（机械制造及其自动化专业论文）板式换热器模具高速铣削工艺研究.pdf

上海大学硕士论文 摘要 高速铣削是一种利用小切深量、高主轴转速和高进给速度方式进行的高效 率加工，不但可以大幅度降低加工成本与时间，而且可以获得高表面精度，是 近二十年来迅速发展起来的一项高新技术，是先进制造技术的重要发展方向， 也是当前科技界和工业界竞相研究的热门领域之一。 本文以甘肃省兰州市工业科技发展攻关项目“超大型板式换热器金属成形 模具生产技术研究与开发”和“核电站高效节能换热设备模具的研制”项目为 背景，就板式换热器模具的高速铣削加工工艺展开研究，主要根据板式换热器 模具的形状特点和产品要求，针对高速铣削工艺方案、高速铣削锥度刀具、高 速铣削刀具路径及其工艺参数优化进行分析，得出基本要求和基本工艺原则及 机床选用原则，并在加工仿真和试验的基础上，确定和完成了板式换热器模具 的加工实践。 本文在对板式换热器模具特点分析的基础上，利用金属切削理论和弹塑性 力学理论的基本原理用有限元法分析切削区的应力应变关系，进而研究高速切 削条件下各切削参数对切削力的影响规律，建立了适用于板式换热器模具的工 艺方案和铣削参数。分析了高速铣削刀具的要求、安全性及刀具失效方式，设 计了板式换热器模具高速铣削锥度成形立铣刀。根据板式换热器模具的特点提 出了加工板式换热器模具的高速铣削机床选型原则。 最后利用高速铣削仿真模拟，对高速铣削方案在铣削时间和表面质量方面 进行了评价，并通过高速铣削实践，基本实现了以铣代磨，完全达到产品要求， 进一步验证了高速铣削的优越特性。为更深入研究4 2 c r m o 合金钢的高速铣削工 艺以及大面积，浅波形，小形状零件的高速高效加工提供了借鉴。 关键词：高速铣削，板式换热器模具，工艺参数，锥度铣刀，仿真试验 v 上海大学硕士论文 a b s t r a c t h i g hs p e e dm i l l i n g ( h s m ) i sah i g he f f i c i e n c ym a c h i n i n gm e t h o dw i t hl o w c u t t i n gd e p t h , h i g l lc u t t i n gs p e e da n dh i g hf e e dr a t e w i t ht h ea d v a n t a g e so fl o w e r m a c h i n i n gt i m ea n dc o s t ，l e s st h e r m a ld e f o r m a t i o n , l o wc u t t i n gf o r c e , a sw e l la sh i g h s u r f a c eq u a l i t y , h s mi sah i g h - t e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h ep a s t2 0y e a r s i t i st h ei m p o r t a n td e v e l o pd i r e c t i o no ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , a n di t i sa l s oo n eo ft h e h o tf i e l d st h a tt h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lc i r c l ea n di n d u s t r i a l c i r c l ec o m p e t i t i v e l ys t u d ya tp r e s e n t t h i st h e s i si sf o u n d e do nt h ep r o j e c t s ：r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to np r o d u c i n g t e c h n o l o g yo fu l t r a - l a r g e s c a l ep l a t eh e a te x c h a n g e rd i e sa n dm a n u f a c t u r i n go f l i i g h e f f i c i e n c ya n de n e r g y - e f f i c i e n th e a tt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n td i e sf o rn u c l e a r p o w e rs t a t i o n i tf i r s t l yi n t r o d u c e st h e f e a t u r e sa n dt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n g m e t h o df o rp l a t eh e a te x c h a n g e r sd i e s t h e n , i ts t u d i e si t sh i g l ls p e e dm i l l i n g p r o c e s s i n g ，a n a l y z e sh s mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc h o o s i n ga n dt o o l p a t ho p t i m i z i n g , d e s i g n st a p e rm i l l i n gc u t t e rf o rh i i g h - e f f i c i e n tm i l l i n g n e x t , i td e t a i l sh o w t oc h o o s e ap r o p e rm a c h i n et o o lf o rm a n u f a c t u r i n gp l a t eh e a te x c h a n g e rd i e s i nt h el a s ti t r e a l i z e sh i 【g hs p e e dm i l l i n go nt h eb a s eo f t o o l p a t hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r , t h ec u t t e r sm i l l i n gf o r c ea n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c ea r em o d e l e d b a s e do nt h eh i g hs p e e dm i l l i n gt h e o r ya n dt h ee l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t ym e c h a n i c s t h em i l l i n gc u t t e r ss t r e s sf i e l di sa n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ： h y p e r w o r k s i te x a m i n e st h ec u t t e r sg e o m e t r ys t r u c t u r ea n dm i l l i n gp a r a m e t e r s ， w h i c hm a yp r o v i d es o m eu s e f u lr e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h em i l l i n g c u t t e ra n dt h er e a s o n a b l ec h o i c eo f t h ec u t t i n gc o n d i t i o n m a k i n gf u l lu s eo fg e o m e t r ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s ，i te s t i m a t e st h e e f f e c t so fh s ms c h e m ef r o mm i l l i n gt i m ea n ds u r f a c eq u a l i t y i ta l s op r o v i d e s r e f e r e n c ef o rf u r t h e r s t u d y i n gh s mp r o c e s s i n go f4 2 c r m oa l l o y s t e e la n d h i g h - s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n c ym a n u f a c t u r i n gs p e c i a ls h a p ep a r t s k e y w o r d s ：h s m ，p l a t eh e a te x c h a n g e rd i e s ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r , t a p e rm i l l i n g c u t t e r , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t v i 上海大学硕士论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：! ：2 ：! ：! ! 17 i i 上海大学硕士论文 第一章绪论 模具是制造业中用量大、影响面广的工具产品。模具技术是衡量一个国家的 科技水平的重要标志之一，没有高水平的模具就没有高质量的产品。模具作为模 压产品生产的关键工装，其设计与生产周期日益成为决定新产品开发周期的决定 因素。而高速加工技术( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ) 是世界范围内倍受关注的前沿 技术，它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善，因此对模具高速切削 技术的研究，尤其是从整体上对具有复杂形状和大尺寸模具产品的工艺研究，具 有及其重要的意义。 1 1 课题来源 本课题来源于兰州市工业科技发展攻关项目“超大型板式换热器金属成形模 具生产技术研究与开发”和“核电站高效节能换热设备模具的研制”，其中前者 已于2 0 0 6 年5 月通过验收暨鉴定，后者也已经趋于完成阶段。 板式换热器( p l a t eh e a te x c h a n g e r s ，简称p h e ) 通常由许多相互接触的 波形或凹凸形金属板组成，每块板有4 个开口作为流体的进出口，用密封件控制 流体在板片间自j 隔流道中的流动方向，两种流体流经相邻板片所构成的流道时进 行热量交换，如图1 1 所示。由于板式换热器换热过程中流体无旁路，能充分参 与换热，板片波纹可使流体在较小流速下产生高湍流，所以换热系数比较高，再 加上它紧凑的结构，能够一机多用，因此广泛大量应用于许多领域，如化学工业、 食品工业、冶金工业、石油工业、电站、核电站、海洋石油平台、机械工业、污 水处理、民用建筑工业等【l 】。由于近年来制造技术的不断提高和应用领域的扩大， 出现了耐腐蚀的板片材料和耐温，耐腐蚀的垫片材料，板片也逐渐向着大型化发 展，对板式换热器的技术性能的要求也越来越高，板型尺寸也越来越大。据国内 外资料以及国内多次做的对比工业测试结果显示，在中小型版式换热器的技术指 标上看，我国的产品性能已接近国外产品，有些指标甚至超过了国外产品，但在 大型、复杂上比较还有较大差距，远远不能满足市场需求和制造精度要求，极大 地限制了板式换热器的广泛应用。 上海大学硕士论文 图1 1 板式换热器外形 板式换热器模具( p l a t eh e a te x c h a n g e rd i e s ，简称p h e d ) 是压制换热片 生产换热器的核心装备( 如图1 2 所示) ，其中模芯成形部分的数控铣削加工及 抛光打磨时间在整个模具生产过程中约占总周期的6 0 以上，随着板型尺寸的 逐渐巨型化，市场需求的扩大，模具的制造周期和精度越来越成为限制板式换热 器应用和发展的主要因素，因此积极开展大型板式换热器模具的先进制造技术研 究，大幅度提高模芯部分的生产效率，采用高速铣削( h i g hs p e e dm i l l i n g ) 技 术并应用于实践，对提高我国板式换热器整体生产技术水平，节约制造成本，减 少进口，节约外汇，扩大板式换热器在我国工农业生产的各个行业中的应用，对 节约能源与保护环境，推动经济发展，促进和谐社会的建设都有着重大的意义。 图1 2 板式换热器模具 1 2 板式换热器模具加工概述 板式换热器模具是生产板片的重要工艺装备，是一种精度要求很高的压形模 2 具。其生产过程主要分为：模架加工，模芯加工，附件加工，模具装配，试模， 修模，再试模，表面热处理，投产。模架的制作在模具企业一般采用o e m ，模具 的质量和工期主要取决于模芯的加工质量和加工时间，因此模具的加工主要是指 模芯的加工，现在普遍采用的是在常规切削速度下的数控铣削加工。模芯材料采 用的是4 2 c r m o 钢，调质硬度h b s 2 2 0 2 6 0 ，压制成形0 5 o 8 哪的不锈钢或特 殊金属薄板。 1 2 1 板式换热器模具特点 板式换热器模具根据单片换热面积的大小可分为小、中、大型和超大型，小 型模具单板换热面积在0 3m 2 以下，中型0 3 1 0 一，大型1 o 1 6m 2 ( 如 图1 3 所示) ，超大型在1 6 酽以上( 如图1 4 所示) 。目前广泛生产的是人字 形波纹板片模具，如图1 5 所示。在大型和超大型板式换热器中还有采用全焊式 结构，它的板片波形较简单，相同的凹凸形状均匀分布于整个板片中，如图1 6 所示。 图1 3 大型板式换热器模具模芯造型图 图1 4 超大型板式换热器模具头部模芯造型图 3 上海大学硕士论文 图1 5 人字形波纹扳片 凹 凸 图1 6 全焊式波纹形状 不同规格和不同用途的板片模具有不同的技术指标要求和特征，板式换热器 模具的验收标准是以压制出的板片质量标准确定的，比如加工换热面积1 6 舻 以上板片模具通常要求的技术指标主要有： ( 1 ) 两次压延处的尺寸误差0 5 m m ； ( 2 ) 板片整体尺寸累计误差0 3 m m ： ( 3 ) 板片回弹量0 1 5 r a m ； ( 4 ) 成型后的板片波纹槽的深度公差为0 1 5 r a m ； ( 5 ) 成型后的板片，任意两段上的波纹中心线间距偏差o 1 m m 。 除了上述具体的高精度要求以外，各种规格的板式换热器模具还具有以下共 同的特点： ( 1 ) 外形尺寸大：常用摸具模芯的面积一般都在0 5 1 m 2 以上，超大型模 具一般在1 6 m 2 以上，有的甚至达到2 5 m 2 以上。 ( 2 ) 触点尺寸小：由于板片传热和强度需要，触点常采用小尺寸，最小端 4 上海大学硕士论文 宽度尺寸常在l 7 咖之间。 ( 3 ) 波形角度多变、相交：模芯的边缘部分，密封区，过渡区和传热区波 形角度相异，在2 5 。4 5 。之间变化，不同角度面互相交错连接。 ( 4 ) 波形深度小：波纹深度不大，通常在3 5 m m 左右。 ( 5 ) 表面质量要求高：压制后的板片表面不允许超过厚度公差的凹坑、划 伤、压痕等缺陷，食品工业用的板片，冲压后其工作表面的粗糙度应不差于原板 材【i 】，因此模具成形部分表面不能有明显加工痕迹。 ( 6 ) 上下模具尺寸一致性要求高：板片要求成型减薄量不大于原实际板厚 的2 5 蝌”，因此模具加工的尺寸公差带值都比较小。 1 2 2 板式换热器模具现存加工工艺概述 匦弘锹h 亟至卜匣型 模架o e m 及附件加工 数控加工卜_ 叫通用机床加工卜+ | 手工打磨 王h 模具装配 试模 _ t 叫表面氮化处理卜_ 叫投产 叫修模h i j 图1 7 模具工艺流程 从初步设计到投产基本就是一套模具的生产周期，其中模芯成形部分的数控 加工采用立式加工中心用常规切削速度铣削，数控加工及手工打磨工序所占用的 时间约占在整个模具生产总时间的6 0 以上，其工艺路线设计的质量会直接影 响零件的加工质量与生产效率，又因为数控加工工序穿插于零件加工的整个工艺 过程中，因而必须与其他加工工艺衔接好。目前数控加工部分普遍采用多种工艺 设计方法进行工艺设计，主要有： 5 上海大学硕士论文 ( 1 ) 按照加工部位将模芯划分为： 上模头部h ，b 部分，中部a ，b ，c ，。 下模头部h ，b 部分，中部a ，b ，c ，。 一台机床一次装夹加工其中一个部分。不规定上、下模各个部分加工的先后 顺序。 ( 2 ) 将3 d 造型实体按加工部分和加工区域采用i g s 或s t p 文件格式转化到 中档专用c a m 软件中，并通过添加辅助线或面修改零件的几何形式以满足加工需 要，主要用以避免过切和欠切，优化进退刀。 ( 3 ) 在各个部分的加工中，根据型腔的尺寸大小和型腔斜面角度按刀具尺 寸允许切削的范围，将加工区分为不同的区域，并按深度划分为粗加工和精加工 工序。 ( 4 ) 加工刀具采用自制高速钢、y t 5 刀具和进口钨钢立铣刀具，采用的最 高转速为3 0 0 0 r p m ，最大切削速度为2 0 m m i n ，最大进给速度为2m m i n 。 ( 5 ) 板片模具头部的加工采用的是固定轴外形铣削和曲面铣削方法，根据 板型要求有时需采用平面铣和型腔铣加工大平面几何形状，中部采用固定轴外形 铣削和曲面铣削方法，加人字形波纹底面的三轴联动铣削。 ( 6 ) 精加工采用深度和侧面预留0 1 0 2 m 的外形铣削方法。 ( 7 ) 凸凹面拐角倒圆采用曲面分层铣削，根据陡峭度不同采用不同的层深 步距。 ( 8 ) 模芯b ，c 等部分的加工程序编制通过镜像或复制a 部分的导轨加以修 改完成。 ( 9 ) 通过几何仿真检查验证刀具轨迹。 用数控机床加工零件要比用通用机床加工零件复杂很多，制定程序指令加工 零件需根据拟定的n q - 方案，确定加工机床、加工路线和加工内容，选择合适的 刀具和切削用量，确定合适的装夹方法甚至设计夹具等，再由于企业资源的差异， 对于同一个零件不同的编程人员会选择不同的加工方案，操作人员根据加工过程 的随机因素进行的调整也会导致加工工艺的差异。 6 1 2 2 1 现存加工方法的优势 在现存的模芯数控加工中虽然采用的是切削速度v c 不足5 0 m r a i n 的切削， 但是由于数控加工的加工内容是用通用机床无法加工、难以加工或加工效率低的 形状，因此采用数控加工后，在产品质量、生产率与综合技术经济效益等方面得 到了明显提高。数控加工与普通机床加工相比具有以下特点： ( 1 ) 加工零件精度高、一致性好。 数控机床在整体设计中考虑了整机刚度和零件的制造精度，又采用高精度的 滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高。特别是有的数控机床 具有加工过程自动监测和误差补偿等功能，因而能可靠地保证加工精度和尺寸的 稳定性。同时由于数控加工消除了操作者的主观误差，从而保证了零件加工的一 致性，确保n i 质量的稳定。 ( 2 ) 生产效率高。 采用数控加工在一次装夹中就可以加工出模芯成形部分的全部型面，省去了 画线找正和检测等许多中间环节。据统计，普通机床的净切削时间一般占总切削 时间的1 5 2 0 ，而数控机床可达6 5 7 0 ，采用自动换刀的带刀库数控 机床可达到7 5 8 0 以上，效率提高了5 1 0 倍【2 】【3 1 。 ( 3 ) 特别适合加工复杂的轮廓表面。 对于在模具中普遍存在的自由曲面只能采用数控加工来实现。 ( 4 ) 数控机床是柔性制造系统的基础单元，有利于实现计算机辅助制造。 目前在制造业领域中，c a d c a m 已经被广泛应用，数控机床及其加工技术正 是计算机辅助制造系统的基础。数控机床是柔性制造系统( f l e x i b l e m a 叫f a c t u r i n gs y s t e m ) 的基础单元，它使用数字信息，可以方便地与计算机辅 助设计系统以及其他流水线、自动控制系统联结，构成柔性制造系统。 ( 5 ) 初始投资大，加工成本高。 数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，机床备件的价格也高；另外加工 首件需要进行编程、调试和试加工，时间较长，从而使加工成本高于普通机床。 1 2 2 2 现存加工方法存在的主要问题 对于板式换热器模具这样类型的大型复杂零件的数控常速加工，虽然和普通 7 上薄大学硕士论文 机床相比，加工效率和精度都有了很大提高，但是随着板型尺寸韵逐渐巨型化， 市场需求的扩大，市场竞争的日益激烈，模具的设计款式和制作质量要求越来越 高，交货期越来越短，从而使得进一步提高加工效率和加工质量成为板式换热器 模具发展必须解决的问题，也是模具行业发展的必由之路。 在板式换热器模具的现存常规速度数控加工过程中，采用了以数控机床为基 础的加工自动化技术，大大降低了零件加工的辅助时间，极大地提高了生产率， 但是，在零件的加工中，切削所占的时间并没有实质性的大幅度减少，表面质量 的改善需要牺牲加工时间，也即，为了改善表面质量就要减小切削量，就会增加 加工时间。而且在模芯数控铣削之后，还是要用很多时间手工打磨修光去除表面 加工痕迹，由于板片外形尺寸大，触点尺寸小，波形角度多变、相交，在传热区 存在大量重复波形，要求高重复精度，尤其是对于换热面积1 6 m 2 以上的大型板 片模具，模具加工周期远远满足不了市场需求。据统计，手工打磨的时间和数控 加工的时间相当。 另外，手工打磨需要大量的人力，质量不宜控制，常常因为尺寸误差大影响 到模具质量，还经常发生打磨过度损坏模具波形的事故。 1 3 课题研究的目的和意义 为了解决现存加工存在的主要问题，进一步提高模具的生产效率和表面质 量，降低成本，缩短交货期，着眼于中国板式换热器模具整体制造技术水平的发 展，对超大型板式换热器模具高速数控铣削工艺及相关技术进行研究和探索，在 模具的生产过程中实现高速铣削取代现存常规速度铣削，这就是本课题的研究目 的。 在机械制造业中，用提高加工速度的方法来提高生产率是人们一直向往的目 标。但是，长期以来无法突破的理论障碍和技术障碍使得高速切削一直未能实现， 因为随着切削速度的提高，切削热增加，刀具的磨损加剧，切削刀具的承受能力 使切削速度的提高受到限制，另一方面，随着切削速度的提高，机床的发热、震 动以及动平衡等问题都是要解决的技术难题。在上个世纪九十年代，随着高速切 削机理的突破和高速机床的诞生，使得高速切削蓬勃发展起来，日本尖端技术研 究学会将其列为五大现代制造技术之一，国际生产工程学会( c i r p ) 将其确定为 上海大学硕士论文 2 l 世纪的中心研究方向之一m 。 高速铣削在板式换热器模具企业的应用还处在初期阶段，很多企业选择高速 铣削刀具参数和高速铣削加工参数的方式仍以“试切”法和“经验”法为主，在 加工某一新型材料时，往往需要使用多种刀具进行重复切削试验，研究分析刀具 的磨损、破损方式及其原因，从中找出一组最佳的刀具材料和加工参数，如此反 覆多次，盲目性大，并且浪费大量的人力、财力和资源。而针对板式换热器模具 材料的材料特性选择合适的切削刀具，优化切削参数，将经过优化分析的数据和 通过试验验证的高速切削加工实例、工艺参数系统总结保存，形成一个完整、系 统的高速铣削工艺体系，供其他技术人员和企业借鉴、避免多走弯路，因此研究 板式换热器模具高速铣削工艺是一项非常有意义的工作。 c a d c a m 系统是高速加工的一个基础，是使一个完整的模具加工的过程得以 实现的基础。因为从设计到造型、然后到加工轨迹、到后置处理，以至到最后由 机床加工为实体，都离不开c a d c a m 系统的支持。高速加工从c a d 建模部分就提 出了很高的要求，曲面精度要求较严格，转图进来要确保曲面数据不能失真。高 速加工要求c a m 系统所出的刀路要光顺，目的是让机床的高进给率得以充分的发 挥，使机床惯性和速率减小到最小；能判别大余量区域，为了使刀具载荷一致， 应该匹配合适的主轴转速和进给率；还要有强大的后置处理功能。但现在的大多 数商用c a d c a m 系统毕竟只是通用的系统软件，提供给用户的只是解决问题的大 体方案，具体的细节仍需要用户自己来具体完成。特别在高速加工中，加工工艺 参数的选择对曲面质量和刀具的寿命有着重大的意义，虽然c a d c a m 系统提供了 很多解决的方案，但具体的选择和设置还得依靠使用者的知识和经验。但是这种 能很好选择的参数的使用者在我国很多企业都不具备，如果能建立一个高速铣削 工艺的数据库，对于高速铣削技术来说无疑显得非常具有实际意义。 刀具轨迹生成是实现高速加工的关键，它是通过零件几何模型，根据所选用 的机床、刀具、走刀方式以及加工余量等工艺参数进行刀位计算并生成加工运动 轨迹。刀具轨迹的生成能力直接决定了高速加工数控程序的质量。好在现在的 c a m 系统集成了很多优秀的高速加工算法，编程人员只需要选择合适的方式就可 以。但是如何选择合适的参数现在仍然是一个有待解决的问题。 高速铣削对刀具的受力和加工稳定性有很高的要求，现在很多加工软件算法 9 上海大学硕士论文 的出发点也是追求高速加工的恒力切削。该课题运用有限元方法重点分析了高速 切削条件下铣刀的应力状态受各种加工条件变化而发生改变的规律，较为系统地 研究了影响高速切削刀具载荷稳定性的因素，为高速切削刀具的结构设计、切削 参数的合理选择及刀具轨迹的优化提供了有益的参考。本课题可作为有限元方法 研究高速铣削刀具的应力场和其他高速切削类刀具应力场分析的基础 g - t 3 】。 为了有效地开展高速切削，本着从实际出发，结合模具企业的实际情况，本 课题将通过对上述问题有针对性的试验和实际加工实践，摸索出适合板式换热器 模具加工的典型工艺方法，做出一个针对扳式换热器模具数控高速铣削的报告， 力争提供一个比较完整、全面、系统的数控高速铣削工艺方法的分析报告，为高 速切削在数控铣削工艺上系统化的研究、应用和普及作出一点积累，为中国板式 换热器制造水平的提高作出我们的贡献。这对提高我国板式换热器整体生产技术 水平、节约制造成本、减少进口、节约外汇、扩大板式换热器在我国工农业生产 的各个行业中的应用，对节约能源与保护环境，推动经济发展，促进和谐社会的 建设都有着重大的意义。 1 4 国内外研究概况 1 4 1 国外研究概况 高速铣削是指在比常规速度高出很多的速度下进行的铣削加工，因此，有时 也称为超高速铣削( u l t r a h i g hs p e e dm i l l i n g ) 。高速切削技术起源于1 9 2 9 年德国的切削物理学家萨洛蒙( c a r ls a l o m o n ) 博士进行的超高速切削模拟试验， 以及1 9 3 1 年4 月发表的著名的超高速切削理论，提出的高速切削假设【4 】。 自1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了 2 0 0 0 0 r p m 以后，高速铣削技术才得以迅速发展了起来。随着电主轴技术、滚珠 丝杠技术和直线电机技术的相继成熟，以德国、日本、瑞士和美国等国家为首的 高速数控铣床和加工中心日益成为机床业的主流产品。2 0 0 6 年5 月，在第十一 届中国国际模具技术和设备展览会，第十届国际工业自动化与控制技术展览会 上，高速加工中心的最高主轴转速已超过1 2 0 0 0 0 r p m ，进给速度也已超过 l o o m m i n ，加、减速度可达到5 9 以上。 1 0 上海大学硕士论文 高速铣削技术的发展过程，可以说是刀具材料和刀具新工艺不断进步的过 程。高速铣削的代表性刀具材料是陶瓷材料，适合于干切削；聚晶金刚石( p v d ) ， 不适于加工铁系金属；立方氮化硼( c b n ) ，切削速度可高达5 0 0 0 m m i n ，不适 合加工塑性大的钢铁金属和镍基合金，但是适合于加工高硬度淬火钢：超细晶粒 及涂层硬质合金，硬质涂层材料己由最初只能涂单一的t i c 、t i n 、a 1 2 0 3 ，进入 到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。t i a i n 、c r n 、t i a i c r n 是近几年来开发 的硬质涂层新材料。t i a i n 涂层刀已商品化【悱1 6 1 。 在德国，早在1 9 8 4 年以d a r m s t a d t 工业大学的生产工程与机床研究所( p t w ) 为首的，有4 l 家公司参的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削 机床、刀具、控制系统以及相关的工艺技术，分别对各种工件材料( 钢、铸铁、 特殊合金、铝合金、铝镁铸造合金、铜合金和纤维增强塑料) 的超高速切削性能 进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广 泛应用，获得了好的经济效益【4 1 。 目前许多高档c a m 系统及计算机数控( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 系统，如f g n u c 、s i e m e n s 和三菱等的部分数控系统均已支持n u r b s 插补。n u r b s 刀轨可使三维零件的直线逼近的n c ( n u m e r i c a lc o n t r o l ，数控) 代码缩短到原 来的十分之一至百分之一长。高速铣削所产生的n c 代码通过直接数字控制 ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o l ，d n c ) 分批输入数控系统或者是采用计算机数控 系统网络( d i r e c tc o n t r o ln e t ，d c n ) 传输，d n c 是通过串行通信实现n c 代 码传输的，传输速度一般在1 1 0 3 8 4 0 0 波特率之间，常用的是9 6 0 0 波特率，d c n 传输速度是d n c 的1 0 0 0 倍左右【2 1 。 虽然伴随着高速铣削机床、刀具、工艺、c a m 软件技术及传输技术的不断突 破，德国、瑞典、英国、美国等国家相继实现了板式换热器模具的高速铣削加工， 但是针对板式换热器模具模芯材料和板片波形的高速铣削工艺数据却无从查阅， 几乎没有这方面的公开报道。 1 4 2 国内研究概况 我国在高速铣削技术方面的研究和国外相比还有很大差距，“十五”的目标 是超高速加工到2 0 0 5 年基本实现工业应用，主轴最高转速1 5 0 0 0 r m i n ，进给速 上海大学硕士论文 度4 0 6 0 m m i n ，仅达到了国际九十年代初期水平。“十一五”我国将重点发展 装备制造业，这也是加快高速加工技术和国际接轨的重要契机，很多高校，企业 和科研院所相继展开了对高速机床、高速切削机理、高速刀具和高速加工应用技 术方面的研究。 在引进先进技术、设备的推动下，我国高速机床制造技术有了长足进步。目 前的主要差距在于机床关键功能部件的研发落后于市场需求，如转速 2 0 0 0 0 r m i n 以上的大功率高刚性主轴、无刷环形扭矩电机、直线电机、快速响 应数控系统等的设计制造技术尚未掌握；多功能复合机床设计、制造网络、通讯 网络等先进技术的应用还处于初级阶段。 在切削机理方面，清华方大高技术陶瓷有限公司开发的氮化硅基陶瓷刀具 以1 0 2 0m m i n 的速度铣削灰铸铁，可获得4 6 5 2m i n 的刀具耐用度。北京理工 大学较为系统地研究了软钢、灰铸铁、高强度装甲钢的高速铣削和淬硬钢、钨合 金和硅铁的高速车削机理( 刀具磨破损及刀具可靠性、切削力和表面粗糙度) 及刀 具的安全结构问题。上海交通大学对超高速铣削硬铝( l y l 2 ) 时切削力和切削温度 的动态规律进行探索；西北工业大学针对高速铣削钛合金时的刀具适配和参数优 化问题进行研究。同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动态特性和直线电机 的应用技术进行了系统的研究。山东工业大学对高速铣削过程中表面粗糙度变化 规律进行了试验研究。 我国高速刀具技术与国外的差距主要表现在高性能刀具材料( 包括表面涂 层、材料) 的研发、刀具制造工艺技术、刀具安全技术及刀具使用技术等领域， 对于高速切削机理的基础共性研究也处于起步阶段。 在应用方面，近年来，我国在汽车、航天、航空、汽轮机、模具等机械制造 行业都程度不同地开始推广应用高速加工技术。相对于汽车行业整个高速加工生 产线而言，其他行业基本上采用工艺离散型制造模式，引进的加工中心、数控镗 铣床的主轴转速一般8 0 0 0 r m i n ( 极少部分可达到1 2 0 0 0 r m i n ) ，快进速度 4 0 m m i n 。主要是针对高s i - - a 1 铸铝和锻铝合金、高强度铸铁、结构钢等材料 的工件，目前大多采用超硬合金、t i c n 涂层及进口t i a i n 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较少，加之机 床主轴转速偏低，因此一般未达到高速切削的标准。这些行业中的大多数企业在 2 上海大学硕士论文 生产管理局域网、网络经营管理决策系统、生产技术工艺数据库等先进技术的应 用方面尚处于初级阶段，基本上未建立外联生产经营通讯网络，未建立生产技艺 系统数据库，其中包含制造工艺流程及相关技艺、金属( 非金属) 切削数据库、专 家机制知识库、企业内外有效资源数据库等，数控设备利用率仅为2 5 左右。 因此，针对板式换热器模具这样的合金钢材料，这样特殊的大外形尺寸、小 而重复的波纹形状，在现有常规铣削速度基础上，将切削速度，进给速度，加工 效率提高一个数量级，研究真正意义上的高速、高效、高精度加工工艺及相关技 术，还要进行很多探索性研究工作。 1 5 论文的主要研究内容及组织结构 模具制造业是典型的按定单设计、项目型的制造业其生产组织最突出的 特点就是按项目进行管理，困扰企业的最大问题是如何控制和平衡项目管理的三 个关键要素：工期( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) ，简称t 、q 、c ，这 三要素相互制约、相互促进，企业为管理、控制这三要素，经常会顾此失彼，只 有处理好这三个关键要素，才能真正体现模具制造企业的核心竞争力【5 1 。本文主 要针对超大型板式换热器模具高速铣削工艺及相关技术进行研究和探索，在模具 的生产过程中实现真正意义的高速铣削，取代现存常规速度铣削，控制和平衡好 t 、q 、c 。本文主要进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 根据板式换热器模具的形状特点和产品要求，对板式换热器模具模芯的 数控加工进行高速铣削工艺设计，包括对分析和选择铣削方法，优化铣削路径和 刀具铣削用量。 ( 2 ) 分析高速铣削对刀具的要求，对高速铣削刀具失效原因及安全性进行 分析，设计高效、高强度、高速铣削锥度铣刀，掌握高速铣削中切削力的变化规 律，分析刀具前角、螺旋角、切削速度、进给速度、切削厚度等条件对切削力的 影响，优化刀具几何参数，建立适合板式换热器模具高速铣削的刀具参数。 ( 3 ) 分析板式换热器模具高速铣削对机床的特殊要求，给出高速铣削机床 的选用原则。 ( 4 ) 对板式换热器模具高速铣削过程进行n c 几何仿真，验证检查刀轨。 建立高速铣削刀具库，生成工序件m w 、刀位源文件c l s f 和n c 程序。对比高 上海大学硕士论文 速铣削工艺方案和常规速度铣削方案的理论加工时间和表面质量。 ( 5 ) 通过铣削试验验证工艺方案结果。 论文的组织结构如图1 8 所示： 图1 8 论文的组织结构 1 4 上海大学硕士论文 第二章高速铣削工艺分析 2 1 高速铣削过程分析 高速加工( h i g hs p e e dc u t t i n g ) 的概念早在1 9 3 1 年就由德国的c a r l s a l o m o n ( 萨洛蒙) 博士提出了，并获得了德国的专利。本课题主要针对板式换 热器模具的特点，研究高速铣削过程，高速铣削是高速加工技术中应用最多的一 种工艺技术，研究高速铣削是研究高速加工技术的基础。 s a l o m o n 的试验结果表明，在一定的速度范围内，由于过高的温度导致加工 无法进行( 称为“死区”) ，当切削速度超过某一数值时，切削速度再增大，切 削温度反而会降低( 如图2 1 所示) ，这是由于在高速切削的条件下，剪切角。 变大，切屑变形系数减小，切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面 的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一，同样由于切削速度的提高，后 刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀 面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响，因此高速 切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削 也被成为“冷态切削”。正是因为这个原因，高速加工也可定义为切削速度超 过临界速度( 切削速度增大，切削温度反而会降低的临界点) 的加工。高速铣削 是一个相对概念，是相对常规铣削而言。不同的加工方式、不同的材料有不同的 高速切削范围，如图2 2 所示。有关高速铣削的含义，目前尚无统一的认识，通 常有如下几种观点：铣削时切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5 1 0 倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n 以上定为高 速铣削；进给速度很高，通常达1 5 5 0 m m i n ，最高可达9 0 m m i n ；对于不同的 切削材料和所采用的刀具材料，高速铣削的含义也不尽相同；铣削过程中，刀刃 的通过频率接近于“机床一刀具一工件”系统的主导自然频率时，可认为是高速 铣削。由此可见，高速铣削是一个综合概念，一般认为，高速铣削钢的切削速度 范围是6 0 0 3 0 0 0 m m i n 2 】【4 】。 高速铣削钢时，主要的问题是刀具磨损，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 1 5 上海大学硕士论文 状精度以及减少刀具磨损。 年瞻口嘲帕p 鼍。艇辨刖鹾域。 理0 研艉 l 愿誓 f k 切翻建成v 蚋1 醇 图2 1 切削速度变化与切削温度的关系曲线( 萨洛蒙曲线) ，群：j ：、 ；! 1 t t 奇 n l 曩寺盘i 压 毫时 l ：h 】mn _ t ，f _ 图2 2 萨洛蒙对各种金属“切削速度与切削 温度关系”的实验曲线和推论曲线 高速铣削钢材时，刀具用更锋利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。刀具参数也应该随进给速度而变化。当迸给 速度增加是，刀具后角要减小；进给速度对刀具前角的影响相对比较小。按照通 常的切削规律，刀具的正前角能够减小切削力，并减小月牙洼磨损。但在高速下， 正前角并不比0 0 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。 随着进给速度的提高，开始时刀具的寿命随着提高，然后在通过一个最大点 之后开始降低。这种现象可以解释为：在开始阶段参与切削的刀片少，随着进给 速度的增加，切削力增大，刀片通过工件的路径变长，而且刀具前面接触区温度 升高，因此会引起前刀面月牙洼位置的移动。由此可见，进给速度的优化选择和 切削速度的关系很大。 6 上海大学硕士论文 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。轴向进给切削和径向进给切n - - 者之 间是相互关联的。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。 在径向进给比较慢时，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， 进给量之值一般取刀具直径的5 1 0 。 高速铣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。 在高速铣削刀具材料方面，对于难加工材料必须使用耐高温和高硬度的刀具 材料。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。两种刀具材料都适用于精加工。 在中速切削时，使用非氧化陶瓷刀具比金属陶瓷刀具的效果好。进给速度太 快会引起刀具崩刃，所以和硬质合金刀具相比，陶瓷刀具的进给速度要减半。 使用c b n 刀具加工淬硬材料时效果好。使用c b n 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由很大关系。t i n 基 体的p v d 镀层刀具具有最好的耐磨性能，其刀具寿命比没有镀层的刀具可提高 5 0 2 5 0 。 虽然不能保证切削液能够完全进入刀具与工件的切削接触区，一般来讲使用 切削液可以改善刀具前刀面的摩擦状况。但是，冷却会引起刀片温度的急剧变化， 对于脆性材料的刀具，容易产生