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雕刻加工及设备 JDHMS技术手册JDHMS技术手册1、JDHMS的市场应用分析新的设备投入到它适合的领域，就会落叶生根，遍地开花，枝繁叶茂。那么JDHMS的市场到底在那儿，如何开发呢？我认为，我们需要注重下面这些环节。1.1、JDHMS可以适用的行业经过人们前期观望、尝试，雕铣加工逐渐被加工行业认可。这种加工主要集中在下面几个方面：1） 注塑模具的划线，线宽在1-4毫米之间，深度宽度比例不超过5。2） 注塑模具的残料清角，用1-3毫米刀具清除6毫米刀具剩余的材料。3） 模具突出部分的细小形状，加工中心已经预留了加工位置。4） 小型注塑模具的雕铣加工，这类没有6毫米以上的刀具的加工位置，或者很少。5） 中小型模具的精加工。其实加工中心已经完成了精加工，但加工的表面质量没有雕铣加工的高。6） 灯具的精加工，加工车灯的表面反光图案；7） 工业模型加工，加工范围为500X400X80左右；8） 鞋模加工，可以加工金属材料的鞋模；总之，雕铣机用雕刻机的价格，高速加工中心的品质正好迎合了黄岩、余姚等模具城的需求。1.2、JDHMS加工能力的认识1） JDHMS不能当作小型数控铣床JDHMS虽然具有铣加工能力，但这种能力和铣床相比差之甚远。在使用这类设备时，重点还是雕刻加工能力（3毫米以下刀具）。在推广这种设备时，需要明示客户这种区别，引导客户正确认识雕铣设备，不能鼓吹开粗能力，不要将设备的粗加工能力作为雕铣设备的关键指标。JDHMS的粗加工能力比较强，但和铣床必起来根本不在一个数量级。下面是一个加工45号钢的切削削率的对比表。设备类型最大切削效率刀具直径范围正常工作范围雕铣机1.2 cm3/min（3毫米刀具）0.26.00.23.0小型铣床24.0 cm3/min(10毫米刀具)3.020.06.020 加工铜的切削削率的对比表。设备类型切削效率刀具直径范围正常工作范围雕铣机4.8 cm3/min（4毫米刀具）0.26.00.24.0小型铣床30.0 cm3/min(10毫米刀具)3.020.06.020加工ABS工程塑料切削削率的对比表。设备类型切削效率刀具直径范围正常工作范围雕铣机21.0 cm3/min（6毫米刀具）0.28.00.26.0小型铣床60.0 cm3/min(10毫米刀具)3.020.06.0202） JDHMS可以看作是经济的高速铣类设备在模具加工领域，我们和高速铣承担的任务基本接近。主要是小刀具高转速精加工。有人认为高速铣可以进行粗加工。实际的情况并非如此。因为目前还没有一种设备能够在大范围粗加工的同时，又能保持精加工的性能。据称DMG(世界知名的机床制造商)在某地的一个销售中心销售了10台高速铣床后，销售人员自己也不敢卖这种机床了。因为销售人员在介绍机床时认为这种机床可以粗加工，结果那些模具制造厂真将它当作开粗、半精加工、精加工一体的机床，不久这些机床的性能急剧下降，使用者怨声迭起。我们在作市场的时候，一定要心中有数，不能盲目满足用户的要求，而要逐步引导用户，将雕铣机带入一个正确的轨道。不要夸大设备能力，不要吊高客户的期望值，否则，我们将会面临“吸引了几个客户，丢掉了整个市场”的被动局面。3） JDHMS的最大卖点是加工精度高精雕在行业中被任何的主要原因是“精雕的设备能出精活”。这是我们公司多年处心积虑追求的“精品策略”。在JDHMS上，我们继续要坚持这种策略。在宣传设备时，我们不贬低自己的粗加工能力，但宣传设备的精度。如果设备精度从0.03提高到0.02，看似数量变化不大，但精度提高了50%，设备的设计和制造难度会上一个台阶。JDHMS在加强机床刚性的同时，秉承了精雕设备最大的优点“加工精度高”。高精度体现在下面这些方面：a. 小刀具加工断刀概率低b. 零件的尺寸精度，工件的一致性好c. 直侧面和曲面的表面粗糙度d. 机床运行的稳定性好，故障率低；4） JDHMS的粗加工效率是JDPMS的3倍 JDHMS的开粗能力虽然不能和铣床相比，但在同类设备中，其开粗能力并不比他们弱，而在精雕系列雕刻机中，它是开粗能力最强的设备，在保证刀具耐用度的前提下，它的加工45号的开粗效率是JDPMS的3倍。JDHMS的效率可以达到1.2 cm3/min，而JDPMS的效率一般为0.4 cm3/min。1.3、我们还需要开发一种这样的设备目前从事雕铣机开发的厂家很多，但大多说是跟风生产的设备，他们对设备的加工用途并不清楚，对设备的性能都有夸大的成分。许多人不了解雕铣机的参数，以为它是一台能雕能铣的设备。实际上，雕铣的铣加工能力还是很弱，尤其是它的高速主轴和设备刚性不允许它提供很好的切削效率。如何解决既能粗加工和精细雕刻加工之间的关系呢？我想我们应该开发一种介于雕刻机和中型加工中心之间的小型铣床。这种设备的用途是铣加工，而不是雕刻加工，需要满足以下参数：1） 加工幅面600 x 500 x 300 ;2） 主轴功率在510KW ；3） 主轴转速在20008000转，主要在5000转加工；4） 加工的刀具直径直径范围是210毫米，以6毫米为主；5） 机床的刚性在500N的左右力下，机床刚性可以保持在0.02毫米；6） 加工45号钢的效率可以达到4.8厘米3/分钟; 主要用于以下行业：1） 鞋底钢模、铝模的粗加工和半精加工；2） 金属字牌的粗加工和半精加工；3） 中小型冲压模具的粗加工和半精加工，如镜框模具；4） 玩具模具的粗加工和半精加工；目前南京四开已经生产出了类似的设备，命名为雕铣床。它的实现方法是采用双主轴结构。真正的使用模式是一台粗加工，一台或多台精加工。2、机床刚性分析2.1、JDHMS的刚性数据机床的刚性好，切削量就可以增大，切削效率可以提高，刀具的耐用度也能提高。根据实际测试，JDHMS在100N力的作用下，机床的变形量为：测量指标变形量说明主轴轴承变形0.005毫米不随Z轴行程变化而变化主轴跳动根部0.01毫米,30毫米位置0.02毫米螺母不要过紧，否则30毫米跳动将超过0.035毫米。跳动不随受力的变化而变化。Z=0位置指机头偏摆变形0.005毫米Y向X向的变形接近，不包括主轴变形Z=25位置指机头偏摆变形0.010毫米Y向X向的变形接近，不包括主轴变形Z=155位置指机头偏摆变形0.020毫米Y向X向的变形接近，不包括主轴变形2.2、JDHMS的刚性的刚性分析JDHMS的刚性是目前几种雕刻机型号中刚性最强的。但在刚性方面仍然有需要加强的地方。下面我们从影响刚性的几个要素分析JDHMS机床的刚性的加强措施：1） 机床的整体结构刚性。JDHMS机床底座采用整体铸造，减振效果好，立柱和横梁采用钢结构，整体的结构刚性也比较好。2） 机床的运动机构刚性。JDHMS的Y轴的导轨间距和直线轴承的间距大，刚性也比较好。而X轴Z轴的运动连接间距较小，相对刚性要弱一些；连接部件的刚性也是机床的刚性的重要因素。 增大间距，可以增大力臂，减小弯曲变形。间距和变形量基本成线性关系。我们以X轴间距的变化为例，分析一下这种变形。机头的结构示意图如下： 按照这个比例关系，端部受力为P，如果将滑块的距离增大达到300，同样的受力下，B位置的受力是原来的7/9，而在B位置相同变形的情况下，端部的变形是原有变形的11/15。所以 合计变形将是原来的0.57。 用类似的方法，我们可以估算出滑块间距和其他轴的变形。3） 连接部件的刚性。连接部件包括连接的轴承和螺钉。型号和预紧力是影响刚性的重要因素。如果减小连接位置的变形，也能减小连接部位的受力变形。这种变形和最终的加工变形也是线性关系。JDHMS机床的机头和导轨之间的连接件数太多，降低了机床的刚性，使得加工振动不能很好的传递到横梁上去，如果采用整体结构，机头的刚性将强不少。4） 主轴电机的刚性，主要包括主轴轴承的刚性和刀具夹持（筒夹）的刚性。JDHMS的主轴刚性较好。但夹持的跳动较大，在使用过程中，需要注意合理装刀，不要使用太大的力紧刀具。2.3、机床刚性对刀具耐用度的影响所有的刚性最后都体现到刀具的变形上，它对刀具耐用度的影响包括下面几个方面：1） 刀具根部疲劳断裂。 刀具变形增大，刀具在高速运动过程，在刀具根部出现应力集中，容易造成刀具的疲劳断裂。2） 刀具刃部的疲劳破损。切削过程中刀具刃部存在着交替的切削、空行过程，刀具刃部容易出现疲劳破损，加快磨损，当机床的刚性比较弱时，这种疲劳破损的速度将加快。 3） 刀具后刀面的磨损。当机床刚性比较弱时，切削过程中材料与刀具后刀面的接触宽度增大，产生大量的热量，降低刀具的耐用度。而且当刀具的后刀面和已加工表面摩擦时，发出很大的声音，感觉切削十分费力。如果加工过程中机床变形反映刀刀具上超过的0.02毫米,刀具的磨损速度将十分迅速。如果低于0.01毫米，机床在切钢时才能体现出良好的性能，刀具使用寿命将大幅增加。原因是：小刀具铣加工的转速在10000转/分钟左右，正常的速度在0.11.0之间，如果双刃刀具在0.4米走刀的过程中，每齿每转进给量在0.02毫米。如果变形超过0.02毫米，加工切削过程的让刀将十分严重，已经切削的加工面有可能摩擦到后刀面，加工声音刺耳，刀具寿命快速减少。2.4、如何利用机床刚性从机床的刚性分析我们可以的得到下面这些方法：1） 尽量将工件抬高，能用二次台面的最好使用二次台面。 JDHMS的Z轴采用滑块不同动，导轨运动的形式，所以，机床在顶部的刚性最好。2） 工件距离Z轴比较大时，将切削量降低一半进行切削。道理与1）中的相同，机床在根部的变形是中间的一倍，而一般试验提供的切削参数都是在机床中间高度的参数（Z=100）。3） 刀具尽量装短一点，它可以减小主轴电机变形的影响，也能减小刀具的跳动。4） 刀具的夹持不是越紧越好。刀具上的过紧时，刀具跳动增大，刀具耐用度降低。与此同时，JDHMS的刀具存在保护电机的作用，如果刀具上的过紧，误操作的容易损坏主轴电机，相反，如果夹持力比较适中，既能抱死刀具又能保护主轴。5） 丝杠运动过程中交替出现受拉和受压两种状态，受压状态下，丝杠会出现失稳现象，而拉力作用的稳定性要好的多。所以在选择行切走刀时，尽量选择180度方向，这样的稳定性要好一些，切削过程也比较平稳（顺铣时采用推，逆铣时采用拉）。3、主轴电机的力学性能和耐用度分析3.1、电机功率及其力学性能JDHMS选择的是开源D120D20雕刻电主轴，曲线如下，电机的功率传输比一般在0.70.85之间，为了安全，我们取小值0.7计算。由此可以算出电机的最大输出扭矩是：P max= 最大功率(2200) * 传输比（0.7）= 1540(w)Wmax = 最大转速(20000) / 60 * 每转角度（pi * 2）= 2093Mmax = 最大输出功率( 1540 ) / 最大角速度（2093）1000 = 737 mm * N从该图我们可以获得常用转速的技术参数如下：电机转速(rpn)扭矩（mm*N）电机功率(W)输出功率(0.7)(W)输出扭矩(0.7)(mm*N)刀具直径切削力Fz(N)200001050.42222001540735.3011470.59180001050.42219801386735.302735.30150001050.42216501155735.303490.20120001050.4221320924735.304367.65100001050.4221100770735.305294.1290001050.422990693735.306245.1080001050.422880616735.307210.0870001050.422770539735.308183.8260001050.422660462735.3010147.06在考虑电机输出切削力的同时，我们还需要考虑电机本身可以承受的切削力。切削力最后需要转换到轴承上，切削力的大小直接影响轴承的变形和耐用度。实际测试看，电机轴承的在100N受力的变形量为0.005毫米。最大受力不能超过200N，变形不能超过0.010毫米。由此可见，使用6毫米以上刀具加工时，我们需要考虑主轴的切削力是否足够，而在使用6毫米以下刀具加工时，我们需要考虑主轴的刚性。3.2 刀具装卡性能分析 刀具是用ER型夹簧（也称筒夹）和压帽直接固定在主轴电机上的。所以，刀具的装卡规范性直接影响加工的精度和电机的使用寿命。实际使用过程中，需要注意下面几点：1） 装卡刀具之前，一定要清理卡头，保证内部没有碎屑。否则，螺母的耐用度降低；2） 上刀的力不能过大，否则，刀具的径向跳动增大，大直径刀具的磨损速度增大，小直径刀具容易崩尖；3） 使用不同直径的刀柄使用相同直径的卡簧，否则没法保证夹持精度。4） 换下的卡簧必须泡在机油中保存，长时间不用时，先用机油清洗干净，然后表面涂黄油，封闭保存。5） 不要使用已经损坏的卡簧。3.3 影响主轴耐用度的因素主轴电机是保障加工精度的关键因素，同时，它是有一定使用寿命的，主轴电机的使用寿命也称主轴电机耐用度。影响主轴电机的耐用度的因素包括：（1） 主轴轴承的使用寿命；（2） 螺母滑扣；（3） 电机线圈过载；（4） 电机机械故障； 其中主轴轴承的寿命是关键因素。下面我们主要分析主轴轴承的使用寿命。轴承的使用寿命公式是：（公式）一般来说：（1） 轴承的寿命与转速成正比，转速越高，寿命越低；（2） 轴承的寿命与切削受力成3次方的关系，降级切削力是提高轴承寿命的关键因素；比如说额定载荷下电机使用寿命在5000小时左右（250天），而将切削力增大到两倍后，电机的使用寿命将是625小时（31天），如果将切削力增大到3倍后，电机的寿命将仅仅剩下185个小时（9天），如果将切削力增大到4倍后，电机的寿命将仅仅剩下78个小时（4天）。（3） 角接触轴承的过大的轴向受力对电机的使用寿命影响是径向受力的3倍左右；（4） 润滑条件，良好的润滑是保证轴承寿命的主要因素。如果轴承温度过高，容易造成润滑剂从轴承中流失，密封则可以防止外界的灰尘、刀具冷却油等侵入轴承；3.4 提高主轴耐用度的方法以次为据，我们在使用主轴电机时，应当注意下面一些环节：(1) 合理规划加工路径，减少加工时间。(2) 在条件允许的情况下，尽量减小切削量，降低切削力，这样能有效的提高电机的使用寿命。不能盲目的追求切削效率，切不可将雕刻机当铣床使用，用于大范围的粗加工。刀具磨损后，需要及时换刀，切记不要使用严重磨损或崩尖崩刃的刀具继续加工。(3) 加工过程中，尽量减小轴向受力。 比如减小下刀速度，减少Z轴连动加工过程中的切削量。(4) 加工之前一定要检查主轴的冷却水是否正常，水流流速、水箱水量是否正常；长时间加工时，至少每天检查一次。避免因轴承温度过高而将润滑剂融化。(5) 刀具冷却使用的润滑油不要超过刀具的螺母。主轴电机的螺母是离心方式包括主轴电机轴承的第一道关口。切不可将冷却油直接浇到螺母之上。4、刀具变形分析4.1、刀具变形公式刀具装卡在主轴电机上后，形成一个悬臂梁，变形示意图如下： 刀具长度-L , 刀具直径-d ,变形量-w刀具变形公式: , , 钨钢材料的弹性抗弯强度一般在10001500Mpa之间，好的材料可达到4000MPa/m3。为了比较我们选择 1000M Pa/m3作为计算值。弹性模量约为500G Pa/m3。以此为据，我们可以计算出 1毫米刀具，如果装卡长度是1毫米，受力是1N，其变形量约为：1.358E-5毫米4.2、常用刀杆的变形量2毫米刀具的变形 轴向受力刀具长度1N10N35N70N2毫米6.7875E-66.7875E-52.3766E-44.7612E-44毫米5.4300E-55.4300E-41.9005E-33.8010E-36毫米1.8326E-41.8326E-36.4141E-31.2828E-2(*)8毫米4.3440E-44.3440E-21.5204E-2(*)10毫米8.4843E-38.4843E-2(*)3毫米刀具的变形刀具长度1N10N70N150N3毫米4.5267E-64.5267E-53.1687E-46.7900E-46毫米3.6214E-53.6214E-42.5350E-35.4321E-39毫米1.2222E-41.2222E-38.5554E-31.8333E-2(*)12毫米2.8971E-42.8971E-32.0280E-2(*)15毫米5.6584E-45.6584E-3 4毫米刀具的变形刀具长度1N100N200N250N4毫米3.3950E-63.3950E-46.7900E-48.4875E-48毫米2.7160E-52.7160E-35.4320E-36.7900E-312毫米9.1665E-59.1665E-31.8330E-2(*)16毫米2.1728E-42.1728E-2(*)20毫米4.2438E-4 6毫米刀具的变形刀具长度1N100N400N600N6毫米2.2633E-62.2633E-49.0532E-41.3580E-312毫米1.8106E-51.8106E-47.2424E-41.0864E-318毫米6.1109E-56.1109E-42.4444E-33.6654E-324毫米1.4485E-41.4485E-35.7940E-2(*)30毫米2.8291E-42.8291E-336毫米4.8887E-44.8887E-342毫米7.7631E-47.7631E-348毫米1.1588E-31.1588E-2(*) 当刀具变形超过0.01后，认为超出切削范围，用（*）表示。4.3、结果分析JDHMS使用的最大刀具是6毫米刀具，常用的刀具长度在30毫米左右。它在100N时的变形接近0.003毫米，考虑到刀具开刃时强度会降低，实际的变形应该接近0.005毫米。在钢材加工中，如果刀具本身的变形超过0.005毫米，那么很容易造成刀具的断裂，刀具磨损使用寿命明显降低；如果刀具本身的变形超过0.01毫米，刀具的使用寿命将大大降低。降低刀具变形的方法是：1） 使用大直径刀杆，直径增大一倍，刀具变形减小为1/16;2） 缩短刀具的长度，长度缩短一倍，刀具变形减小为1/8;3） 减小切削量，降低切削力，切削力减小一倍，刀具变形减小为1/2;4） 使用直径更大的刀具作为刀杆，通过锥形过渡或分级过渡到实际的刀具直径； 5、切削功率和切削力分析切削加工需要切削力，切削过程消耗切削功率。电机在不同转速下的输出功率如下：转速200001800016000140001200010000800070006000功率1540138712331078924770616529426使用不同直径刀具的最大切削力Fzmax如下：刀具直径D=2D=3D=4D=6D=8Fzmax736491368245184这两个表是很重要的表格，选择切削量时，一定将切削力和切削的功率限定在电机的功率范围之内，否则，容易造成电机憋转甚至憋死的现象。切削过程产生切削力，消耗能量。设备提供的切削力和切削功率是有限定的，在选择切削刀具、切削用量时，一定保证实际的切削力和功率需求在设备的的额定范围之内。5.1、切削力计算公式切削力的大小与以下这些因素有关：1） 切削材料，如45号钢、Cr12钢等；2） 切削速度，指切削的线速度；3） 进给量，4） 刀具直径5） 刀具角度的刃角在加工45号钢时，刀具的切削受力、扭矩和功率如下：Fz = 9.81*96.6*Ae0.88*Af0.75*Ap*Z*D-0.87M = Fz * D / 2.0Pm = Fz * v/60 Fz指主切削的受力，Ae指侧向进给量，Af指每齿每转进给量，Ap指吃刀深度，Z指刀具的齿数，D指刀具的直径，M指需要的扭矩, P指切削的功率，v指切削速度，f指走刀速度。首先，我们分析一下45号钢的的切削力在切削速度在80m/分钟的受力情况。80m/min 开槽直径DFZAeAfApZPmrpmfM234.5 20.009 0.6246 12800 24034.5 377.2 30.016 0.92103 8500 270115.7 4212.7 40.021 22284 6400 270425.5 6535.7 60.042 32714 4300 3601607.1 8894.0 80.056 421192 3200 3603576.2 单位NmmmmmmWr/minmm/minN.mm80m/min单边切削直径DFZAeAfApZPmrpmfM270.4 0.40.019 3294 12800 48070.4 3157.4 0.60.032 4.52210 8500 540236.1 4260.4 0.80.042 62347 6400 540520.8 6655.7 1.20.084 92874 4300 7201967.2 81094.4 1.60.113 1221459 3200 7204377.4 加工材料比较硬时，切削力可以是上述切削力的34倍。5.3、从切削力分析加工策略JDHMS的最大切削受力为Fz=100N时，机床可以保持较好的刚性。所以在选择刀具和切削用量时，需要注意下面几点:1) JDHMS使用3毫米的刀具加工时，加工效率最高。切削力基本满足机床的刚性；2) JDHMS使用的刀具直径较大时，尽量使用比较锋利的刀具，减少切削力。3) 刀具磨损程度较大时，切削力快速增大。所以，要在加工中养成勤换刀的习惯。4) 切削深度对切削力的影响最大，切削深度增大一倍，切削力增大一倍。如果出现主轴掉速现象时，首先考虑降低切削深度。6、切削用量与切削效率6.1、基本概念铣削加工的切削用量分为开槽加工和单边切削两种类型，即：(1) 单边切削的切削用量指加工中的每齿每转进给量（主轴转速、走刀速度）、吃刀深度和侧向进给量；(2)开槽加工的切削用量指每齿每转进给量（主轴转速、走刀速度）和吃刀深度。切削量的选择必须考虑到下列因素：1） 加工的材料，材料硬度越大，切削用量越小；2） 加工的机床，机床的刚性越好，功率越大，切削用量越大；3） 加工的刀具，刀具直径越小，切削用量越小；刀具装卡长度越长，切削用量越小；切削效率指加工过程中材料的切除效率，按照每分钟切除的体积（厘米3）计算，一般按照加工总的最大切除率计算。切削效率的计算方法也分为单边切削和开槽加工两种。计算公式如下：单边加工的切除率 = 走刀速度侧向进给吃刀深度；开槽加工的切除率 = 走刀速度刀具直径吃刀深度；走刀速度主轴转速刀具刃数每齿每转进给量切削效率决定于切削用量。6.2、切削用量的选择选择切削用量的目的是提高提削效率，选择首先要确定刀具的耐用度。简单的关系是耐用度越高，切削效率越低。JDHMS雕铣机属于轻切削机床，主要用于精铣加工和雕刻加工，使用的最大刀具为6毫米，最大的轴向切削力为100N。如果使用的刀具直径为6毫米，装卡长度为30毫米，那么在100N力的作用下，刀具的变形为0.005毫米。为了将整个变形降低在0.02毫米之内，我们只能使用Z=25左右的位置作为切削量的计算位置。在Z=155位置时，需要将切削量减小一半。6.3、切削用量选择及切削效率 切削用量的选择原则是，在保持刀具耐用度的前提下，尽量提高切削效率。基本的规律是：1） 粗加工的 刀具耐用度一般选择60120分钟左右。精加工的刀具耐用度为180240分钟；2） 首先根据加工区域的形状确定吃刀深度，最大的吃刀深度为1.0D;3） 根据切除效率估算侧向进给量和走刀速度。JDHMS加工钢的切削效率约为1.2左右；4） 选择切削量时，要么使用大吃深，小进给，要么浅吃深大进给，而不选中间值；5） 使用大吃刀深度时，减小侧向进给量，使用环切顺铣加工；6） 使用浅吃深时，采用180度行切走刀，路径的重叠比例为15%左右。7. 刀具耐用度分析7.1、刀具耐用度的定义刀具耐用度的定义是：由刃磨开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过得总切削时间，一般以分钟作为单位。影响刀具耐用度的因素主要包括：1） 切削用量，包括切削速度(不是进给速度)，吃刀深度、进给