（纺织工程专业论文）铝合金高速切削技术在自动络筒机零件加工中的应用.pdf

捅要 高速切削技术是一种加工铝合金零件的先进方法，具有切削力低、工件热变形小、 加工质量高、切除率高、切削振动小以及降低加工成本等优点。可有效提高络筒机铝 合金零件的加工质量和加工效率，提高生产自动络筒机企业的市场竞争力。 由于高速切削技术进入生产领域不久，缺乏优化的高速切削基础工艺支持及高速 切削机理的深入研究，存在着很多制约和影响高速切削技术的因素，对这些因素统筹 考虑，合理选用硬件，合理设计工艺条件，才能发挥出高速切削的优势，保障产品质 量和生产效率。 为解决这些问题，本文在剖析高速切削技术在自动络筒机的零件加工中成功实例 的基础上，分析了高速切削的机理和影响高速切削的硬件因素及软件因素，为高速切 削技术的应用提供了理论指导和技术支持，同时分析了高速切削的经济成本。 切削力是切削过程中最重要的物理参数之一，其大小决定影响着切削过程中所消 耗的功率、加工零件的变形、以及刀具的磨损、破损、刀具耐用度，同时对加工精度 和加工质量也有着直接的影响。本文探索了切削速度和切削力之间的关系，通过对比 试验，诠释了切削力的变化规律，以及采用高速切削技术后，加工质量和加工效率的 改善情况。 本文还探讨了高速切削技术对机床、润滑系统和冷却系统的要求及其使用，对刀 具的重要性、刀具的选用及其使用维护进行了详细探讨分析，对比说明了不同材料结 构刀具的特点和使用范围，总结了刀具材料的选择依据。阐述了高速切削技术的工艺， 以及c a d c a m 软件的编程原则和应用，并对高速加工中的安全性问题进行了分析。 关键词：高速切削；切削速度；刀具路径：变形；自动络筒机 a p p l i c a t i o no fa l u m i n u m a l l o yh i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g y u s e di nt h ep r o c e s s i n go fp a r t so fa u t o m a t i cc o n ew i n d e r a b s t r a c t h i 曲s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g yi so n ea d v a n c e dm e t h o do fm a n u f a c t u r i n ga l u m i n u m a l l o yc o m p o n e n t s ，w h i c hh a ss e v e r a la d v a n t a g e so fl o wc u t t i n gf o r c e ，l o wt h e r m a l d e f o r m m i o n ，h i g hp r o c e s s i n gq u a l i t y ，f e wc u t t i n gv i b r a t i o na n dr e d u c i n gc o s t ，e t c i tc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fa l u m i n u ma l l o yp a r t so fc o n e w i n d e ra sw e l la si n c r e a s et h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sp r o d u c i n ga u t o m a t i c w i n d i n gm a c h i n e d u et ot h el e s st i m eo fh i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g yu s e di np r o d u c t i o na r e a s ，t h e h i g h - s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g yi sl a c ko fo p t i m i z i n gp r o c e s ss u p p o r t i n ga n db a s i cr e s e a r c ho f h i g hs p e e dc u t t i n gm e c h a n i s m ，t h ef a c t o r sn e e dt ob ec o n s i d e r e do v e r a l lt h a tr e s t r i c ta n d i n f l u e n c eh eh i g hs p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g y t h eh a r d w a r en e e dt ob er a t i o n a ls e l e c t e da n d p r o c e s sc o n d i t i o n ss h o u l db er a t i o n a ld e s i g n e d o n l yi nt h i sw a y ，c a np l a yt h ea d v a n t a g e so f h i g h - s p e e dc u t t i n ga n dg u a r a n t e et h eq u a l i t yo f o u rp r o d u c t sa n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，i nt h i sa r t i c l e ，h i g h s p e e dc u t t i n gm e c h a n i s m ，q u a l i t i e s o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea n a l y z e do nt h eb a s i co fs u c c e s s f u le x a m p l eo fh i 曲一s p e e d c u t t i n gm e c h a n i s mu s e di na u t o m a t i cw i n d i n gm a c h i n e t h e s ep r o v i d et h et h e o r e t i c a l g u i d a n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rh i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l e a l s oa n a l y z e st h eh i g h s p e e dc u t t i n gc o s t c u t t i n gf o r c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e ro fc u t t i n gp r o c e s s ，t h es i z e o fw h i c ha f f e c t st h ep o w e rc o n s u m e di nt h ec u t t i n gp r o c e s s ，t h ed e f o r m a t i o na n dt h ew e a r ， b r e a k a g e ，d u r a b i l i t yo ft o o l sa sw e l la sd i r e c t l yi n f l u e n c e s t h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n d p r o c e s s i n gq u a l i t y t h i sa r t i c l ee x p l o r e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n gs p e e da n dc u t t i n g f o r c e t h r o u g hc o n t r a s tt e s t ，t h i sa r t i c l ea l s oi n t e r p r e t st h ec h a n g er u l eo fc u t t i n gf o r c e ， i m p r o v e dp r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c ya f t e ru s i n gh i g h s p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ea l s od i s c u s s e st h er e q u i r e m e n t sa n dt h eu s eo fm a c h i n e ，l u b r i c a t i n gs y s t e m a n dt h ec o o l i n gs y s t e ma sw e l la sa n a l y z e st h ei m p o r t a n c e ，s e l e c t i o n ，u s ea n dm a i n t e n a n c eo f t h et o o l s t h r o u g hc o m p a r i s o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eu s er a n g eo ft o o l sa r es h o w na n d t h em a t e r i a ls e l e c t i o no ft o o l si ss u m m a r i z e d t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ep r o c e s so fh i g h s p e e d c u t t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r a m m i n gp r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o no fc a d c a ms o f t w a r e t h es a f e t yp r o b l e m sa r ea l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dc u t t i n g ；c u t t i n gv e l o c i t y ；t o o lp a t h ；d e f o r m a t i o n ；a u t o m a t i c w i n d i n gm a c h i n e 青岛大学f j ：程硕卜学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师的指导下独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均以做出明确的标注或得到y ：可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其它学位申请 的论文获成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的切责任和后果。 论文作者签名：瓣 同期：。口7 年 多 月 多日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表，复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本 人离校后发表或使用学位论文获与该论文直接相关的学术论文获成果时，属名单 位仍然为青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在 年解密后适用于本声明。 不保密繇 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签 导师签名： 名：貔泼眺咖7 年月日 缎绵缸吼抄绛月日 4 6 第一章绪论 第一章绪论 自上世纪3 0 年代高速切削概念被提出以后，到9 0 年代初，高速切削技术开始进 入实用化，以高效率和高精度、高表面质量和低成本三高一低为基本特征的高速切削 技术( h i g h s p e e d m a c h i n i n g ，h s m ，或h i g h s p e e d c u t t i n g ，h s c ) ，己成为提高加工效率 和加工质量、降低成本的主要途径，世界各困都不惜耗费巨资，投入大量人力物力， 采用最先进的技术手段，不断地深入研究与探讨切削加工方法及其理论，我国把加工 制造技术的发展方向定位于超精密、超高速及发展新一代制造装备，高速切削的实现 将使机械加工的生产效率和加工精度得剑显著提高。日日i f ，高速、超高速切削加工技 术的研究己成为国内外先进制造技术领域重要的研究方向之一。 1 1 高速切削加工技术概述 1 1 1 高速切削加工的概念 1 ) 国际生产工程研究学会( c i r f ) 切削委员会在1 9 7 8 年提出：以线速度( 5 0 0 7 0 0 0 ) m m i n 的切削速度加工为高速加工。 2 ) 对铣削加工而言，i s 0 1 9 4 0 标准规定( 机械振动刚性转子的平衡质量要求) ： 主轴转速高于5 0 0 0 r m i n 为高速切削加工。 3 ) 德国d a r m s t a d t 工业大学生产工程与机床研究所( p t w ) 提出以高于( 5 1 0 ) 倍 的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。 4 ) 从主轴设计的观点，以沿用多年的d n 值( 主轴轴承孔直径d 与主轴最大转速n 的乘积) 定义高速切削加工，当d n 值达( 5 - - 2 0 0 0 ) 1 0 5 f i l m r m i n 时为高速切削加工。 5 ) 从刀具和主轴的动力学角度来定义，取决于刀具振动的主模式频率，它在 a n s l a s m e 标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。 因此，高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。高速切削加工 根据不同的切削条件，具有不同的高切削速度范围，高速切削加工中的“高速”不仅 是一个技术指标，还应是一个经济指标，是一个可由此获得较大经济效益的高速度的 切削加工。 青岛大学t 程硕一：学位论文 1 1 2 高速切削的优势 根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速 切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。 高速切削是一项系统技术，我们要根据产品的材料和结构特点，选择合适的高速切削 机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。 高速加工这项制造技术使得在金属切削领域中显著提升切削速度，明显改善被加 工材料的表面粗糙度为表现特征的技术，在高速加工技术的应用中，机床的品质和类 型、可提供的切削动力、使用的切削刀具、被切的材料、切削速度、进给速度和切深、 润滑和冷却方式、应用软件及数控系统的功能等等都会直接或间接影响高速加工的速 度、性能及可靠性，从而影响加工效率的提高。作为企业应用并能够普及这些技术就 在加工环节成了创造利润的捷径。 高速切削技术涉及到许多方面和因素，从表现看这些因素是相互独立的，但实际 上有些因素是相互为因果的，改变其中一种因素，另外一种甚至于几种都会发生改变。 从结果上看高速切削技术有着下列几项显著的特征： 1 ) 随切削速度提高，单位时间内材料切除率( 切削速度、进给量和切削深度的乘积) 增加，切削加工时问减少，大幅度提高加工效率，降低加工成本。 2 ) 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速度提高 的幅度，切削力平均可减少3 0 以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工。 3 ) 高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切屑热，切屑速度提高 越大，带走的热量愈多，大致在9 0 以上，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少加 工零件的内应力和热变形，提高加工精度。 4 ) 高速切削可) j n - r 淬火钢件，如高速切削加工淬硬后h r c ( 4 5 , - - - , 6 5 ) 的材料，可减 少甚至取代放电加工和磨削加工，以满足加工质量的要求。 当然最直观的特征无疑就是提高了切削加工的生产效率。 1 1 3 采用高速切削技术大幅提升生产效率的行业简介 航空航空行业是高速切削加工的主要应用行业。现代飞机大量采用轧制的厚铝合 金板作毛坯直接整体加工成形的构件，这样才能有效保证零部件的强度，这样有的整 体构件材料去除率高达9 8 ，成品壁厚只有l m m 。国外在高速切削加工时，采用小切削 量、高切削速度代替传统大切削量、低切削速度，大幅度提高了加工效率和加工精度， 加工时间约减少8 0 ，而尺寸精度和表面质量都达到了无须光整加工的程度( 以沈飞集 团为例) 。 军事电子工业也是高速切削加工的重点应用行业。据介绍，在军用雷达产品微波 零件的加工中，如采用小尺寸刀具时，转速高达7 5 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ，进给速度为5 2 第一章绪论 l o m m i n ，不仪防止了这类薄壁零件在普通数控设备上加工易产生弯曲和膨胀，而且工 效提高了2 0 倍以上瞳1 。 在模具行业高速切削采用的是典型的高转速、多速进给、低切深的加工方法，在 淬硬钢模具加工方面的惊人效果，使得高速切削加工在模具工业的应用前景十分广阔。 由于它可以取代传统的磨削、电火花加工及光整加工，无论是在减少加工准备时间、 缩短工艺流程，还是缩短切削时问提高生产效率方面都具有极大的优势。 1 2 实现高速切削加工的研究体系和关键技术 1 2 1 高速切削加工的研究体系 高速切削加工技术是在机床结构及材料、高速主轴系统、快速进给系统、高性能 c n c 控制传递系统、机床设计制造技术、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效切 削加工理论、高速切削加工工艺等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础 上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、 加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削加工技术的研究与开发体 系。从技术原理通过高速切削试验和理论分析揭示高速切削加工机理，对高速加工过 程中的变形、力、温度、摩擦和磨损规律及高速加工系统各部分的稳定性、可靠性等 进行分析基础技术和单元技术是实现高速切削技术的关键，包括材料技术、刀刃形状 设计和制造技术，零件加工过程控制和监测方法，总体技术是各单元技术按应用特征 和技术性能的进一步有机集成。 1 2 2 高速切削加工的关键技术 从机床和工艺的整体出发，对高速切削加工技术研究，才有可能获得预期的结果。 而高速加工的关键技术是一个技术群。主要包括以下几个方面： 1 ) 高速切削机床：包括高速主轴系统：快速进给系统；高速c n c 控制系统。 2 ) 高速切削刀具：高速切削刀具材料和刀具结构；高速切削刀柄系统；高速切削 加工的安全防护与实施监控系统。 3 ) 高速切削工艺：程序编制、切削原理等等。 4 ) 高速切削机理：铝合金的高速切削机理研究，铝合金系列种类时不同元素的含 量不同决定了材料的塑性、硬度差异较大；钢、铸铁等黑色金属，尤其是难加工材料 的高速切削加工机理，其高速切削工艺规范还很不完善，是目前高速切削生产中的难 点，也是切削加工领域研究的焦点。目前的研究主要集中在模具钢、钛合金和高温合 金材料等加工，在高速切削过程中的切屑形成机理、切削力、切削热变化规律及刀具 磨损对力u - r - 效率、加工精度和加工表面完整性的影响规律，继而提出合理的高速切削 3 青岛人学：i ：程硕士学位论文 加工工艺。另外，高速切削己进入钻孔、铰孔、攻丝、滚齿等应用中，其机理也都在 不断研究之中。 1 3 高速切削技术的研究状况 1 3 1 国外高速切削技术的研究状况 高速切削所具有的一系列特性和在生产效益方面的巨大潜力，早己成为美、日、 德等先进制造国竞相研究的重要技术领域。 早在6 0 年代初，美国空军就开始了超高速切削机理的研究。1 9 7 6 年，美国研制 出最高转速达2 0 0 0 0 r m i n 的高速铣床，1 9 7 9 年，美国国防高科技技术研究总署( d a r p a ) 规划了超高速切削基础技术研究。近年来，新成立的隶属于美国国家科学研究委员会 的“2 0 1 0 年及其以后国防制造工业委员会”提出了把生产加工工艺作为重大攻关领域， 把超高速切削列为与民用工业共用的先进制造基础技术的规划。美国数控机床以m a g 集团、h a r d i n g e 、h a a s 为代表的机床公司均能提供1 5 0 0 0 r p m 以上的高品质的加工中心， 加速度均超过2 9 ，尤其是h a r d i n g e 数控车床独特的主轴结构设计更是确保了零件加工 的高精度。如今美国波音公司采用数控高速切削加工技术超高速铣切铝合金、铝合金 整体薄壁结构件：美国休斯飞机公司采用超高速精密铣削技术加工平面阵列天线、波导 管、挠性陀螺框架等。 日本也于6 0 年代刀：始了超高速切削机理的研究，注意吸收各国的研究成果并将其 应用到新产品的开发上，进入9 0 年代，以牧野、森精机、马扎克等公司为代表的一些 机床制造厂，己将一批高速加工机床推向市场。日本尖端技术研究会己把超高速切削 列为五大现代制造技术之一。 在德国，高速切削得到了国家研究技术部的高度重视，1 9 8 4 年拨款1 1 6 0 万马克 组织了以d a r m s t a d t 工业大学的生产工程与机床研究所为首的4 l 家单位进行了联合研 究，全面系统的研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的高速加工技术，并 分别对各种工件材料的高速切削性能进行了深入的研究和试验，其中d m g 数控设备享 誉世界，加工转速很多都在1 5 0 0 0 r p m ，加速度大于2 9 ，设备性能r 趋稳定，h e l l e r 、 埃马克等德图知名品牌的都是推广高速切削技术的优良选择。 瑞典、瑞士也很重视对高速切削的研究，2 0 0 2 年对高硬度钢进行高速切削试验， 通过自行设计的快停装置对不同的切屑形成机理进行了分析研究，建立了切屑形状与 切削条件之间的关系。 值得一提的是韩国釜山加工中心是韩国在国内销售比较好的一种品牌，其性能和 国内第一流的设备品质相当。 4 第一章绪论 如今，美、德、日、意大利生产的不同规格的各种商业化超高速机床已经进入市 场，应用于飞机、汽车及模具制造。近年来美、欧、日等困加快了对新一代高速加工 中心、数控机床、工具系统的研究和产业化开发进程，其主要技术进展有：高性能的电 主轴技术及其产品的专业化生产，o 高性能的刀具系统技术：直线电机驱动的进给系统。 1 3 2 国内高速切削技术的研究状况 近年来，我国在研究和开发高速切削技术方面也取得了相当大的成就。在切肖i 机 理方面，清华方大高技术陶瓷有限公司丌发的氮化硅基陶瓷刀具以1 0 2 0 m m i l 3 的速度 铣削灰铸铁，可获得4 6 5 2 分钟的刀具耐用度。 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i 、u j 题。上海交通大学研究超高速铣削硬铝( l y l 2 ) 时切削力和切削温 度的动态规律，表明只有超过某一临界速度( 7 0 6 m m i n ) ，铣削力和铣削温度才开始明 显下降。南京航空航天大学一直致力于难加工材料的切削研究，尤其是在切削加工钛 合金领域己取得很多阶段性成果。西北工业大学研究高速铣削钛合金时的刀具适配和 参数优化问题。 在高速机床方面，沈阳工学院研制超高速车铣床，己取得阶段性成果。2 0 0 5 年以 后，我国的数控机床、高速切削机床发展迅猛。2 0 0 7 年北京国际工业装备展，国内展 出的5 轴联动的加工中心，车铣复合中心多达2 7 家，单就转速而言超过1 0 0 0 0 转的立 式加工中心就多达1 3 家。以北京机床研究所，沈阳第一机床厂、大河机床、自贡长征 机床有限公司、南京第二机床厂、宝鸡机床厂( 车床) 为代表的中国数控机床的企业 正努力提高的国产高品质的数控机床，不断缩小和国外的机床的差距，由于理念的差 距我们在短时间还很难达到发达国家的机床水平。 另外值得一提的是台湾在高品质机床方面也有着突出表现，台湾尤冈全自动数控 车床、友嘉加工中心、a g m a 数控机床等在稳定性和高速切削方面都有有益的表现。 东北大学研究了热压氮化硅陶瓷球轴承，建立了高速磨削实验台，能进行2 0 0 m s 的麽削加工试验。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。 然而，我国切削技术与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距。目前，因 国家整体制造工艺水平落后制约了制造业的发展己引起国家的高度重视。但是，由于 受各方面因素的影响，高速切削加工工艺的研究还比较薄弱。许多高校和研究所虽然 作了一些努力和探索，但基本上还处在实验室的研究阶段。直接引进国外先进技术， 利用主轴转速在6 0 0 0 0 r m i n 以上的机床进行高速切削工艺试验研究在国内还处于空白 状态。可喜的是国内企业陆续出现引进转速2 0 0 0 0 r m i n 左右的数控机床，改变了机床 5 青岛大学t 程硕士学位论文 主轴转速大都在1 0 0 0 0 以下的格局，给高速切削技术带来了新的机遇。在“先进制造 领域关键技术的分析论证 中，高速切削技术被我困列为重大综合型项目和经济与社 会发展急需高技术项目中的重要内容。 1 3 3 高速切削技术应用方面研究的发展趋势 高速切削应用方面研究主要包括以下内容：采用干切削方式实现绿色切削：在重切 削工艺中进行高速切削；开发和完善各种高速切削工艺方法；难加工材料的高速切肖4 ； 基于新型检测技术的加工状态监控系统；与高速加工相适应的c a d 软件等。 从世界范围来看，高速超高速切削工艺的研究已从实验阶段转入实用化阶段，超 高速切削的工艺研究己成为目前最为活跃的研究领域之一。一方面是在现有技术平台 上进行工艺性能和工艺范围的应用研究，另一方面是由高速到超高速的关键技术的基 础研究。我国目前对高速切削的研究也是上述两个方向并行发展，一方面是对高速电 主轴和高速轴承等关键技术进行基础研究，实现国产的高速机床，另一方面则是通过 试验或引进的先进设备直接进行工艺研究，尽快解决关键零部件的加工工艺问题。 1 4 自动络筒机核心制造应用高速切削技术的意义 1 4 1 自动络筒机在我国纺织工业中的重要地位 早在上世纪9 0 年代初期，青岛纺机就与意大利s a v i o 公司开始合作生产e s p e r o 型全自动络筒机，该络筒机的结构示意图如图1 1 所示。经1 0 年的努力，到2 0 0 9 年 青岛纺机已成为全球主要的4 家自动络筒机供应商，另外3 家是日本村田、意大利s a v i o 公司、德国斯拉夫霍夫特公司。目前，中国的纺织机械市场约占到世界纺织机械市场 的3 0 ，在这个市场中络筒机属于关键工序，织造前的纱线只有通过自动络简机自动接 头，才能保证纱线的一致性和强度，影响了纺织品的品质。因此，出口的织物必须通 过自动络筒的工序，才能保证通过出口目的地的商品检验。可以说一定程度上说，自 动络筒机直接影响了我国纺织品的出口。正因如此，国家在2 0 0 2 2 0 0 3 中国纺织工业 发展报告上提出“十五 规划目标指出，到2 0 0 5 年，棉纺织2 0 世纪9 0 年代及以后的 水平的装配达到1 2 以上，增加清梳联1 5 0 0 套，自动络筒机9 3 0 0 台，无梭织机达1 1 2 万台。由于中国占据世界3 0 的纺机市场，加上这个大背景，国外纺织机械纷纷到国内 建厂。 6 第- 章绪论 澜濯蓊 图1 1e s p e r o 型自动络筒机 建厂的目的就是降低成本与国内的自动络筒机进行竞争，匣i 想在1 9 9 2 年国内纺织 厂引进自动络筒机( 6 0 锭台) 的价格高达3 0 0 万，随着9 8 年青岛纺机批黾生产的高 自动纯、商稳定性的自动络筒机投入市场，生产能力仅为8 台月，1 9 9 9 年也只有到 1 2 1 3 台月，自动络筒机的价格就一路f 降到1 2 0 余爿。2 0 0 7 年青岛客人纺织机械 有限公司的达到了8 7 台_ 日，迅速的争抢市场占有率，按此计算从2 0 0 2 年到2 0 0 9 年 青纺机共生产了4 2 0 0 台自动络筒机，每台为国家节省外汇近1 0 0 万人民币，一共4 2 亿的外祀。 并外，2 0 0 6 年底我国自主知识产权的自动络筒机s 吡r o 型一经投入市场立即引起 轰动。在2 0 0 9 年一季度全球经济危机的丈环境下，s i h r o 型自动络筒机却单单逆市而 l ，形成了供不麻求的局面，目前仍然不能满足棉纺厂的订货期要求。 142 强化自动络筒机核心零件加工技术的意义 讵像前面论述自动络筒机有着广阔的市场前景，在直接与国外先进的技术竞争中， 我们的产品是建立在虽然快速发展但仍然落后的整体工业基础上的，在由品牌引领潮 流的今天。青岛纺机也面临着重重困难甚至于困境。 9 0 年代初期青岛纺机的看家产品梳棉机、清梳联合机方面图纸技术外流，堰重，在 青岛地区形成大规模生产梳棉机的厂家，这些厂家与青岛纺机生产一模一样的梳棉机， 竟然在2 0 0 5 年国际纺织机械展览会上进行展出。这样的厂家青岛周边的就有6 家。青 岛纺规山于在清梳联合机生产技术方面曾饱受知识产权受侵害的痛苦，因此对自动络 筒机生产技术的保密工作十分重视，对自动络筒机关键零件的制造技术由公司自己完 成。不外包，成了公司发展的战略。2 0 0 9 年3 月民营企业也开始在纺织厂傲自动络筒 7 青岛大学上程硕+ 学位论文 机的实验，这时候我们更应该对我们的产品技术做好保密】：作。困家也为了保护国有 自动络简机的健康发展，相继出台t j l 项政策，提高进口自动络筒机的门槛，降低自 动络蘅机关键零件( 如槽筒) 的进口的关税等等。 在长期竞争中如何持续提升自动络筒枫的品质，缩小我们与国外络筒机制造厂家 的差距，只有不断优化制造技术，高效率、高质量、低成本生产络筒机核心零件就成 了当蕲的主要任务。 络简机主要山三部分组成：6 0 个单键、机头和机尾组成。绝大部分制造工作量在 于6 0 个单锭的生产。单锭主要由压力铸造的铝合金零件和塑料件组成。由4 2 种压力 铸造的锃j 台金零件和1 种糍料件组成其余尽管品种较多，但多为屯器零件。图1 2 为自动络简机核心零件。铝合金和塑料件零件基本都是薄壁零件，非常适合采用高速 切削粜减少零件变形，提高加工质量和加工效率。 图12 自动络筒机核心零件特点 嗣 ；瑟溯 羞 在加工锅台盒、塑料件薄壁零件中高速切削技术的具有以f 优势；铝台金、尼龙 的高速切削方面，由1 ：材料比较软，需要刀具前角较小，后脚较大，使用较高的切削 速度：薄壁零件的变形，在离心力的作用下高速高效的带走切剧，加工中7 嘴一9 0 在 切屑里被高速带走，减轻了由于温度变化产生的变形，另一辛要的方面当切h u 速度 达到一个很高的区域时( 每种材料速度不同) ，零件还来不及剧烈变形就已经被切削 完毕，原理跟塑性成型中的“爆炸成型工艺”类似；由于变形较小，所以被加工零件 的表面质量很高，粗糙度能到到0 4 p m 以内，易产生镜面效果：刀具成本f 降高速 切削往往充分利用了金刚石，金属陶瓷等超硬质刀具，而这种超硬质刀具的使用寿命 8 第一章绪论 是传统刀具h i o h 1 3 h 1 5 等材料使用寿命的1 0 0 到5 0 0 倍，前者价格仅仅是后者的7 倍左后，因此大大降低了单件零件的刀具成本。 虽然只是一种加工方式，但是需要多种必要条件才能实现高速切削。例如：良好 的机床性能，符合要求的操作系统，例如：本次铝合金的高速切削在我公司2 0 0 3 年引 进的一批以美国哈挺、英国桥堡为代表品牌的加工设备上进行推广的，2 0 0 8 年术又批 量的引进了牧野、深京畿的主轴转速1 0 0 0 0 转的卧式加工中心。相比公司8 5 年、8 7 年引进的r 本m a z a k 的加工中心的设备由于使用年限很长设备稳定性较差，设备最高 转速受到限制不能实现铝合金的高速切削。另外高速切削也需要专用的刀具的硬件设 施；软件方面需要合理的编程，合理合适的冷却方式，可靠的央具等等，有了硬件设 施后，实现高速切削的所有出发点在于要加工的零件。所有的加工理论都要合理的应 用在具体的零件上，要从具体的零件结构和材料出发，决不能生搬硬套。例如，机床、 刀具、程序都不变时将一个实体零件变成薄壁类零件很可能加工出的结果就发生了巨 大变化，不能加工出所需要的零件。一般说来高速切削和高效率加工还足有小的差别 的。高效率加工是指单位时间金属去除率而言的，相对传统加工系统而言，它包含两 层含义：一是高主轴转速，通常主轴转速在1 2 0 0 0 r m i n 以上，最高已有达到 6 0 0 0 0 r m i l 3 ；二是高进给量，进给速度一般在每分几米甚至几十米。如一般精铣加工 可达到5 0 0 0 - - - 1 5 0 0 0 m m m i n ，快速进给速度可以达到2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 m m m ir l 。对于不同 的材料加工，高速切削定义的切削速度的范围也不同，对于铣削铝、镁合金，切削速 度大于1 0 0 0 m m i n 可称为高速加工，而对于加工铸铁或钢，切削速度大于3 0 5 m m i n 就 可以称为高速加工了。 1 5 本课题研究意义及研究内容 1 5 1 本课题的研究意义 提高切削速度是金属切削技术长期追求的目标，也是切削加工提高效率、降低成 本的主要措施。机械加工的历史证明，切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技 术经济效益，切削速度的提高还反映着机械制造整体技术水平的进步。从八十年代中 期开始，制造技术进入了一个全面发展的新时期，其特点是以提高切削速度和进给速 度为目标，主要内容包括高速主轴单元、快速进给和高加( 减) 速度的驱动系统、高 性能的快速c n c 控制系统、高刚性的机床结构、超硬刀具材料和涂层工艺技术等。制 造技术的全面进展正在把切削技术推向高速切削( h s c ) 的新阶段。与五六十年代推 广硬质合金刀具时的所谓高速切削相比，这一轮的高速切削不仅切削速度有成倍的提 高，而且可配合采用高的进给速度和小的切削深度，在实现高生产率的同时使切削力 减小，从而还提高了加工质量。目前，高速切削已经在航空工业、模具工业和轿车工 9 青岛人学一i ：科硕士学位论文 业受到重视，正在向更广的应用领域拓展。 这项技术作为当今的一个先进制造工艺方法，己成为现代数控加工技术的重要发 展方向，是继数控技术后，制造业的一次最大突破。其突出的优点有切削力低、工件 热变形小、加工质量高、金属切除率高、切削振动小以及降低加工成本等。近十年来， 高速切削加工技术因其突出的优点在国外得到了极为迅速的发展和广泛应用，并进入 难加工材料领域。目前，航空航天、汽车、模具等工业部门在激烈的市场竞争中己引 进了相当数量的高速切削设备，因为所进行的实际加工和研究实验较少，经验缺乏， 缺乏优化的高速铣削基础工艺支持及高速铣削机理的深入研究，实际生产中存在很多 问题，不能充分发挥高速铣削的优越性，使得高速切削生产中缺乏稳定可靠的技术指 导，从而导致多数高速切削加工设备使用转速偏低，远远没有发挥高速切削设备应有 的优势，这种不合理的使用导致同有资产严重损失、机床利用率低、生产成本高。 本课题根据青岛宏大纺织机械有限责任公司加工e s p e r o ，s m a r o 型自动络筒机关件 零件的具体实例，分析高速切削的机理及影响高速切削的若干因素，及高速切削存在 的问题，通过实例说明高速切削经济成本问题。 1 5 2 本课题的研究内容 本文主要研究以下内容： 从理论上，通过文献了解高校、实验室的成果，在具体的工作中立足国内中型制 造企业的现状，如何有效利用高速切削技术为企业降低成本，提高生产效率，搭建了 一个从实验室到行业内部全面实际推广的桥梁。 对高速切削技术概念出发，阐述了高速切削技术的研究体系及关键技术、国内外 的研究状况及研究趋势、课题研究意义及研究内容。 通过理论与实验相结合的方法对切削力的影响因素进行了研究。通过实例说明切 削力影响的分析，为切削工艺优化提供了理论依据。 在国内多数机械制造企业的现状出发阐述了影响和制约高速铣削的硬件因素。深 入的研究和探讨了刀具切削材料对加工的影响，对常用刀具材料的性能及适用范围， 指出刀具材料与工件材料的合理匹配是高速切削刀具材料选用的关键依据。提前做好 刀具准备，为企业采购刀具降低风险。 另外，提出应用高速切削技术在的一些必须注意的软件条件，注意事项、关键技 术，包括冷却系统的要求，c a d c a m 系统的选用，走刀路径规划等加工工艺的确定。 通过高速切削技术在制造工厂的实际应用，表明高速铣削技术解决了生产中生产效率 低的实际问题，为企业带来巨大的经济效益。 进行了总结，对高速切削技术后续工作进行了与展望，对该课题的后续研究工作 提出了研究方向和思路。 1 0 第二章高速切削过程中切削力及其变化规律研究 第二章高速切削过程中切削力及其变化规律研究 切削力是切削过程中最重要的物理参数之一。切削力的大小决定了切削过程中所 消耗的功率和加工工艺系统的变形，其中加工工艺系统包含设备零件、刀具工艺装备 等，同时，切削力还直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、破损、刀具 耐用度等，也对加工精度和加工质量有着直接的影响。高速切削时，切削力对刀具的 磨损、破损影响更大。所以研究高速切削时切削力的变化规律有助于分析切削过程， 并对生产实际有重要的指导意义。 2 1 切削速度对切削力的影响 图2 1 切削模型 由图2 1 高速切削模型分析可知，剪切面上发生变形所需要的力出两部分组成： 一是剪切力f s ，剪切力 f s = s s a s = s , a j s i n 由公式2 一( 1 ) 式中s s 为工件材料动态剪切强度，a c 为切削层截面积： 二是切削层材料经过剪切面时，沿着剪切面滑移，造成动量的改变所需要的作用 力即切屑惯性力f g f g = f z ( uc o s1 3 一s i nb ) c o s ( 0 一yo )公式2 一( 2 ) 如果工件材料、切削层面积a c 和刀具前角yo 一定，剪切力f s 和切屑惯性力f g 主要 由巾、b 而定，而它们又受切削速度v 的影响。与剪切力f s 相比，切屑惯性力f g 很 小，切削速度较低时，可视为零。而当切削速度较高时，剪切角增大，剪切角增大会 使剪切力f 。降低，而使切屑惯性力f g 增加，切削速度本身也使切屑惯性力f g 增加， 1 1 青岛大学工程硕卜学位论文 即随着切削速度提高，剪切力降低，而惯性力增加。可见，切削速度对切削力的影响 较复杂，是上述两种作用的综合结果。在高速切削范围内，随着切削速度的增大，切 削温度提高，前刀面上的平均摩擦系数u 下降，从而使变形系数毛减小。例如加工钢 件时，切削速度由2 5 0 m m i n 提高至0 2 1 0 0 m m i n 时，从0 6 减小到0 2 6 。因此，剪切角增 大，导致剪切力减小幅度较大；由于切屑的质量很小，虽然切削速度提高，导致惯性力 增大，但其增加幅度比剪切力减小幅度小的多，因此在高速切削范围内，切削速度的 提高最终导致切削力的降低。 切削加工时，延性材料随着塑性变形而发生应变硬化，当变形缓慢时，这个过程 是等温的。丌始时，塑性剪切应变限制在材料的部分弱剪切区，在这个弱剪切区里， 应变硬化强化了材料，而且应变区在材料上扩散，使切削力增加，这是传统速度切削 时切削力的情况。然而，如果应变硬化没有发生，变形就只发生在局部，也就是说， 如果切削速度足够快，使应变硬化来不及发生，变形就只发生在小范围内，会使切削 力小于传统速度的切削力。综上所述，由于高速切削过程中的切削速度非常高，使得 金属流动速度大于塑性变形速度，剪切角增大，同时切肖温度的提高，导致高速切削 区金属切削层的变形程度较小，也使剪切角增大，从而使得切削力降低d 1 。 2 2 高速切削在铝合金加工中的具体应用 2 2 1 试验的启示 当刀具直径很小时，尽管机床转速很高，但切削速度v c 并不高。若使用巾0 3 5 m m 的钻头钻孔，机床许用最高转速是8 0 0 0 转分钟，但是根据v c = d n 1 0 0 0 ，它的切削 速度刚刚达到了8 7 9 2 米分钟。而实际上我们在实际工作中一般只开到7 5 0 0 转分钟。 可以说高速切削并不仅仅指的是高转速。为此，可用一个试验说明这一点。图2 2 为 高速切削机床。 试验设备：英国桥堡立式加工中心v m c 8 0 0 x p ； 钻头使用：巾0 3 5 m m 的硬质合金微细钻头； 加工材料：h 6 2 黄铜板； 加工要求：由0 3 5 m m 孔。 试验结果：若孔深2 m m ，进给速度为l o m m m i n ，完成2 2 个孔钻头断裂；若孔深3 5 m m ， 进给l o m m m i n ，钻第6 个孑l 钻头断裂，当进给速度调到6 m m m i n ，则完成4 5 个孔，钻 头还能正常使用。 试验的启示：刀具、加工工艺很重要。 实际上对于精度和零件表面的质量通过测试根本没有达到高速切削的效果，但本 次试验确认了我们的机床稳定性比较高。 1 2 第一章高速切削过程中切削力及其变化规律研究 图2 2 高速切削机床 222 刀具选用 要加工的零作压力铸造的铝合金，根据材料我们选用刀具。6 0 多年前，s m o m o n 提出高速加工的概念，并对高速加工进行了深入的研究，其研究成果表明：随着切削 线速度的增加