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试论数控高速切削加工技术的发展与应用研究

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  论文关键词:高速切削 关键技术 应用研究

  论文摘要:本文系统介绍了数控高速切削加工的基础理论及发展过程,分析了高速加工的优点和应用领域,总结了发展数控高速切削加工需要的关键技术和研究方向。 
  数控高速切削技术(High Speed Machining,HSM,或High Speed Cutting,HSC),是提高加工效率和加工质量的先进制造技术之一,相关技术的研究已成为国内外先进制造技术领域重要的研究方向。我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,即要掌握先进制造核心技术,否则在新一轮国际产业结构调整中,我国制造业将进一步落后。研究先进技术的理论和应用迫在眉睫。
  1、数控高速切削加工的含义
  高速切削理论由德国物理学家Carl.J.Salomon在上世纪三十年代初提出的。他通过大量的实验研究得出结论:在正常的切削速度范围内,切削速度如果提高,会导致切削温度上升,从而加剧了切削刀具的磨损;然而,当切削速度提高到某一定值后,只要超过这个拐点,随着切削速度提高,切削温度就不会升高,反而会下降,因此只要切削速度足够高,就可以很好的解决切削温度过高而造成刀具磨损不利于切削的问题,获得良好的加工效益。
  随着制造工业的发展,这一理论逐渐被重视,并吸引了众多研究目光,在此理论基础上逐渐形成了数控高速切削技术研究领域,数控高速切削加工技术在发达国家的研究相对较早,经历了理论基础研究、应用基础研究以及应用研究和发展应用,目前已经在一些领域进入实质应用阶段。
  关于高速切削加工的范畴,一般有以下几种划分方法,一种是以切削速度来看,认为切削速度超过常规切削速度5-10倍即为高速切削。也有学者以主轴的转速作为界定高速加工的标准,认为主轴转速高于8000r/min即为高速加工。还有从机床主轴设计的角度,以主轴直径和主轴转速的乘积DN定义,如果DN值达到(5~2000)×105mm.r/min,则认为是高速加工。生产实践中,加工方法不同、材料不同,高速切削速度也相应不同。一般认为车削速度达到(700~7000)m/min,铣削的速度达到(300~6000)m/min,即认为是高速切削。
  另外,从生产实际考虑,高速切削加工概念不仅包含着切削过程的高速,还包含工艺过程的集成和优化,是一个可由此获得良好经济效益的高速度的切削加工,是技术和效益的统一。
  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、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分发展基础之上综合而成的。因此,高速切削技术是一个复杂的系统工程,是一个随相关技术发展而不断发展的概念。
  2、数控高速切削加工的优越性
  由于切削速度的大幅度提高,高速切削加工技术不仅提高了切削加工的生产率,和常规切削相比还具有一些明显的优越性:第一、切削力小:在高速铣削加工中,采用小切削量、高切削速度的切削形式,使切削力比常规切削降低30%以上,尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少。既减轻刀具磨损,又有效控制了加工系统的振动,有利于提高加工精度。第二、材料切除率高:采用高速切削,切削速度和进给速度都大幅度提高,相同时间内的材料切除率也相应大大提高。从而大大提高了加工效率。第三、工件热变形小:在高速切削时,大部分的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走,因此加工表面的受热时间短,不会由于温升导致热变形,有利于提高表面精度,加工表面的物理力学性能也比普通加工方法要好。第四、加工精度高:高速切削通常进给量也比较小,使加工表面的粗糙度大大降低,同时由于切削力小于常规切削,加工系统的振动降低,加工过程更平稳,因此能获得良好的表明质量,可实现高精度、低粗糙度加工。第五、绿色环保:高速切削时,工件的加工时间缩短,能源和设备的利用率提高了,加工效率高,加工能耗低,同时由于高速切削可以实现干式切削,减少甚至不用切削液,减少污染和能耗。
  3、数控高速切削技术的应用领域研究
  鉴于以上所述高速切削加工的特点,使该技术在传统加工薄弱的领域有着巨大应用潜力。首先,对于薄壁类零件和细长的工件,采用高速切削,切削力显着降低,热量被切屑带走,可以很好的弥补采用传统方法时由于切削力和切削热的影响而造成其变形的问题,大大提高了加工质量。其次,由于切削抗力小,刀具磨损减缓,高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料、耐磨铸铁等用传统方法难以加工的材料,可以研究采用数控高速切削技术来加工。另外,在汽车、模具、航天航空等制造领域, 一些整体构件需要比较大的材料切除率,由于数控高速切削的进给速度可随切削速度的提高而相应提高, 使得单位时间内的材料切除率大大提高,因而在模具制造、汽车制造、航空航天制造中,数控高速切削技术的应用将产生巨大的经济效益。第四,由于高速切削时,加工过程平稳、振动小,与常规切削相比, 高速切削可显着提高加工精度1~2级,完全可以取消后续的光整加工, 同时,采用数控高速切削技术, 能够在一台机床上实现对复杂整体结构件同时进行粗、精加工,减少了转工序中可能的定位误差, 因而也有利于提高工件的加工精度。因此, 高速切削技术在精密制造中有着广阔的应用前景。如某企业加工的铝质模具,模具型腔长达1500mm,要求尺寸精度误差±0.05mm,表面粗糙度Ra0.8μm,原先的制造工艺为:粗刨—半精刨—精刨—手工铲刮—手工抛光,制造周期要60小时。采用高速铣床加工后,经过半精加工和精加工,加工周期仅需6小时,不仅效率提高,而且模具质量也大大提高。
  4、实现数控高速切削加工的关键技术研究
  数控高速切削加工是一个复杂的系统工程,涉及到切削机理、切削机床、刀具、切削过程监控及加工工艺等诸多相关的硬件与软件技术,数控高速切削技术的实施和发展,依赖于此系统中的各个组成要素的,这些实现数控高速切削技术离不开的关键技术,具体体现在以下方面:
  1)高速切削机理:有关各种材料在高速加工条件下,切屑的形成机理,切削力、切削热的变化规律,刀具磨损规律及对加工表面质量的影响规律,对以上基础理论的实验和研究,将有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择,为具体零件和材料的加工工艺制定提供理论基础,属于原理技术。目前,黑色金属及难加工材料的高速切削工艺规范和切削用量的确定,是高速切削生产中的难点,也是高速切削加工领域研究的焦点。
  2)高速切削机床技术模块:高速切削机床需要高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统。高速加工要求主轴单元能够在很高的转速下工作,一般主轴转速10000 r/min以上,有的甚至高达60000-100000r/min,且保证良好动态和热态性能。其中关键部件是主轴轴承,它决定着高速主轴的寿命和负载容量,也是高速切削机床的核心部件之一,主轴结构的改进和性能的提高是高速机床的一项重要单元技术。另一项重要的单元技术是高速进给系统。随着机床主轴转速的提高,为保证刀具每齿或每转进给量不变,机床的进给速度和进给加速度也相应提高,同时空行程速度也要提高。因此,机床进给系统必须快速移动和快速准确定位,这显然对机床导轨、伺服系统、工作台结构等提出了新的更高要求,是制约高速机床技术的关键单元技术。
  3)高速切削刀具技术模块:由机床、刀具和工件组成的高速切削加工工艺系统中,刀具是最活跃的因素。切削刀具是保证高速切削加工顺利进行的最关键技术之一。随着切削速度的大幅度提高,对切削刀具材料、刀具几何参数、刀体结构等都提出了不同于传统速度切削时的要求,高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化,高速切削加工时,要保证高的生产率和加工精度,更要保证安全可靠。因此,高速切削加工的刀具系统必须满足具有良好的几何精度和高的装夹重复定位精度,装夹刚度,高速运转时良好的平衡状态和安全可靠。尽可能减轻刀体质量,以减轻高速旋转时所受到的离心力,满足高速切削的安全性要求,改进刀具的夹紧方式。刀具系统的技术研究和发展是数控高速切削加工的关键任务之一。
  4)数控高速切削工艺:高速切削作为一种新的切削方式,要应用于实际生产,缺乏可供参考的应用实例,更没有实用的切削用量和加工参数数据库,高速加工的工艺参数优化是当前制约其应用的关键技术之一。另外,高速切削的零件NC程序要求必须保证在整个切削过程中载荷稳定,但是现在使用的多数CNC软件中的自动编程功能都还不能满足这一的要求,需要由人工编程加以补充和优化,这在一定程度上降低了高速切削的价值,必须研究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,充分发挥数控高速切削的优势。
  高速切削加工技术的发展和应用有赖于以上原理方面、机床、刀具、工艺等各项关键单元技术的发展和综合。
  5、高速切削技术应用方面研究状况和发展趋势
  由于高速切削在提高生产效益方面具有巨大潜力,早己成为美、日、德等国竞相研究的重要技术领域。美国日本等国早在60年代初,就开始了超高速切削机理的研究。上世纪70年代,美国已经研制出最高转速达20000r/min 的高速铣床。如今,欧美等发达国家生产的不同规格的各种超高速机床已经商业化生产并进入市场,在飞机、汽车及模具制造行业实际应用。例如,在美国波音公司等飞机制造企业,已经采用数控高速切削加工技术超高速铣削铝合金、钛合金等整体薄壁结构件和波导管、挠性陀螺框架等普通方法难加工的零件。近年来,美、欧、日等国对新一代数控机床、高速加工中心、高速工具系统的研究和产业化进程进一步加快,高性能的电主轴技术及其产品的专业化生产步伐加大;高性能的刀具系统技术也进展迅速;直线电机技术应用于高速进给系统。
  我国在研究和开发高速切削技术方面,许多高校和研究所作了努力和探索,包括切削机理、刀具材料、主轴轴承、等方面,也取得了相当大的成就。 然而,与国外工业发达国家相比,仍存在着较大的差距,基本上还处在实验室的研究阶段。为适应社会经济发展需要,满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求,数控高速切削技术应用研究任重道远。
  目前,针对高速切削技术的研究已从实验阶段转向应用阶段。在应用方面的研究包括两个层面:一是高速加工关键技术的基础理论研究,包括高速主轴单元和高速进给单元等,实现高速机床国产化。另一方面,在现有实验室实践技术基础上,进行工艺性能和工艺范围的应用研究。其中,关于高速切削工艺的研究是当前最活跃的研究领域之一,主要目标是通过试验或引进的先进设备直接进行工艺研究,努力解决关键零部件的加工工艺问题,开发和完善特种材料的高速切削工艺方法;研究开发适应高速加工的CAD/CAM软件系统和后处理系统,建立在新型检测技术基础上的加工状态安全监控系统。
  参考文献
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   张雅琼,薄壁零件车工夹具设计[J].中国高新技术企业,2010(8).

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