制造系统的发展趋势之切削加工向着高精密超高速方向发展

制造系统的发展趋势之切削加工向着高精密超高速方向发展一超高速和高精密切削的概念超高速切削的概念最早是由物理学家萨洛蒙提出的，他通过切削试验得出结论，即:切削速度加快，切削温度相应提高，但是当温度达到临界点的时候，随着切削速度加快，切削温度却开始下降。超高速切削的含义可从两个方面理解，一是在进行切削时主轴运转的高速性;另一个是进行切削时加工进给的高速性，如此以来超高速切削可以大幅度地减少切削加工的时间，提高设备的生产效率。高精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚纳米精度发展。高精密超高速的切削加工已经成为了先进制造技术的一个重要发展方向。已经广泛应用于模具制造，汽车零配件和航空航天领域。二超高速切削的优势超高速切削的切削速度很快，约5-10倍于传统的切削加工。相比于传统的切削加工其优势明显。切削速度快，加工效率高切削力小，产生的切削热较少，同时也降低了受迫振动，极大地提高了加工精度和加工质量可加工材料的范围广，非常适用于一些较难加工的材料。宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。而使用超高速切削的方法这些问题都迎刃而解。超高速切削的优势明显，但同时它对刀具和机床的要求也非常的苛刻。三刀具系统对超高速切削的影响切削三要素中对刀具磨损影响最大的是切削速度，其次是进给量和被吃刀量。而超高速切削以切削速度快而闻名，因此它对刀具的要求很高，以下仅从三方面来粗略的考虑。3.1刀具材料由于超高速切削加工自身的超高速特点，要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力小，并且具有优异的力学性能、抗冲击性能和极高的耐磨性和热硬性。涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(CBN)以及金刚石等都可以应用于超高速切削。金刚石也是高精密切削的重要刀具材料。从加工的经济性来说，涂层刀具是超高速切削刀具种类中最为耀眼的一种。涂层刀具，是指在表面涂覆一层很薄的非金属或金属化合物的刀具，基体材料可以选用高速钢，金刚石或者硬质合金等。涂层，作为一种涂覆在基体表面的物质，对基体产生了保护的作用，它避免了刀具基体和加工材料之间的直接接触，因此减少了刀具与工件间的反应及扩散，所以刀具的磨损量就会降低，从而大大改善了加工状况。涂层刀具的性能与涂层的制备方法和元素种类及含量配比密切相关。最常见的涂层制备方法有真空镀，阴极离子镀，磁控溅射法等。目前最常用的涂层材料主要分为钛的化合物(TiC, TiN, TiCN, TiA1N,)和铝的化合物(AION)两大类。钛元素由于其具有极高的强度而广受青睐，而铝元素则是因为刀具在切削时产生大量的切削热，铝元素的存在使得铝与空气中的氧气发生化学反应生成致密的氧化铝薄膜从而保护刀具基体。因此在刀具涂层方面也广受关注。3.2刀具角度在超高速切削加工时，由于切削速度的提高，刀具与工件之间的摩擦比较严重，应选用较大的后角以减小刀具一工件之间的摩擦。增大前角时，切屑变形系数减小，切屑流出速度提高很快，从而使刀具一切屑间的摩擦加剧，前刀面温升增加，必然会增加刀具的磨损，因此，应选择较小的前角。为了保证刀具有足够的强度和足够的散热体积，往往前、后角同时选择，并保证刀具的最佳楔角。即根据所加工的工件材料，首先确定最佳楔角，然后再选择刀具的前角和后角。刀具的刃倾角影响切屑的流出方向和各切削分力的大小。强度小的工件材料可选择较大的刃倾角，强度大的工件材料应选择较小的刃倾角。3.3刀具的连接结构超高速切削机床的主轴转速一般为几万转，刀具在这样高速情况下工作，要求刀片在刀体上的定位夹紧牢固、安全，刀具与机床的联结可靠;必须对刀体、刀片和刀具与机床的联结进行特殊结构设计，以保证刀具在高速回转情况下能正常工作。超高速切削加工刀体结构和刀片夹紧结构必须满足动平衡要求。高速切削对于刀具的刀柄夹持系统也有很高的要求，刀柄夹持系统要有很高的装夹精度和刚度以及动平衡能力，在高速运转的时候要具有绝对的定心性，完全的安全可靠。为了适应超高速切削加工技术发展的需要，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的刀柄。四机床系统对超高速切削的影响实现切削加工的高精密和超高速就要求机床需要很高的精度和刚度。下面分别从两个方面诠释机床本体对高精密超高速切削的影响。4.1超高速主轴系统超高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形，超高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对超高速主轴提出以下性能要求:(1)结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的起、停性能;(2)足够的刚性和高的回转精度;(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。4.1.1电主轴由于电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并且避免振动与噪声，因而是高速主轴单元的理想结构。高性能的电主轴是实现超高速切削的基础，要求具有很高的转速及相应的功率和扭短多数由内装电机直接驱动，目前，具备各种先进的电气驱动和控制技术的电主轴已经达到专业化生产和商品化供应。4.1.2磁悬浮轴承在这些主轴系统中成功地采用了各种超高速轴承，如高精度陶瓷球角接触球轴承，流体静压轴承，磁悬浮轴承，磁悬浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触悬浮起来的新型智能化轴承，磁悬浮轴承由于其转速高，无磨损，无需润滑，可靠性好，动态特性可调等优点，已经被很多国家的机床都予以采用。4.2高速进给系统4.2.1高速直线电动机超高速切削时，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。直线电机驱动的进给系统超高速机床要求进给系统有与主轴高转速相应的高速进给运动(空行程时的移动速度更高)，直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚制丝杆(齿轮齿条)传动中的反向间隙、惯性摩擦力和刚度不足等缺点，具有系统结构简单，定位精确度高的明显优势，并具有极好的稳定性，对于高速的直线运动和平面运动都能够得以实现。4.2.2高速滚珠丝杠副运用滚珠丝杠进行传动这种高速进给的方法，首先将进给伺服电机的转速加以提高，再结合使用具有较大导程的滚珠丝杠副来提高进给速度。精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件,随着高速切削技术的发展,对滚珠丝杠副的线速度提出了越来越高的要求。精密高速滚珠丝杠副的特点是:传动效率高，灵话、轻快，节能、省电，对环境无污染，无间隙、无爬行，高刚度，有较高的快速响应特性和同步性。但是滚珠丝杠副的高速化同时带来了振动、噪声和由于摩擦引起的温升等诸多问题,噪声和温升成为制约滚珠丝杠副高速化的关键因素。4.3大流量喷射冷却系统在超高速切削时，单位时间内将产生大量的热切屑，必须把它迅速从工作台清除，以免妨碍高速切削的正常进行，避免产生机床、刀具和工件的热变形。解决这个问题的主要方法是:采用高压喷射装置，不断地将高压切削液射向机床的切削部位。并将大量的热切屑立即冲离工作台，始终保持工作台面的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证加工精度。用防护罩把切削区完全封闭起来，以防止切屑和切削液到处飞溅，污染工作环境。在高速旋转的刀具周围，用足够厚的优质钢板和防弹玻璃做安全罩和观察窗，以确保人身和设备的安全。4.4良好的机床支撑元件超高速加工机床必须具有良好的静刚度、动刚度和热刚度特性，通过使用良好的机床支承元件，如用聚合物混凝土(polymer con-Crete)，即所谓的“人造花岗岩”制成的超高速机床的床身或立柱，其阻尼特性比铸铁高7-10倍，而密度只有铸铁的1 /3。能够极大的增强机床的整体性能，从而满足超高速切削对机床的严格要求。5.总结21世纪的制造生产将日益