向极限挑战的高速加工技术.doc

向极限挑战的高速加工技术 高速加工技术开发重点速度与切削效率优质产品短期交货随着用户需求多样化，希望缩短产品开发制造周期的呼声也在提高。作为批量生产零部件时不可缺少的金属模具，其制造和用个模具生产的锻造部件、铸造部件也达到优质、短时间交货的方法，是使切削工具、磨削砂轮高速旋转。在此以模具切削加工技术为主，说明一下为实现高精度、高效率加工的关键制造工艺。为何要高速切削加工加工中心的加工时间，是包括了排出铁屑的切削时间和交换工具、轴的定位时间等非切削时间组成的。在加工锻造、铸造的引擎等部件时，为缩短同一产品的批量加工时间，尽量缩短非切削时间是有效的。现在有高速自动工具交换装置，也实现了100mmin以上高速化的轴的快速进给。在加工金属模具的形状部位时，切削时间占的比率较高，因此想办法提高切削效率对于缩短加工时间会产生很大的效果。现在看一看高速加工的有利之点。首先是加工精度和加工效率。高速加工的进刀量使每刃为小进给，使工具高速旋转进行加工，这就提高了进给速度。结果是降低了切削阻力，抑制了刚性较低工具在加工中的变形，使形状精度得到提高。最近的切削工具在切削铁方面的材料时，100-500mmin的切削速度成为推荐条件得到开发。这样，高速加工的效率同过去的加工相比可以提高两倍。再是切削发热。进行切削时切削点的发热，是工具的前倾面、后隙面的摩擦热和铁屑被剪断变形导致的发热为主，随着切削速度的提高，整体发热量会增加，但90以上被铁屑吸收，热传导基本上不会到工具、工件上。很好地利用这一特点，就可以在抑制工具磨损的同时提高加工效率。能够很好地运用上述有利之点，是高速加工成功地达到高精度、高效率的关键。下面再看一看金属模具加工的特点、为实现高速切削的设备、刀具、工具CAM等。细微直线组成的金属模具形状加工模具形状部位采用的数据，是把要达到的3次元曲面以微细的点群进行直线插补，属于大量微细直线的集结。加工中心按照这微细直线动作时，要使直线和直线相接部分保证加工精度，就要按照衔接部分的折曲角度和直线度的比率降低切削进给速度，通过衔接部位后，需要反复进行达到切削进给速度时的加减速。 就像开汽车一样，在大的R弯道上可以高速通过，但在V字形弯道时，如果不充分减速，汽车就会越出道路。因此，对于加工中心各进给轴的指令都是以非常短的间隔作出指示的。变化进给轴的加速度、对进给轴进行移动指令时，从停止状态到达到指令的进给速度有个必要的距离。例如，作出5mmin的进给速度指示时，原来加工中心采用的16ms的进给轴加速度就要达到22mm的加速距离，如使用高加速的98/s时，就成为04mm的短加速距离。再引用一下开车的例子，就像大型卡车(低加速机)和赛车(高加速机)并排启动，看哪一辆先达到预定的速度一样。一般来说，模具形状部位加工用的NC数据，很多是2mm到3mm以下，短的也有为0.1mm以下的。现在有提高刀具轨迹公差、生产更高精度模具的倾向，因此也有时将线分长缩短，这样，低加速的加工中心作出高速的进给速度指示时，实际的进给速度也不会达到指示的速度。也就是说仅提高了进给指令速度，不会缩短加工时间，为提高加工效率，需要有高加速、高速进给轴的加工中心。高速加工中心这几年，进给结构采用高导引滚珠丝杠或直线电机，加减速度从9.8到19.6m/s、进给速度从60m/min到120m/min的高速快速进给加工中心正在商品化。可是，并非所有这些设备都能有效地进行金属模具的高速加工。正如前面所述，模具形状部位的加工是三次元曲面，这在加工时就需要频繁地加减速。为做到保持指标精度的同时进行加工，就要在不能因快速的加减速产生的惯性导致机械本体变形方面下功夫。高速模具加工设备是将导轨配置于移动体的两端，各轴的移动体都有两端支持，是以两面支撑的状态支持高刚性的。滚珠丝杠每个轴都是移动体两端各有两个的配置，这样重心附近也能驱动，能够适应60m/min、9.8m/s的高速快速加减速的进给。高速刀具刀夹是使机械和工具结合的要素，原来只约束锥面的BT夹具，在主轴回转速度超过20,000min-1时，锥口会由于离心膨胀而张开，刀头的振摆就会加大。刀头的振摆直接影响工具寿命，这就会使工具寿命缩短。于是，为做到高速加工，就必须采用可约束锥面和端面两个面的双面高速夹具。关于此类型夹具，HSK和KM公司，还有其他夹具厂家都提出了有特长的夹具方案。 工具的保持方式从离心膨胀及加工精度考虑，多采用高速旋转时也具有可靠精度的热压配合式夹具。原来采用的简夹控制方式也提高了精度，可用于高速加工。用于高速的切削工具由于使用超微原料的超微粒子超硬开发得到推进，硬度和韧性值得到提高，使得高速高效加工成为可能。又由于开发出了在工具表面施以耐热性和硬度都非常好的涂层，更具提高寿命的效果。在硬度和耐热性方面具有比超硬还好的性质的CBN、最近又出现了提高CBN含量的烧结体，实验报告结果显示，超过1，000m/min的切削速度时，工具磨损也很少。CAMCAM将切削出来的形状以点群数据表示，这样，决定工具移动轨迹的刀具对于实现高精度加工起到很大作用。为达到较高的形状精度，就要尽量减少切削阻力的变动，需采用相对固定工具变形量的切削方法。实现了这一方法的是等高线加工等高线加工是高度在同样位置时的连续切削，工具和工件的接触位置不产生变化。这样，铁屑的厚度是固定的，切削阻力的变动就很小。这种加工方法对竖壁等可达到很细小的节距型缝，但加工缓面时节距就会变粗，使得表面光洁度不理想。最近在型缝较粗的地方加上了使型缝输出的功能，从而得到很好的加工面。将点群进行直线插补时，需要在短时间处理大量的NC数据，如果CNC装置能力不足时，就要产生NC数据处理的等待时间，这会导致进给轴控制不能平缓，使加工面出现凹凸现象。为提高处理速度，采用圆弧插补和NURBS插补可以消除NC数据处理的等待时间，实现高速高精度加工。实际已有报告显示，研制出了对模具形状部位的直线插补数据进行圆弧插补，平均线分长度粗工序时为5倍、精加工序为2倍，适合高速切削的NC数据。削减了手工研磨工序曲轴模具是以放电加工方式对形状部位进行加工，对于电加工后的痕迹都是用手工研磨方法去掉的。这是因为曲轴模具需采用深雕加工法，但工具探出的长度与工具直径比大时，切削面则容易发生“振颤”而不会得到良好的加工面。也有引用上述高速加工技术，使用高刚性主轴的加工中心、采用降低切削阻力的工具径路和高刚性工具，得到平滑理想的加工面，从而削减手工研磨工序的做法。为实现高速切削加工，就需采用相应高速的加工中心、可适应快速进