浅谈高速切削加工关键技术及应用

1 浅谈高速切削加工关键技术及应用浅谈高速切削加工关键技术及应用 在机械加工技术中 切削加工是应用最广泛的加工方法 近年 来 高速切削技术蓬勃发展 已成为切削加工的主流和先进制造技术的 一个重要发展方向 高速切削的主要目标之一是通过高生产率来降 低生产成本 它主要应用于精加工工序 常常是用于加工淬硬模具 钢 另一个目标是通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力 目前 高速切削技术在航空航天 模具生产和汽车制造等行业已经 获得广泛应用 并产生了巨大的经济效益 高速切削作为一种新的 切削加工理念 对其深入研究具有重要意义 1 高速切削的特点高速切削的特点 高速切削是一个相对概念 迄今尚未有一个确切的界定 高速 切削通常指比常规切削速度和进给速度高出 5 倍 10 倍的切削加工 有时也称为超高速切削 也有将主轴转速达到 10000r min 60000r min 快速进给速度 40m min 以上 平均进给速 度 10m min 以上 加速度大于 1g 的切削加工定义为高速切削 高速切削的速度比常规切削速度几乎高出一个数量级 切削机 理与常规的不一样 由于切削机理的改变 产生出许多自身的特点 同时也就对应有自身适合的应用范围 材料切除率高 进给速度随切速的提高也可相应提高 5 10 倍 这样 单位时间内的材料切除率可提高 3 6 倍 适用于材料切除率 要求大的地方 如航空航天 模具和汽车制造等领域 2 切削力低 切速高 使剪切变形区变窄 剪切角增大 变形系数减 小以及切屑流出速度快 从而可使切削变形减小 切削力降低 可 比常规切削低 30 90 特别适合加工刚性差的工件 热变形小 90 以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑 带走 工件积累热量极少 因而不会由于温升导致热变形 特别适 合加工易热变形的零件 高精度 由于高转速和高进给速度 使机床的激振频率特别高 已 远高于 机床 工件 刀具 系统的固有频率 使加工过程平稳 振动小 可实现高精度 低粗糙度加工 适合于光学等领域的加工 减少工序许多零件在常规加工时需要分粗 精加工工序 有时机 加后还需要手工打磨 而使用高速切削常可集中在一道工序中完成 2 关键技术关键技术 a 高速主轴系统 高速主轴系统 是高速切削技术最重要的关键技术之一 目前 主轴转速在 1 5 万 3 万 r min 的加工中心越来越普及 已经有 转速高达 10 万 15 万 r min 的加工中心 高速主轴由于转速极高 主轴零件在离心力作用下产生振动和变形 高速运转摩擦热和大功 率内装电机产生的热量 会引起热变形和高温 所以必须严格控制 为此 对高速主轴提出如下性能要求 1 结构紧凑 总质量小 惯性小 可避免振动和噪音 具有良好的 3 启停性能 2 足够的刚性和高的回转精度 3 良好的热稳定性 4 功率大 5 先进的润滑和冷却系统 6 可靠的主轴监测系统 高速主轴为满足上述性能要求 结构上几乎全部是交流伺服电 机直接驱动的 内装电机 集成化结构 采用集成化主轴 机构由 于减少传动部件 具有更高的可靠性 高速主轴要求在极短时间内 实现升降速 在指定位置快速准停 这就要求主轴具有很高的角加 减速度 为此 将主轴电机和主轴合二为 一 制成电主轴 实现无 中间环节的直接传动 是高速主轴单元的理想结构 轴承是决定主 轴寿命和负荷大小的关键部件 为了适应高速切削加工 高速切削 机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承 润滑和散热等新技术 目 前高速主轴主要采取陶瓷轴承 磁悬浮轴承 空气轴承和液体动静 压轴承等 主轴轴承润滑对主轴转速的提高有着重要作用 高速主 轴一般采用油 空气润滑或喷油润滑等 b 高速进给系统 控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一 传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性 必须对其进行技术改进和技术创新 才能适应高速切削的要求 主 4 要技术措施有 1 丝杠采用中空结构 提高丝杠的支承刚度 2 为降低高速滚珠丝杠副传动系统的发热 将冷却液通入空心丝 杠内部进行强制循环冷却 以保证滚珠丝杠副传动系统的精度 3 改进螺母结构设计 适当减小滚珠直径 钢珠采用空心结构 滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列 可有效降低高速运行时的噪声 4 改进滚珠材料 滚珠选用陶瓷材料 可显著降低温升 5 采 用螺母旋转 丝杠不动的驱动方案 将螺母安装于轴承中 由伺服 电机带动其旋转 或将螺母与驱动电机的转子集成为一体 由转子 直接驱动 该结构由于丝杠固定不动 螺母作高速旋转的同时作轴 向移动 故可消除丝杠临界转速的限制 高速滚珠丝杠副传动系统 的加速度范围为 0 5 1 0 g 行程范围 6m 用于低档高速数控 机床 高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后 其加速度可高 达 2 10 g 行程范围不受限制 用于高档高速数控机床和高速 加工中心 直线电机进给驱动系统具有以下优点 1 高速响应性 由于系统采用直线电机直接驱动工作台 机床实现 零传动 故使 整个闭环控制系统动态响应性能大大提高 反应异常灵敏快捷 2 速度和加速度高 最大进给速度可达 80 180m min 加速度 可高达 2 10 g 3 定位精度高 直线电机进给驱动系统常用 光栅尺作为位置测量元件 采用闭环控制 因而定位精度可高达 0 1 m 0 01 m 直线电机伺服系统的价格约是高速滚珠丝杠伺服 系统的 2 5 倍 但在加速度大于 1g 的情况下 前者仍是高速进给系 统的唯一选择 5 c 高速的 CNC 控制系统 高速切削加工要求 CNC 控制系统具有快速数据处理能力和高的 功能性特性 以保证在高速切削时 特别在 4 5 轴坐标联动加工复 杂曲面 仍具有良好的加工性能 高速 CNC 数控系统的数据处理能 力的两个重要指标 一是单个程序段处理时间 为了适应高速 要求单个程序段处理时 间要短 为此需使用 32 位 CPU 64 位 CPU 并采用多处理器 二是插补精度 为确保高速下的插补精度 要有前馈和大数目超前 程序段预处理功能 为此 还可采用 NURBS 非均匀有理 B 样条 插补 向冲加速 平滑 插补 钟形加减速等轮廓控制技术 高速切削加工 CNC 系统的功能 特征包括 1 加减预插补 2 前馈控制 3 精确矢量补偿 4 最佳拐角速度 d 高速切削刀具技术 刀具技术是实现高速切削的重要保证 正确选择刀具材料和设 计刀具系统对于提高加工质量 延长刀具寿命和降低加工成本都起 着重要作用 1 高速切削刀具材料 高速切削要求刀具材料具有如下性能 高硬度 高强度和耐磨 6 性 高韧度 良好的耐热冲击性 高热硬性 良好的化学稳定性 目前 高速切削加工常用的刀具材料有 涂层刀具 陶瓷刀具 Al2O3 Si3N4 立方氮化硼 CBN 材料和聚晶金刚石 PCD 材 料等 2 涂层刀具 目前 用于高速切削刀具的涂层主要有两类 一类是 硬 涂 层 如 TiC TiN 和 Al2O3 等涂层刀具 其优点是硬度高 耐磨性好 其中 TiC 涂层刀具具有很强的抗后刀面磨损能力 TiN 涂层刀具则 具有理想的抗月牙洼功能 一类是 软 涂层 如 MoS2 WS 等涂层 刀具 这类刀具也称为 自润滑刀具 刀具 工件和切屑之间的摩 擦因数很低 只有约 0 01 能降低切削力和切削温度 航空航天工 业用材如高强度硬质合金 钛合金等的加工就不适合采用 硬 涂 层刀具 采用 软 涂层刀具 可防止刀刃上产生积屑瘤 提高工 件表面加工质量 延长刀具寿命 3 3 主要应用主要应用 1 在航空 汽车工业中的应用 高速切削最早是在飞机制造业和 汽车制造业得到了成功的应用 首先在加工以铝合金为主的轻合金 过程中 飞机上的零件通常采取在整块板料或毛坯上直接铣削出大 型构件 不仅材料的去除量较大 而且有时需要加工出壁厚小于 1mm 的薄壁 高速切削由于切削力小 加工效率高 非常适合这类 零件的加工 采用高速切削加工飞机或汽车上的铝合金零件比传统 的加工工艺效率提高 3 倍以上 其次 在航空工业中 经常也会用 7 到一些耐高温的材料制造发动机零件 如镍基合金和钛合金 这类 材料强度大 硬度高 切 削温度高 刀具磨损快 通常属于难加工 材料 用传统的方法不仅加工效率低 而且也容易造成工件表面烧 伤 如果采用高速切削工艺加工这类难加工的材料 不仅加工效率 比传统的方法提高 lO 倍以上 还可以延长刀具使用寿命 改善零件 的加工质量 另处 航空发动机叶片的加工 采用高速切削加工工 艺 不仅使叶片的制造费用降低一半 而且减少了零件的热负荷 降低了内应力 提高了发动机叶片的使用寿命 2 在模具制造领域的应用大量的模具有复杂的三维几何形状 传 统的加工方法要把时间和费用花费在将结构数据转化成模型 模型 样品和生产用模型中 而且后道工序基本上要靠手工进行铲刮和抛 光 高速切削在模具型腔制造领域的应用不仅针对于一些软材料 还可以用于一些硬材料的表面加工 代替通常的电火花加工 3 在特殊材料加工领域的应用 随着石墨电极在工业生产中越来越 广泛的应用 与金属材料不同 石墨在加工时不会产生从工件剥离 出的连续切屑 但是 它却容易产生挤压和剥落 在工件表面留下 加工缺陷 能否加工出表面光洁的石墨电极是石墨加工的技术关键 石墨的超高速切削 虽然比硬模具铣削的切削力要小 但机床仍需 要较高的刚性和转速 并且要考虑专门的除尘装置 高速切削技术已经成为切削加工主流 高速切削技术机械制造 业来说是一场深刻技术革命 必将对机械制造业产生重要而深远影 响 高速切削技术发展和应