣削时, 轴向进给量对刀具磨损的影响比较小, 而径向进给量的影响则较大, 刀具寿命随切削面的增加而降低。在以径向进给进行切削时, 常常会因为高速产生的高温超过刀具材料的红硬性而造成刀具失效。当径向进给比较慢时, 刀具的非接触区时间比接触区时间长, 短时间的发热可以由比较长时间的冷却来弥补。因此, 从整体上看, 径向进给速度应稍慢一点, 建议进给量之值等于刀具直径的5%～10%。

高速切削时刀具的磨损也受到加工材料强度等力学性能的影响。工件材料的抗拉强度增大, 则刀具寿命降低, 所以要减小每齿的进给量。

在高速切削刀具材料方面, 金属陶瓷刀具的寿命比硬质合金长, 但也只适用于小切深和小进给量的切削。使用CBN刀具加工淬硬材料时效果好, 使用CBN刀具加工非淬硬材料不经济, 对提高刀具寿命的优势并不大, 金属陶瓷刀具也是如此。

镀层硬质合金刀具的磨损特性和所使用的刀具基体材料有很大关系。TiN基体的PVD镀层刀具具有最好的耐磨性能, 其刀具寿命比没有镀层刀具的可提高50%～250%。

3高速铣削铸铁

在高速铣削铸铁时, 刀具后角的情况和钢件差不多。对于象氮化硅刀具这样的脆性刀具材料, 影响刀具磨损的主要因素是刀片的形状和几何参数。在高速铣削铸铁时, 必须使用圆刃刀具, 否则刀具很快就会因为高脆性而损坏。

切削速度的选择取决于刀具材料。对于硬质合金和金属陶瓷刀具, 高速切削中的最主要问题是刀具磨损。金属陶瓷刀具由于具有刀片强度高、密度低和化学稳定性好等优点, 它的耐用度要比硬质合金好, 但是当切削速度超过1 000 m/min时, 不使用这种刀具。

对于硬质合金和金属陶瓷刀具, 刀具耐用度随着进给速度的增加而提高。而氮化硅刀具和CBN刀具只是适合于在比较低的进给速度下进行切削。

径向切深是影响刀具耐用度的关键因素之一, 随着切削区面积的增大, 刀具寿命降低。而轴向切深的影响不大, 当切深在1.5 mm～15 mm范围内变动时, 刀具的磨损量几乎是一样的。

被加工零件材料也影响刀具的耐用度。被切材料的铁含量, 对于CBN刀具的耐用度影响很大, 当切削GG40铸铁材料时, CBN刀具的耐用度达到了最低值。

使用镀层时, 刀具寿命可提高10倍～20倍。使用CBN刀具时, 切削速度可高达4 000 m/min。实际上, 只有CBN和氮化硅刀具才能在这么高的速度下进行切削, 特别是CBN刀具, 可得到很长的刀具寿命, 但必须使用较小的进给量。

4高速切削难加工材料

难加工材料包括特殊合金钢、钛合金、镍合金等, 这些材料由于强度大、硬度高、耐冲击, 大多用于航空制造和动力部门。但加工中这些材料容易硬化, 切削温度高, 刀具磨损严重。

在这些难加工材料的切削中, 导致刀片失效的典型形式是刀具磨损, 磨损的痕迹会产生在刀尖部位及刀具和工件之间的通道处, 因而形成严重的刀口毛刺。刀刃的磨损改变了刀具的几何参数, 增大了切削力, 尤其在切削高强度合金时容易使刀片碎裂。

刀片裂纹主要是由热应力造成的, 特别是在切削特殊合金时, 梳状裂纹很明显, 然后裂纹继续擦伤扩大, 形成磨痕。难加工材料的另一个特点是它们的粘附性, 使切屑粘在刀刃上, 随着切削速度提高, 粘附的切屑增多, 烧热的切屑堆积在刀具切入工件的切入点处, 形成积屑瘤。

在切削钛合金时, 热量增加产生与氧的放热反应。当磨损带宽度达到0.3 mm以上时, 引起切屑燃烧。在磨损严重加剧的情况下, 强烈的发热能超过材料的熔化温度。虽然高速加工中工件的温度没有明显上升, 但是切屑的温度大大升高了。

在对钛合金、特殊合金和耐热镍基合金等3种材料进行高速加工的实验中, 顺铣时的刀具磨损明显要大, 其原因是顺铣的刀具在离开工件时切屑加厚, 产生较大的拉应力, 因而增大了刀片破碎的可能性。这些材料的高强度和高弹性, 特别是应变硬化, 增大了切削载荷。

刀具前角的变化范围是在8o～28o之间, 在此前角范围内, 加大前角可明显地减小切削力, 加工上述所有材料时的刀具寿命都能提高。当前角为负时, 刀具的切削稳定性提高, 但寿命降低, 这是因为在刀刃处切削负荷增加。

提高切削速度后, 切削消耗的功率更大, 切削温度升高, 加速了刀具磨损。但高切削速度也缩短了刀具和工件的接触时间, 传递到工件上的切削热减少了, 切削热主要由飞快的切屑带走。

在高速切削中, 刀具磨损量随径向切入量 (或切深) 呈指数曲线的规律上升, 磨损加剧, 发热量增大。切深增加使切屑的厚度和长度增加, 必然减少刀片的空切时间, 导致在刀片上的发热量更大。

5结束语

提高生产率一直是机械制造领域十分关注并为之不懈奋斗的主要目标。高速加工 (HSM) 不但成倍提高了机床的生产效率, 而且进一步改善了零件的加工精度和表面质量, 还能解决常规加工中某些特殊材料难以解决的加工问题。因此, 超高速加工这一先进加工技术也已引起了世界各国工业界和学术界的高度重视。

参考文献

[1]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.

高速加工技术在模具加工中的应用 篇9

高速加工技术对模具加工工艺产生了巨大影响, 改变了传统模具加工采用的“退火→铣削加工→热处理→磨削”或“电火花加工→手工打磨、抛光”等复杂冗长的工艺流程, 甚至可用高速切削加工替代原来的全部工序。高速加工技术除可应用于淬硬模具型腔的直接加工 (尤其是半精加工和精加工) 外, 在电极加工、快速样件制造等方面也得到广泛应用。大量生产实践表明, 应用高速切削技术可节省模具后续加工中约80%的手工研磨时间, 节约加工成本费用近30%, 模具表面加工精度可达1μm, 刀具切削效率可提高一倍。

1 模具高速加工对加工系统的要求

高速加工是一项先进的、复杂的系统工程技术, 与传统加工工艺技术相比, 它对机床、刀具、刀柄、加工工艺、控制系统、CAD/CAM软件等多项指标都有较高要求。由于模具加工的特殊性以及高速加工技术的自身特点, 对模具高速加工工艺系统 (加工机床、数控系统、刀具等) 提出了比传统模具加工更高的要求。

1.1 加工机床

高速机床的主轴性能是实现高速切削加工的重要条件。高速切削机床主轴的转速范围为10000～100000m/min, 并要求主轴具有快速升速、在指定位置快速准停的性能 (即具有极高的角加减速度) 。

1.2 数控系统

先进的数控系统是保证模具复杂曲面高速加工质量和效率的关键因素, 其特性体现在加减预差补, 前馈控制, 精确矢量补偿, 最佳拐角减速、安全防护与实时监控等方面。模具高速切削加工对数控系统的基本要求为:高速的数字控制回路;先进的基于NURBS的样条插补计算方法, 以获得良好的表面质量、精确的尺寸和高的几何精度。

预处理功能。要求CNC具有大容量缓冲寄存器, 可预先阅读和检查多个程序段 (如1000～2000个程序段) , 以便在被加工表面形状 (曲率) 发生变化时可及时采取改变进给速度等措施以避免过切等。

误差补偿功能, 包括因直线电机、主轴等发热导致的热误差补偿、象限误差补偿、测量系统误差补偿等功能。

此外, 模具高速切削加工对数据传输速度的要求也很高。传统的数据接口, 如RS232串行口的传输速度为19.2kb, 而高速加工中心均已采用以太局域网进行数据传输, 速度可达200kb。

1.3 高速切削刀具系统

高速切削刀具系统的主要发展趋势是空心锥部和主轴端面同时接触的双定位式刀柄 (如德国OTT公司的HSK刀柄) , 其轴向定位精度可达0.001mm。在高速旋转的离心力作用下, 刀夹锁紧更为牢固, 其径向跳动不超过5μm。用于高速切削加工的刀具材料主要有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼 (PCBN) 、聚晶金刚石等。为满足模具高速加工的要求, 刀具技术的发展主要集中在新型涂层材料与涂层方法的研究、新型刀具结构的开发等方面。

2 模具高速加工工艺

2.1 粗加工

模具粗加工的主要目标是追求单位时间内的材料去除率, 并为半精加工准备工件的几何轮廓。在切削过程中因切削层金属面积发生变化, 导致刀具承受的载荷发生变化, 使切削过程不稳定, 刀具磨损速度不均匀, 加工表面质量下降。目前开发的许多CAM软件可通过以下措施保持切削条件恒定, 从而获得良好的加工质量。粗加工时工件轮廓形状对刀具载荷的影响:

1) 恒定的切削载荷。通过计算获得恒定的切削层面积和材料去除率, 使切削载荷与刀具磨损速率保持均衡, 以提高刀具寿命和加工质量。

2) 避免突然改变刀具进给方向。

3) 避免将刀具埋入工件。如加工模具型腔时, 应避免刀具垂直插入工件, 而应采用倾斜下刀方式 (常用倾斜角为20°～30°) , 最好采用螺旋式下刀以降低刀具载荷;加工模具型芯时, 应尽量先从工件外部下刀然后水平切入工件。

4) 刀具切入、切出工件时应尽可能采用倾斜式 (或圆弧式) 切入、切出, 避免垂直切入、切出。

5) 采用攀爬式切削可降低切削热, 减小刀具受力和加工硬化程度, 提高加工质量。

2.2 半精加工

模具半精加工的主要目标是使工件轮廓形状平整, 表面精加工余量均匀, 这对于工具钢模具尤为重要, 因为它将影响精加工时刀具切削层面积的变化及刀具载荷的变化, 从而影响切削过程的稳定性及精加工表面质量。现有的模具高速加工CAD/CAM软件大都具备剩余加工余量分析功能, 并能根据剩余加工余量的大小及分布情况采用合理的半精加工策略。

2.3 精加工

模具的高速精加工策略取决于刀具与工件的接触点, 而刀具与工件的接触点随着加工表面的曲面斜率和刀具有效半径的变化而变化。对于由多个曲面组合而成的复杂曲面加工, 应尽可能在一个工序中进行连续加工, 而不是对各个曲面分别进行加工, 以减少抬刀、下刀的次数。然而由于加工中表面斜率的变化, 如果只定义加工的侧吃刀量, 就可能造成在斜率不同的表面上实际步距不均匀, 从而影响加工质量。组合曲面的加工 Pro/Engineer解决上述问题的方法是在定义侧吃刀量的同时, 再定义加工表面残留面积高度, 可保证走刀路径间均匀的侧吃刀量, 而不受表面斜率及曲率的限制, 保证刀具在切削过程中始终承受均匀的载荷。一般情况下, 精加工曲面的曲率半径应大于刀具半径的1.5倍, 以避免进给方向的突然转变。在模具的高速精加工中, 在每次切入、切出工件时, 进给方向的改变应尽量采用圆弧或曲线转接, 避免采用直线转接, 以保持切削过程的平稳性。

2.4 进给速度的优化

目前很多CAM软件都具有进给速度的优化调整功能:在半精加工过程中, 当切削层面积大时降低进给速度, 而切削层面积小时增大进给速度。应用进给速度的优化调整可使切削过程平稳, 提高加工表面质量。切削层面积的大小完全由CAM软件自动计算, 进给速度的调整可由用户根据加工要求来设置。

3 结语

模具高速加工技术是多种先进加工技术的集成, 不仅涉及到高速加工工艺, 而且还包括高速加工机床、数控系统、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。大力发展和推广应用模具高速加工技术对促进我国模具制造业整体技术水平和经济效益的提高具有重要意义。

参考文献

[1]艾兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社, 2003.

高速加工技术应用研究 篇10

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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[5]薛兆云, 康敏.基于力矩电动机的双摆动铣头设计[J].现代制造工程, 2007 (3) .

高速加工机床 篇11

摘要：电化学放电加工（Electrochemieal Discharge Machining，ECDM）为近年来较受关注的非传统制造技术之一，既可以加工非金属材料，也可以加工金属材料。以有限元软件对工具电极高速旋转电化学放电加工加工状态进行了仿真分析，研究了工具电极旋转速度及工具电极与微小孔之间的偏心程度对工具电极变形及工具电极应力的影响。计算结果表明，随着工具电极旋转速度增加，工具电极最大变形及工具电极最大应力增加；随着工具电极与微小孔偏心量的增加，工具电极最大变形及工具电极最大应力增加。

关键词：液固耦合；工具电极高速旋转；电化学放电加工

电化学放电加工（E1ectrochemical DischargeMachining，EcDM）为近年来较受关注的非传统制造技术之一，既可以加工非金属材料，也可以加工金属材料。使用高速旋转的工具电极进行电化学放电微孔加工，有利于加工产物从微小的加工间隙内排出。在工具电极高速旋转进行电化学放电加工微小孔的过程中，工具电极由于复杂的受力状况，可以视为一个极其复杂的动力学系统。由于工具电极的旋转作用，加工微小孔时，微小孔内充满了具有一定粘度的工作介质，旋转向下运动的工具电极使微小孔内的工作介质受到动压力，并反作用于高速旋转的工件电极上，从而影响工具电极的运动状态。同时，在微小孔加工过程中，工具电极可能处于偏心工作状态，此时，微小孔内的工作介质对工具电极的作用力大小和方向都会发生改变，工具电极的工作状态反过来又会影响加工间隙内的流场状态，从而对加工过程产生影响。由于微小孔电化学放电加工的特殊性，无法直接使用各种测量设备对加工间隙内的状况进行测量；另外，由于电化学放电加工机理的复杂性，无法求得加工过的解析解，目前的情况下，只能使用模拟仿真的方法，定性的进行分析。

以前受到条件的限制，一般只进行基于单独的流场分析或者是基于结构进行分析，这样的分析过程不能反应多物理场综合作用的效果，以及各物理场之间的相互影响状况，仿真分析的结果具有一定的局限性。随着计算机软硬件技术的发展，多物理场耦合计算理论的进一步完善，针对多物理场耦合问题的计算成为可能。流固耦合分析在其他工程问题有不少的研究成果，但在微细电化学放电高速旋转工具电极应用方面却鲜有文献报道。本文对高速旋转的工具电极流固耦合系统的动力特性进行数值分析，分析工具电极旋转速度、工具电极偏心度及微孔深度对加工过程的影响。

1.计算模型

1.1几何模型及网格划分

因为实际的加工过程很复杂，难以用理论方法进行全面分析，因此对加工过程进行合理的模型简化是非常必要的。通过简化分析，定性的认识工具电极旋转时微小孔内流固耦合特性。本文的几何模型包含微小孔和工具电极两部分，工具电极直径为400μm，当工具电极与微小孔同心时，取微小孔直径为450μm，侧壁加工间隙20μm，端面加工间隙25μm，孔深度为2000μm；当工具电极与微小孔偏心时，偏心距e取值为10微米和40微米进行计算，最小侧壁间隙为20μm，端面加工件25μm，微小孔深度为2000μm，如图1所示。图2a所示为加工的几何模型；图2b为工具电极网格；图2c为流体域网格划分；图2d为流体域网格局部放大图。流体域网格以四面体单元为主，合理的选用结构化六面体单元、楔体单元或者锥体单元，对微孔内壁圆柱面设置膨胀层，进行网格细分。

1.2计算方法

单向流固耦合分析是指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是把CFD分析计算的记过（如力、温度和对流载荷）传递给固体结构进行分析，但没有把固体结构分析结果传递给流体分析过程，只有流体分析对固体结构分析有影响，而结构分析的变形等结果非常小，以至于对流体分析的影响可以忽略不计本文分析的高速旋转的工具电极在工作中受到流体介质和离心力的影响，会导致工具电极发生变形，未考虑变形的工具电极反过来影响加工间隙中的流场，因此选用单向流固耦合分析。

2计算结果与分析

2.1工具电极旋转速度与工具电极最大变形的关系

由图3～图5可知，工具电极最大变形发生在电极端部，夹持部分变形最小。从图6可知，当工具电极旋转速度增加时，工具电极最大变形量增加；随着工具电极与微小孔之间的偏心量增加，工具电极的最大变形量增加；当工具电极与微小孔之间同心时，工具电极的最大变形量非常小，接近于零；当工具电极与微小孔之间偏心量较小而且工具旋转速度相对较低时，工具电极的最大变形量也相对非常小，但旋转速度较大时，工具电极最大变形量增加。

2.2旋转速度与工具电极应力的关系

由图7～图9可知，工具电极最大应力发生在电极夹持部分，电极端部应力形最小。从图10可知，当工具电极旋转速度增加时，工具电极最大应力增加；随着工具电极与微小孔之间的偏心量增加，工具电极的最大应力增加；当工具电极与微小孔之间同心时，工具电极受到的最大应力非常小，接近于零；当工具电极与微小孔之间偏心量较小时，工具电极的最大变形量也非常小，但总体呈现随着工具电极旋转速度的增加而增加。

2.3结果分析

进行电化学放电加工微小孔时，由于工具电极旋转作用，加工间隙内的工作液也随着工具电极旋转而旋转，由于离心力的作用被甩向微小孔内壁的四周，可以认为是随工具电极一起旋转的近似圆柱式的液体层，该液体层对微小孔内壁产生一定的作用力，对工具电极的受力状况及运动形式会产生影响。电化学放电过程中，工具电极可能会处于偏心状态下工作，随着偏心量的增加，作用在工具电极上的弯曲力会增加，因此导致工具电极最大变形和最大应力的增加。

3结论

1）由液固耦合计算可知，随着工具电极旋转速度增加，工具电极的最大变形量和最大应力增加。

2）随着工具电极与微小孔之间的偏心量增加，工具电极的最大变形量和最大应力增加。

UG高速加工的编程方法 篇12

高速加工 (HSM或HSC) 是20世纪迅速走向实际应用的先进加工技术, 具有强大的生命力和广阔的应用前景。它能解决新材料的加工问题, 适应形状复杂的3D曲面加工, 从而减少和避免采用费时、费钱的电火花加工。高速复合加工还可以减少工件搬运次数、装夹次数, 避免重复定位带来的加工误差等, 提高了加工质量及加工效率。但是高速加工不是简单使用现有的工具通过提高主轴转速和进给就可以实现的, 除了具有硬件条件 (机床、刀具、工厂环境等) 外, 还需要有相适应的数控程序。本文仅从UG高速加工的编程方法角度来探讨高速加工。

1UG高速加工的编程方法

1.1 UG后置处理中采用输出圆弧模式

进入UG的交互式后处理构造器PostBuilder的后置处理设置圆弧输出界面 (见图1) , 如果选为No则生成的程序中完全是小直线段拟合, 即使是圆弧形式的模型轮廓也不会以圆弧插补输出程序, 即整个程序中完全是直线拟合的。

1.2 采用浅的切深或小的切削宽度

对于轮廓铣, 应将步距和切削深度设置小一些。步距用于所有的切削模式, 切削深度用于平面铣、型腔铣、曲面轮廓铣中的z级或多个刀路时, 一定要调整切削深度浅些, 一般设为直径的1/10, 而普通切削一般建议不超过刀具直径。轮廓铣路径设置见图2。

对于曲面铣, Increments设置每层的切深, 即切削的层数由软件自动计算并生成。曲面铣路径设置见图3。

1.3 控制刀轨转接方式及其进给率

在“角和进给率控制”中设置“圆角”半径和加减速率 (另外也可设置后处理使程序头有G5.1Q1、程序尾有G5.1Q0实现机床的加减速控制, 详细内容可查看FANUC的随机操作手册, 这里不赘述) , 具体方法是:在图2的Corner Control中点击其后面的图标进入图4所示的拐角和进给率控制界面进行设置。

1.4 控制刀具切入、切出

刀具突然受阶跃性力容易损坏, 此时应设置小的进给以求切入后再经“第一刀切削”逐渐提高速度, 并控制圆角切入、切出和下刀。

1.5 控制加工余量保证接近恒定力切削

对于高速切削恒定力非常重要, 一旦因余量不同造成震动, 刀具偏摆会很容易破坏刀具, 甚至造成严重事故, 特别是直径2 mm以下的刀具。对于转速150 000 r/min的主轴运动, 质心偏一个微米所造成的离心力是非常之大的。高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来控制切削力稳定和提高效率, 而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽。

1.6 选择合理的走刀方向

尽量使刀具少用急剧起伏式切削, 控制切削角界面见图5。实际使用时可以设置交叉的切削角, 使表面更加光顺。

1.7 采用“NURBS”提高曲面精加工效果

如果机床和后处理支持在“机床加工”对话框将“运动输出设置为”“NURBS”, 可减少程序量。UG/Nurbs Path Generator样条轨迹生成器模块允许在UG软件中直接生成基于NURBS样条的刀具轨迹数据, 使得生成的轨迹拥有更高的精度, 而加工程序量比标准格式减少30%～50%, 实际加工时间则因为避免了机床控制器的等待时间而大幅度缩短。

1.8 合理利用Verify模块进行加工前的检查

Verify能交互式地进行模拟、验证、显示刀具路径, 这是一种近于零花费的、不用机床而进行试切的方法。但是, 程序设计在很多时间是自动完成的, 并且程序设计和现场经验关系非常重要, 必须保证合理利用仿真。有经验的程序员能够分析刀具路径的仿真整个过程, 并能迅速判断出哪部分程序有可能在机床上出问题。在大多数情况下, 为了加工工件几何形状的一个部位, 程序员可以查看和采用几种方法, 结果生成几个单独的刀具路径文件, 供机械加工人员选择。如果根据刀具的表现情况有一种方式明显优于另一种, 即可选定比较好的刀具路径, 绝对不会拖延时间等待这部分工作重新编程, 速度可使 CNC 加工中心更有竞争力。而UG完全可以以快速的编程方式迅捷地提交给机床。

2结束语