【关键词】数控技术 数控高速加工 数控加工技术
【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2011)20-0198-02
一 高速加工在技术上的优势
高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。在国外的高速加工试验中已证实,当切削速度超过一定值(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削被带走,而且当切削速度超过某一数值后,切削力近似保持不变。经过理想的高速加工后,切屑变形及其收缩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,推出与高速加工相关的新技术设备。
二 数控高速加工的现状
高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术随之融入企业。在我国航天航空、汽轮机、模具等行业,不同程度地应用了高速加工技术,相对于汽车制造业而言,这类机械制造行业基本上属于工艺离散型制造业,其高速加工技术主要表现在对高速数控机床与刀具技术的应用上。
目前,国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一般≤8000r/min(极少有12000r/min),快进速度≤40m/min。对铸铝、锻铝合金体、高强度铸铁和结构钢件,多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用相对较少,加之机床主轴转速偏低,一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件:切削速度<1000m/min,进给速度<15m/min,每齿进刀量<0.35mm。车削:切削速度<700m/min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度<500m/min,进给速度<10m/min,每齿进刀量<0.3mm。上述行业中,数控设备利用率仅为1/4左右。
三 数控高速加工机床的关键技术
高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴,具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统,又是高速机床的关键所在。
1.高速主轴
高速主轴是高速切削最关键的零件之一。目前,主轴转速在10000~20000r/min的加工中心越来越普及,转速高达100000r/min、200000r/min、250000r/min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高,主轴零件在离心力作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形,为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(3)良好的热稳定性;(4)大功率;(5)先进的润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。
2.快速进给系统
高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度提高。目前,高速切削进给速度已高达50~120m/min,要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。而且由于机床上直线运动行程一般较短,高速加工机床必须实现较高的进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求,在高速加工机床上主要采用如下措施:一是采用新型直线滚动导轨,直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小,其摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右,而且使用直线滚动导轨后,“爬行”现象可大大减少;二是高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠,其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;三是高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化,高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电机和控制技术;四是为了尽量减少工作台重量但又不损失刚度,高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;五是为提高进给速度,更先进、更高速的直线电机已经发展起来。
3.高速切削刀具技术
第一,刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小,并具有优异的机械性能和热稳定性,抗冲击、耐磨损,目前常用的有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等。
第二,高速切削刀具结构。高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂,会带来危险,高速切削刀具必须满足动平衡要求。动平衡一般对小直径刀具要求不严,对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具,必须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡,还要对刀具与夹头组合体进行平衡。最后,将刀具连同主轴一起进行平衡。
第三,高速切削刀柄系统。针对刚性不足、ATC(自动换刀)的重复精度不稳定、受离心力作用的影响较大、刀柄锥度大等问题,相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位刀柄。两面定位刀柄主要有两类:一类是对现有7B24锥度刀柄进行的改进性设计,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系统;另一类是采用新思路设计的1B10中空短锥刀柄系统,有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。
4.高速切削工艺
高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高速加工和传统加工工艺有所不同,传统加工认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程,而在高速加工中,高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。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。目前,Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM软件,都已添加了适合于高速切削的编程模块。
四 结束语
高速加工技术是现代先进的制造技术之一,其产生是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。在此背景下,高速加工技术应运而生,逐步发展成为综合性系统工程技术,并得到越来越广泛的应用。高速加工的巨大吸引力在于实现高速加工的同时,保证高速加工精度。航空航天、汽车及模具制造业对高速加工的认同与强烈要求,推动着高速加工技术在国际上的发展。
