如何高速高精度孔加工.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除1如何高速高精度孔加工？答：除采用CNC切削方式对孔进行精密加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行高精度加工。随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速精密加工。据报道，目前在铝合金材料上进行40mm左右的镗削加工时，切削速度已可提高到1500m/min以上。在用CBN烧结体作切削刃加工钢材、铸铁及高硬度钢时，也可采用这样的切削速度。预计，今后镗削加工的高速化将会迅速普及推广。为了实现镗削加工的高速化和高精度化，必须注意刀齿振动对加工表面粗糙度和工具寿命的影响。为了防止加工精度和工具寿命下降，所选用的加工中心必须配备动平衡性能优异的主轴，所选镗削刀具也必须具有很高的动平衡特性。尤其是镗削工具的刀齿部分，应选择适用于高速切削的几何形状、刀具材料及装卡方式。切削刃端部的R应较大，以利于提高加工效率；在保证获得同等加工表面粗糙度的前提下，应加大进给量。但加大进给量应适可而止，否则将增大切削阻力，不利于提高加工效率。切削刃带应设置0.1mm以下的负倒棱，这样可有效保持刀具寿命的稳定。至于刀具材料，则视被加工材料性质而有所不同。如加工40HRC以下的钢等材料时，可选用金属陶瓷刀具，这种刀具在v=300m/min以上的高速切削条件下，可获得良好的加工表面粗糙度与较长的刀具寿命。涂层硬质合金刀具则适用于对60HRC以下的钢材等进行高速切削，刀具寿命非常稳定，但切削速度稍低于金属陶瓷刀具。CBN烧结体刀具适用于加工高硬度钢、铸铁等材料，切削速度可达1000m/min以上，而且刀具寿命非常稳定。CBN刀齿的刃带部分应进行适当的倒棱处理，这种处理对进行稳定的高速切削和延长刀具寿命极为有利。在对铝合金等有色金属及非金属材料进行超高速切削时，可选用金刚石烧结体刀具，这种刀具切削稳定，刀具寿命也很长。应注意的是，使用金刚石刀具时，刀齿刃带必须进行倒棱处理，这是保证切削稳定的重要条件。在铰削加工方面，目前尚未见到高速、高精度的新型刀具问世，该领域的研究开发工作似乎处于停滞不前的状态。高速铰刀迄今仍被某些特定的用户用来进行高速高精度孔加工。这种铰刀带有负前角，刚性高，断屑效果好，在高速切削条件下，可进行稳定的精密孔加工。该铰刀的特点是，采用较大的负前角和奇数刀齿，其高速切削的速度是过去的铰刀无法达到的，因此，可以说此种设计对铰刀的传统概念进行了大胆的突破，是一种高效率的铰削刀具。 2数控加工工艺有何特点？答：数控加工工艺是伴随着数控机床的产生，不断发展和逐步完善起来的一门应用技术，研究的对象是数控设备完成数控加工全过程相关的集成化技术，最直接的研究对象是与数控设备息息相关的数控装置、控制系统、数控程序及编制方法。数控加工工艺源于传统的加工工艺，将传统的加工工艺、计算机数控技术、计算机辅助设计和辅助制造技术有机地结合在一起，它的一个典型特征是将普通加工工艺完全融入数控加工工艺中。数控加工工艺是数控编程的基础，高质量的数控加工程序，源于周密、细致的技术可行性分析、总体工艺规划和数控加工工艺设计。编程员接到一个零件或产品的数控编程任务，主要的工作包括根据零件或产品的设计图纸及相关技术文件进行数控加工工艺可行性分析，确定完成零件数控加工的加工方法；选择数控机床的类型和规格；确定加工坐标系、选择夹具及其辅助工具、选择刀具和刀具装夹系统，规划数控加工方案和工艺路线，划分加工区域、设计数控加工工序内容，编写数控程序，进行数控程序调试和实际加工验证，最后对所有的数控工艺文件进行完善、固化并存档等方面的内容。数控编程可以简单的理解成从零件的设计图开始，直到数控加工程序编制完成的整个过程。数控加工工艺是数控编程的核心，只有将数控加工工艺合理、科学地融入数控编程中，编程员才能编制出高质量和高水平的数控程序。数控编程也是逐步完善数控工艺的过程。普通加工工艺是数控加工工艺的基础和技术保障，由于数控加工采用计算机对机械加工过程进行自动化控制，使得数控加工工艺具有如下特点。1.数控加工工艺远比普通机械加工工艺复杂数控加工工艺要考虑加工零件的工艺性，加工零件的定位基准和装夹方式，也要选择刀具，制定工艺路线、切削方法及工艺参数等，而这些在常规工艺中均可以简化处理。因此，数控加工工艺比普通加工工艺要复杂得多，影响因素也多，因而有必要对数控编程的全过程进行综合分析、合理安排，然后整体完善。相同的数控加工任务，可以有多个数控工艺方案，既可以选择以加工部位作为主线安排工艺，也可以选择以加工刀具作为主线来安排工艺。数控加工工艺的多样化是数控加工工艺的一个特色，是与传统加工工艺的显著区别。2.数控加工工艺设计要有严密的条理性由于数控加工的自动化程度较高，相对而言，数控加工的自适应能力就较差。而且数控加工的影响因素较多，比较复杂，需要对数控加工的全过程深思熟虑，数控工艺设计必须具有很好的条理性，也就是说，数控加工工艺的设计过程必须周密、严谨，没有错误。3.数控加工工艺的继承性较好凡经过调试、校验和试切削过程验证的，并在数控加工实践中证明是好的数控加工工艺，都可以作为模板，供后续加工相类似零件调用，这样不仅节约时间，而且可以保证质量。作为模板本身在调用中也是一个不断修改完善的过程，可以达到逐步标准化、系列化的效果。因此，数控工艺具有非常好的继承性。4.数控加工工艺必须经过实际验证才能指导生产由于数控加工的自动化程度高，安全和质量是至关重要的。数控加工工艺必须经过验证后才能用于指导生产。在普通机械加工中，工艺员编写的工艺文件可以直接下到生产线用于指导生产，一般不需要上述的复杂过程。3如何加工多头螺纹？答：在加工多头螺纹中采用此方法不需要重新调整刀具或工件，并不需要分别切割每头螺纹。此刀具非常简单。即在刀杆上焊上一相应的螺纹梳刀，刀杆安装在车床上。例如一四头螺纹，其导程1/4英寸，因此其螺距是每英寸16牙(或1/16英寸)，采用一螺距为1/16英寸的螺纹梳刀，至少要有四个齿。将此梳刀铜焊在刀杆上，刀杆安装在车床刀架上，自然拖板进给要调整到0.25英寸/转，每切割一次，四头螺纹都各加工一次。这里用不着重新进行分度，加工时间为一般加工用时间的1/4。而且所有四头螺纹的光洁度和廓形都是一致的。用这种方法可以加工任何头数的内外螺纹。 4 复杂工件如何经济性加工？答：在一种机床上集成多种加工工艺，可以在一次加工过程中以较短的时间对复杂工件进行经济的加工。一种针对旋转对称型工件的集软、硬加工和激光加工于一身的Uni-Cen 504型车铣加工中心被开发出来。在通常情况下，机床都是作为专机针对性地被使用，在一种设备上也只采用一种制造工艺。但是，在供货期缩短和需求量萎缩的情况下，市场却要求部件越来越复杂，设备形式更加灵活。旋转对称型部件，特别在高要求下，往往需要在不同的设备上进行多个步骤的加工：软加工(车、铣、钻)、淬火/镀层、硬加工(车、铣)。使用专用设备会导致较长的加工时间和较大的物流开支。Uni-Cen504复合型模块化结构的机床在复合型机床的研发项目中，针对旋转对称型的复合机床被研发出来，它结合了多种工艺，并简化了加工环节。由于项目的各个合作方在相关领域里都具有很强的实力，因此该项目进展得很成功：A. Monforts Werkzeugmaschinen公司(机床)、Laserline公司(激光技术)、Precitec公司(传感技术)、Exapt公司(CAD/CAM耦合)、Fraunhofer IPT(激光集成、技术研究)、Sempell公司(仪器仪表制造)。这台集传统的软切削、激光加工(淬火、镀层和合金)和硬切削于一身的设备。在汉诺威EMO 2007展览会上展出，它的优点是显而易见的：加工过程(工具交换、传送和放置时间)得到缩短，费用(物流、设备使用负荷)均得到降低，而产品质量(整个流程自动进行)得到提高。复合型设备在供应期短和需对客户要求作出灵活反应的场合最适用：短期内对备品进行加工和样机制造。对齿轮的滚铣采用模块式的设计结构为了集成工艺而达到复合加工的目的，基于模块化的设计原则，新的Uni-Cen 504型车/铣中心被设计出来，它具有：(图13)(1)主轴和反转轴。(2)上部刀架作为可回旋的电动铣轴，在三个线性轴向上拥有自由度。(3)刀具更换器和刀具库。(4)下部刀架作为刀具转盘；尾架和后刀架。(5)各设有一个前探头，用于激光钢化和激光镀层处理。(6)电动铣轴在X、Y、Z和B轴向上均具备自由度，因此可以在任意的位置上做出精确的动作。激光加工的前探头由上部刀架(电动铣轴)的HSK支座支撑，从而针对激光加工作业，可以实现完全的自由度。为了增强在切削时的刚性，可对B轴进行加固和为电动铣轴配备刹车制动器。所有轴均可进行交叉抛光，这样可以对非常复杂的几何外形进行加工。机床设有一个碟形刀库，可通过所使用刀盘的数量来管理可刻度化的刀具的数量。刀具的数量最大可扩展到108件。NC刀具更换器从刀具库中向电动心轴装配刀具，并以快速档确保较短的转换时间。激光元件设置于工作间之外由于使用了光学元件，因此激光技术对切削技术的边缘条件非常敏感：切屑和冷却润滑剂。所以，在不受到外部影响的情况下，复合型机床的激光元件和敏感的能源装置均被设置于工作间之外。能源装置置于一个保护管内，该保护管同时还承接拉力载荷。该保护管的配置可以允许设备在各个运行方向上的自由度。在激光保护装置的安全设置上，考虑了在切削作业时避免设备操作受限的因素，激光安全盘在切削作业时可以被取下。为了在作业中避免人员受伤，设备控制系统中的激光防护装置的位置接受安全监控之下。在复合型机床上的切削和激光加工静态导向柱无滑动定位Monforts公司在复合型设备上配置了可靠的静态导向柱。这在设备进行硬加工时特别关键。无磨损、免维护的导向装置在工作中不做摩擦接触，滑动现象不会发生，因此在做很小运行动作时益处明显。行程增量即使只有1m，也不会发生滑动。纵向的滑靴移动非常平稳，因此在硬加工时可以获得极好的表面特性。钻孔与导向柱之间的薄油膜可以使设备达到很好的阻尼特性。在进行激光硬加工时，对轴区域局部受到负荷的部位(如轴承座、滑键槽或楔槽连接处)进行马氏体硬化处理，以降低磨损程度。与其他边缘镀层硬化工艺相比，这种方法的优点是能源投入的目标准确、消耗低，后续的二次加工量得到降低。通过有选择的硬处理过程，部件在其他部位上无需接受无谓的加工。为了在硬化处理中对激光光束进行导向，使用了一种扫描系统，这样即可与设备旋转的C轴一起实现可调的轨迹宽度。如果C轴静止不动，则可以通过扫描系统对工件的任意表面进行淬火处理。通过激光镀层，可以获得所需的各种不同的表面特性，对此需要用到低槠点的辅助材料，如针对耐磨损和耐腐蚀的防护处理。激光技术明显优于其他镀层工艺，几何外形也要精确许多。所需的辅助材料以条状的形式被放到工件上，并由激光进行熔化。这种形式的材料优于粉末材料，不会把粉尘带入到设备里，从而避免对设备元件和功能的不良影响。作为质量保证的一种装置，在镀层时也使用了一种激光传感器，以对镀层的精度进行检测。由于设备上集成了测量技术装备，因此在加工过程中所出现的次品可立即被识别，从而避免在后续的工位上额外产生无谓的费用。CAM系统的用户支持工艺的集成提高了设备的综合能力，也对NC编程和设备的操作人员提出了更高的要求。一般来说，操作人员只专于一种加工工艺，因此编程工作必须自动完成。为了达到良好的效果，采用了CAD/CAM耦合。这种设计工具可涵盖所有流程，并“从一个铸件”制定加工程序。5如何高效高速加工？答：提高生产率是机械制造领域的永恒课题，也是当前机械制造领域普遍关注的问题。高速加工是目前获得高生产率的重要手段，关键在于创造条件，迅速普及。机械制造领域当前发展的特点是：难切削材料的大量出现使加工难度明显增加；加工中也提出了许多需要迫切解决的课题，如硬切削；为了保护环境，要求少用或不用切削油剂，即实现干切削或半干切削。总之，机械制造面临许多难题，在这样的情况下，为了提高生产率，必须综合利用有关的一切技术进步。特别是航空航天工业系统，由于难加工材料多、结构复杂、研制周期短、单件小批量产品多的特点，如何提高生产率，缩短生产周期，一直是科技人员长期关注的重要问题，也是航空航天系统必须抓紧解决的问题。从另一方面看，当前科技发展迅速，如何将新的技术和工艺移植过来，十分迫切。值得注意的是，当今世界，科技发展迅速，极大地推动了机械制造各个方面的飞速发展，出现了提高生产率的多种方法和手段。众所周知，单晶天然金刚石刀具的研磨难度很大，一般采用高磷铸铁研磨盘，以金刚石粉末作磨料，效率极低。最近日本报道，采用低含碳量、低导热率的不锈钢304(日本的牌号)制造成圆盘，将金刚石压在4000r/min的回转盘上，温度控制在800，金刚石的去除率极高，达到0.94mm3/min，工作时不使用磨料，而是利用物理、化学的作用，被称为热化学加工，这是打破常规的方法；又如最近的快速成型(RP)，可以在没有模具的情况下成型，省去了模具制造的周期；电火花线切割的切割速度在国内的快走丝机床上可以达到70mm2/min，瑞士的AGIE公司的机床可以达到500mm2/min，而日本三菱电机的机床则可达到550mm2/min，达到了一般的铣削速度现在开展的高速磨削速度已经达到60、120ms，甚至到200m/s，在实验室已达到500m/s，而一般的磨削速度仅为3035m/s。高速磨削是高效磨削方法，其切深浅，走刀速度大；另外一种蠕动磨削与高速磨削刚好相反，切深大，走刀速度小，但都是高效磨削，只是切削用量不同，所以有人形象地比喻为“龟兔赛跑”，各有所长。1931年，德国的CarlSalomon提出了有名的预言：一般切削速度与切削热是同步增加的，但是经过一个切削不了的死谷后，切削速度即使增加；反而会出现切削热下降，今天，铝的切削速度已经达到了5000m/min，CarlSalomon的预言将被揭示。综上所述，都是以提高切削速度作为提高生产率的重要手段，当然这不是全部，尚有待开发。因为高速加工主要体现在铣削方面，所以下面就以机械加工中心为主进行介绍。机床发展是高效高速加工的前提条件当前由于机床制造技术的迅速发展，机械制造领域正在酝酿着巨大的变化。数控机床发展成多轴机械加工中心，集约各种工序为一体，明显地缩短了辅助时间，提高了生产率，同时减少了工件的装夹次数，提高了加工精度。综上所述，当前机床的发展目标应是：减少工序的更换，明显提高效率；趋向于工序集约，易于提高精度；使用复合刀具、球头立铣刀等先进工具，可提高每单位时间的切削量；走刀速度加快，切削效率提高；能减少铣削后的打光工序；切削工具、托板的自动交换，自动化程度高，辅助时间显著缩短；由于复杂零件容易加工，促进零件结构的改进等。从航空航天的角度看，普遍认为机床的这种发展，非常适合于单件小批量生产，所以迅速地、较多地在单件小批量生产系统中充实了这些装备，实践也表明了自动化的设备是符合航空航天系统制造技术发展的需要的。当然，从提高生产率的角度分析，除了自动化加工以外，仍然存在着如何更进一步、更合理地利用各种技术进步的问题。从机床的发展观察，机床主轴的高速化显著地提高了转速，高于10000r/min的机床已经比较普遍。轴承技术的进步，为此提供了可能。主轴的发展，最突出的是电主轴已经商品化。主轴的润滑技术十分关键，受到各方面的关注。多年来，从油脂润滑发展到油雾润滑、油气润滑、环下(under-race)润滑，甚至冷风润滑等。伴随着高速主轴的发展，油脂润滑已经不能适应，油雾润滑由于污染的原因使用也在减少，现在使用最为广泛的是油气润滑，更合理的是环下润滑，使关键的内环得到了更好的润滑。润滑性能的提高，使滚珠轴承也能承受70000r/min的高转速。美国原来在机床主轴上采用的是ABEC7级高精度轴承，现在已经发展到ABEC9级，说明轴承的精度提高是必须的。由于材料的发展，又出现了陶瓷滚珠，使得滚珠轴承的性能更加提高，这也是保证主轴高速化的需要。在提高主轴转速和精度方面，也有采用气浮静压轴承或者液浮静压轴承的，而磁力轴承则能达到更高的水平。几年前，美国J&L和Ingersoll公司推出了采用直线电机的高速机床，引起巨大的反响，在加大走刀速度方面起到了滚珠丝杠达不到的速度，但是当时因为成本太高，在具体的应用上，较多出现的是加大丝杠的螺距，增加头数，或者制造成中空的大直径丝杠，通以温控的水，保持适宜的温度。也有主张采用静压丝杠的，但是从性能上仍有比较大的差距，它最高可以达到加速度11.5g，而直线电机可以达到10g以上。后来由于直线电机制造技术的进步，其成本明显降低，应用明显增加。现在在电火花机床上也采用了直线电机，如日本的SODICK甚至采用3个直线电机。只有走刀的高速化，高速加工才能真正得到实现。当然，围绕高速加工仍有一系列的技术需要解决，例如，托板交换、工具交换的速度也要增大。德国的DIGMA、CHIRON、STAMA，日本的大隈，瑞土的MIKRON等公司都是世界上有名的高速机床制造商。CHIRON的小型机械加工中心的工具交换时间已经达到0.5s。同时也要求提高主轴的加减速度，使主轴能在极短的时间里停止或者达到最高速，现在已经可以达到2s左右。为了满足高效率加工的需要，机床的强度、刚度、稳定性、抗振性等都接受了挑战，所以从设计方面采用了CAD方法，预先打好基础；特别是在结构材料上有了比较明显的变化，出现了石质材料取代传统的铸铁和钢的方法，如采用花岗岩、陶瓷、人造花岗岩、人造大理石等。在超精密机床上还有采用零膨胀系数的微晶玻璃(德国称为Zerodur，日本称为玻璃陶瓷)的。近几十年来，机床为了适应生产率的发展要求，在结构材料方面发生了很大的变化，机床的性能有了长足的进步。我国较早研制成功人造花岗岩，在花岗岩的应用上已经有比较长的历史。德国DIGMA公司的高速机床结构材料就采用了复合聚合物混凝土，提高了机床的刚度，具有振动衰减性优越(为铸件的1/61/8)、低热变形(为铸件的1/251/40)的特点。近年来机床的发展日新月异，高速化、复合化、多功能化、高精度化的趋势比较明显，机械制造领域的主旋律则是提高生产率。例如DMG公司展示的激光铣削机械中心，将不同的工种集约在一台机床上；为了更好地解决排屑的问题，德国的EMAG公司研制了倒置机械加工中心；当前比较多的公司提供了5轴机械加工中心；特别是虚拟机床的出现，从机床的设计上发生了较大的变化，现在它依旧在发展之中。切削工具性能的提高为高效高速加工发展提供了可能性如果需要达到高效高速加工，切削工具是另外一个重要的因素。当前切削工具材料的发展，对加工的需要创造了比较好的条件，除了高速钢、硬质合金以外，陶瓷、金属陶瓷、超硬材料的发展起到了重要的作用。特别是陶瓷、超硬材料，对高效高速加工的发展提供了有力的支持。更值得提及的是，1955年美国GE公司用高温、高压合成超硬材料取得成功，促使切削领域发生了重大变化。在这个基础上，很快出现了PCD、PCBN，为难加工材料的切削、干切削、硬切削、超精密切削等的加工创造了条件。在切削加工的另一个方面，就是表面技术在切削工具上的应用，PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)不断推陈出新，由单层发展成多层、千层、复合涂层，现在又发展成纳米涂层；涂层的材料，从TiN发展为A12O3、TiC、ZrO2、等，根据加工的要求，为提高耐高温的性能，又发展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。为了减少摩擦力，采用软涂层，如沉积MoS2，又如德国Guehring公司采用的Molyglide，这种涂层就是以MoS2为主的，它能减少切削中的摩擦系数。当然这要根据被加工件的特点，分别地应用在所需的加工上。现在涂层技术又发展到了超硬涂层(类金刚石、金刚石、立方氮化硼)，更使切削加工的范围拓宽。特别值得提到的是薄膜涂层发展成为厚膜，它不同于天然金刚石，具有各向同性，现在已经在国内外得到应用，部分取代了天然金刚石。现在也已经解决了大颗粒单晶金刚石的合成技术，这些变化对我国的影响非常深远，我国已经是世界合成金刚石产量最多的国家，这有利于我国发展高效加工技术。为了适应高效高速加工，辅助工具也是十分重要的手段，例如原来的组合夹具在机械加工中心的应用中，为了提高其强度，已经从槽系发展成为孔系。目前比较典型的是EROWA和3R组合工具的应用，已经从电加工，发展到机械加工中心上，不仅加快了节奏，更重要的是达到了高精度，这些工具从原来的模具电加工发展到了切削加工领域。在带柄的切削工具方面所需的刀柄，也在配合高效率、高精度切削加工的过程中发展了新型的结构，例如液压的、塑料的，现在又广泛采用热装的刀柄，其夹紧的精度明显提高，达到23m。现在这种装置已经成熟，例如德国的ZOLLER公司已经将这样的装置直接安装在对刀仪上，说明此项技术又向前推进了一步。工具的进步为高效加工提供了有力的支持。为高效高速加工的实现创造条件众所周知，航空航天工业从产量的角度看属于多品种小批量生产，因此认为与自动化加工关系比较少，往往不采用自动化的装备。自从NC机床出现以后，特别是各种机械加工中心诞生后，人们的观念开始发生微妙的变化。自从引进为数不少的机械加工中心以后，经过一二十年的实践，小批量零件的加工自动化不仅发挥了重要的作用，而且在周期、质量上都有明显的提高，工装的数量也显著减少，特别在工序多、周期长、结构复杂的箱体零件的加工方面，更显示出中心的优越性。值得考虑的一个问题是怎样利用高速加工为高效加工服务。最近，在世界各大展览会上展示的设备更多强调的是高效率，在这个基础上，又强调利用高速加工，也就是说，要综合利用技术的进步。展示的机械加工中心大部分主轴的转速为20000r/min左右。这也许就是当前的主旋律高效高速加工。为了实现高效高速加工，必须考虑到各个方面，例如机床、工具的合理选择；切削用量的恰当使用；高速主轴保养；安全防护及切屑的及时清理等。在这些方面，还需要进一步探讨。以机床为例，应当采用高速、大功率的主轴；机床有足够刚度、强度；刀柄必须选择与机床主轴的锥体和端面接触，以防止在高速回转时松动；在防护方面，必须防止切屑的飞溅；切削油剂必须能注入到切削点上，特别在高速磨削时，为了防止工件烧伤，喷嘴的设计特别重要，日本明治大学的横川和彦发表了许多意见，值得参考；由于高速切削的切屑量大，所以切屑必须及时地排除等。以切削工具为例，当前涂层发展非常快，针对加工的对象选择是必要的；为了提高加工表面的质量，采用球头铣刀是合适的，由于其中心的切削速度为零，所以使用时可将立铣刀倾斜一个角度为了改善立铣刀引起的铣削颤振，采用带圆角铣刀，这是最近的发展趋势；为了改善冷却效果采用带油孔的工具；为了防止立铣刀的振动，将刀槽作成不等分或者不同的螺旋槽；在高速切削时，铣刀刀盘采用铝合金，切断刀的刀把往往强度差，所以日本住友公司提出采用硬质合金，为了解决切屑的处理，采用合适的断屑刀片；在加工深孔时候，采用新型刀槽钻头，如Geuhring公司RT系列的钻头，其芯厚加大，提高了刚度，容屑槽加宽，切屑易于排出，所以有利于深孔加工；在机械加工中心上，必须采用数控刀具，这个认识是一致的，但是价格提高了。现在复合刀具的大量出现，不仅可以提高效率，而且减少了刀具的件数，ISCAR的车刀是最典型的。切削工具的复合化明显减少了换刀的次数和时间，机床的刀库变小，也必然提高了效率。从目前情况看，有的单位已引进数千台的新型自动化机床，但是主轴转速大于10000r/min的很少，其原因是，对高速加工存在一种疑虑。根据德国DMG公司的介绍，该公司提供的高速主轴的寿命是2年，关键是如何合理应用的问题。在探讨引进设备的时候，几乎都希望引进高速的设备，这也反映出技术人员的心态。Mikron公司认为高性能切削现在没有严格的定义，然而，在实际应用中，虽然高速切削与高性能切削这两种铣削方法都属于高性能切削工艺的范畴之内，但高速切削在大多数情况下，与高性能切削有着明显的不同。高速切削只是高性能切削的一个方面而已，而高性能切削关注的另一个要素则是金属去除率，这是我们引进设备时需要考虑的问题。6难加工材料切削刀片如何正确选用？答：目前，各种难加工材料如淬硬钢、超硬烧结金属、耐热超级合金、双金属材料等已日益广泛地应用于工业零件的制造。虽然用此类材料制造的零件可获得优异的使用性能，但同时也带来了一个难题：如何以合理的每件加工成本实现零件的最终成形加工。值得庆幸的是，如今刀具供应商已成功开发出了各种用于铣削、车削加工难加工材料的新型切削刀片，如涂层硬质合金刀片、金属陶瓷刀片、CBN刀片、PCD刀片等。这些新型材料刀片采用了特殊的几何形状和表面涂层，具有优异的耐磨损性能，并可承受加工过程中的机械冲击和热冲击。但是，如何在生产中合理、有效地使用这些切削刀片，还需要与掌握专业知识的刀具供应商密切配合。由于切削刀片的成本相对较低(一般硬质合金刀片的成本仅占加工总成本的3%，CBN刀片占加工总成本的5%6%)，因此，为节约加工成本而一味选用较便宜的刀片实际上可能并不划算。新型材料刀片虽然价格较贵，但可以缩短加工时间，延长刀具寿命，提高产品质量，因此可能具有更好的经济性。另一方面，脱离实际加工需要而盲目选用新型材料刀片，也可能增大加工成本(CBN刀片的价格可达硬质合金刀片的810倍)。此外，使用新型材料刀片时，如采用不正确的切削速度和进给率，也会影响工件加工质量和刀具使用寿命。因此，选用难加工材料切削刀片时需要正确评估加工的经济性和综合考虑整个加工工艺过程。CBN刀片经过了强化和钝化处理，在切削硬度50HRC的工件材料时可有效避免崩刃现象加工经济性的综合权衡选择切削刀片时，需要对整个加工任务进行评估。在可以满足工件尺寸精度和表面光洁度要求，并考虑了加工时间和刀片更换的前提下，选用价格相对较低的硬质合金刀片可以实现较好的加工经济性。通过准确了解和综合权衡生产批量、加工时间和刀片性能，就能合理选用切削刀片，达到提高生产率的加工效果。以铣削加工材质为烧结碳化钛的燃气涡轮机叶片为例，当工件批量较小时，选用涂层硬质合金刀片也可获得较好的加工效果。在35m/min的切削速度下，硬质合金刀片的切削刃寿命仅为510分钟，而大批量加工难加工材料工件的合理刀片寿命一般要求达到1530分钟。在小批量加工中，较短的刀片寿命和较频繁的更换刀片对生产率的影响并不明显；但在大批量满负荷加工中，较长的刀片寿命对于减少换刀辅助时间、降低劳动强度、提高机床利用率和生产能力则具有至关重要的意义。因此，当涡轮机叶片的加工批量较大时，选用硬度更高、价格较贵的CBN刀片可能更为合理。为了充分发挥先进材料刀片的切削性能，还需要选用正确的进给率和切削速度。以Sandvik Coromant公司的CBN刀片为例，该刀片的切削刃经过了强化和钝化处理，在切削硬度50HRC的工件材料时可有效避免崩刃现象。尽管CBN刀片韧性极佳，但对切削参数的选取仍十分严格，如所选切削速度高于或低于理想值的10%，则可能大大降低刀片的切削性能。为了实施难加工材料的切削加工，可考虑向专业刀具供应商寻求技术支持，刀具供应商可基于其它相同的加工实例提供合理的解决方案。在需要进行切削试验时，通常可采用试错(trial-and-error)方式，即首先用硬质合金刀片进行切削，然后换用新型材料刀片进行对比切削，比较不同刀片的加工效果。采用先进的刀片形状、高刚性刀柄和优化加工程序，通常可使价格较低的硬质合金刀片适合于难加工材料的切削。是否需要换用新型材料刀片，则应根据具体的加工任务及加工条件而定。对于同一大类的难加工材料，通常在切削刀片的选用上具有一定共性。淬硬钢的切削加工目前，许多合金钢工件对硬度的要求越来越高。过去，工具钢的应用硬度通常为45HRC，而现在模具工业使用的工具钢已普遍要求淬硬到63HRC。为了避免热处理变形，需要对一些过去只能在热处理之前进行切削加工的模具实施完全淬硬状态下的精密铣削加工。在铣削完全淬硬钢时，产生的切削热和切削压力可能引起切削刀片的塑性变形并使刀片迅速失效。如铣削硬度为60HRC的淬硬钢(材料中的碳化物颗粒硬度可达90HRC)时，普通的涂层硬质合金刀片将发生后刀面快速磨损。铣削硬度为60HRC的淬硬钢(材料中的碳化物颗粒硬度可达90HRC)时，普通的涂层硬质合金刀片将发生后刀面快速磨损虽然淬硬钢不易切削，但采用硬质合金刀片仍可实现对完全淬硬钢工件的经济性加工。以航空零部件的加工为例，某大型飞机制造企业用Sandvik公司的GC1025硬质合金刀片替换原来使用的金属陶瓷刀片后，成功完成了对材料为淬硬的3000M钢(4340变质处理)的大尺寸锻件的二次孔加工。被加工孔的大部分加工余量已在热处理之前(材料硬度3032HRC)切除，但为了修正热处理变形，这种大尺寸工件上的精密孔必须在工件完全淬硬后(硬度达5455HRC)进行二次切削加工。由于被加工孔位于工件深处，特殊的工件形貌使加工相当困难，因此需要经过三次走刀切削才能达到要求的尺寸精度和表面光洁度。高硬度的材料加上断续切削方式，使原来使用的金属陶瓷刀片还未完成一次走刀其切削刃即崩损失效，而崩坏的刀片可能造成工件报废的危险。换用经PVD涂层的细颗粒硬质合金刀片后，刀具的韧性和锋锐性显著提高，可以顺利完成69次走刀切削。换用硬质合金刀片后，刀具供应商推荐将切削速度从原来的90m/min降低到53m/min，但切削深度保持不变。切削速度降低后，硬质合金刀片完成对孔的三次走刀切削需时约20分钟，而原来使用金属陶瓷刀具加工则需要一个多小时。更为重要的是增强了硬质合金刀片切削刃的安全性，大大减少了因刀具崩刃导致昂贵工件报废的危险。为了获得硬质合金刀片铣削淬硬钢的合理切削参数，可进行刀具切削试验。试切时，切削速度的选取通常可从30m/min起，直至增加到4555m/min；进给率通常为0.0750.1mm/每齿。一般来说，采用零前角或小负前角的刀片形状比采用正前角的刀片形状强度更高。加工淬硬钢时，采用圆形硬质合金刀片也较为有利，因为圆形刀片强度较高，且外形圆钝的切削刃不易发生破损。选择硬质合金刀片牌号时，可考虑选用高韧性牌号。此类牌号刀片的切削刃安全性较好，可承受切削淬硬钢时较大的径向切削力和剧烈的切入、切出冲击。此外，特殊设计的高温硬质合金牌号可以承受切削淬硬钢(HRC60)时产生的大量切削热。带氧化铝涂层的抗冲击硬质合金刀片也能抗击铣削淬硬钢时产生的高温。粉末合金的切削加工随着粉末冶金技术的不断发展，应用于不同领域的各种超硬烧结金属(粉末合金)材料层出不穷。如某制造商开发了一种包含碳化钨(WC)或碳化钛(TiC)颗粒的复合型粉末镍合金，其硬度达到5360HRC，镍合金基体中的碳化物颗粒硬度可达90HRC。铣削加工这种材料时，涂层硬质合金刀片很快会发生后刀面磨损，主切削刃被磨损为扁平状；材料微观结构中存在的超硬颗粒会引起“微振颤”，导致刀片加速磨损；切削工件时产生的剪切应力还可能造成硬质合金刀片碎裂。采用CBN刀片则可较好解决含碳化钨和碳化钛颗粒的硬质粉末合金材料的切削加工问题。改进的刀片几何形状可以有效克服“微振颤”现象。某用户铣削加工复合型粉末合金工件时发现，新型CBN刀片的加工寿命比最好的硬质合金刀片提高了2000倍以上。切削试验表明，用安装了5个CBN刀片的面铣刀切削加工硬质粉末合金材料(切削速度60m/min，进给率0.18mm/每刃)，其加工效率可比放电加工(线切割)提高75%。为了充分发挥CBN刀片的最佳性能，必须将切削参数严格控制在合理范围内。虽然50m/min左右的切削速度和0.10.15mm/每齿的进给率显得并不高，但在加工粉末合金材料时却能获得很高的生产率。通过3060秒钟的试切，可以准确地确定最佳切削参数。试切时，可从低速切削开始，逐渐增大切削速度，直至刀片切削刃出现过度磨损为止。加工难加工材料时，为了使刀片切削刃温度保持恒定，一般应采用干式切削。在大多数情况下，具有双负角几何形状的圆形刀具加工效果最好，且切削深度通常应控制在12mm。铣削属于断续切削。加工时，硬度达60HRC或更高的工件材料对刀具持续不断的冲击将造成巨大的加工应力。因此，为了在铣削加工中提供足够高的抗冲击能力，要求加工机床和工具系统必须具有最高的刚性、最小的悬伸长度和最大的强度。耐热超级合金的切削加工为航空航天工业开发的耐热超级合金(HRSAs)现在正越来越广泛地应用于汽车、医疗、半导体、发电设备等行业。除了常见的耐热超级合金牌号(如Inconel 718/625、Waspalloy、6A14V钛合金等)以外，现在又开发出了多种新型钛基合金和铝/镁基合金牌号。所有的耐热超级合金均属于难加工材料范畴。超级合金的硬度很高，某些钛合金牌号的加工硬度达到330HB。对于普通合金而言，当切削区温度高于1100时，材料中的分子结合链就会发生软化，并出现有利于成屑的流动区。反之，耐热超级合金优良的抗高温性能使其在切削加工全过程中均保持高硬度。耐热超级合金被切削时还具有冷作硬化倾向，很容易造成切削刀片过早崩刃失效。切削时，工件的被切表面会生成耐磨的冷硬鳞屑层，使刀片切削刃快速磨损。加工淬硬钢时，采用圆形硬质合金刀片也较为有利，因为圆形强度较高，切削刃不易发生破损鉴于超级合金的难加工特性，加工时通常采用较低的切削速度。例如，用Sandvik GC2040牌号硬质合金刀片铣削超级合金Inconel 718材质刹车键的切削速度为60m/min；用Sandvik 7020 CBN刀片对Inconel 718进行外圆/端面车削的切削速度为80m/min。与此对比，用未涂层硬质合金刀片切削工具钢的切削速度一般可达120240m/min。切削超级合金时的进给量通常与切削工具钢的进给量相当。加工超级合金时，切削刀片的选择主要取决于被加工材料和工件类型。为了提高加工效率，加工薄壁工件时可选用具有正前角切削刃的硬质合金刀片，而加工厚壁工件时则需要选用具有负前角切削刃的陶瓷刀片，以增强刀片切削时的“耕犁”作用。对于大多数难加工材料，应首选干式切削，以保持刀片切削刃温度恒定。但在加工钛合金时，即使切削速度很低，也必须使用冷却液。由于耐热超级合金在切削过程中始终保持高硬度，因此会加速切削刀片端部倒圆的磨损。采用切削刃圆钝的圆形刀片可大大提高切削刃的强度，但超级合金的冷作硬化倾向会导致刀片崩刃现象加剧。通过在连续多次走刀时改变切削深度，可使刀片避开工件表面形成的冷作硬化层，从而减少刀片崩刃，延长切削刃的工作寿命。一次走刀的切深变化量可为7.6mm，后序切削的切深变化量可为3.2mm和2.5mm。双金属材料的切削加工双金属材料的构成是将较硬的材料置于选定的易磨损部位，然后在周围环绕(或混合)其它较软的合金材料。双金属材料在汽车工业及其它行业的应用越来越广泛，同时也带来了特殊的加工难题。CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金，但在切削双金属材料中的软合金时却可能发生碎裂。PCD刀片能够切削加工耐磨铝合金，但在切削铁族金属材料时则容易发生过度磨损。为了实现双金属材料的高效加工，需要用户、刀具供应商和机床制造商共同开发精确的切削加工程序。例如，某种双金属材料是将高硬度的复合型粉末合金通过热均衡压制工艺嵌入价格便宜的316不锈钢基体中制成。加工时，需要编制螺旋插补刀轨程序并输入机床控制系统，以优化的进给量和切削速度首先加工粉末合金材料部位，然后再加工基体部分。为了高效加工由铝合金和铸铁气缸垫组合构成的双金属气缸体，汽车制造商必须同时克服铝合金的耐磨性和铸铁的高硬度。由于较硬的铸铁气缸垫(易磨损部位)与较软的铝合金缸体难以隔离，因此不宜采用分别加工方式。但是，通过合理编制机床加工程序，采用极低的切削速度和极小的切削深度，可使耐磨损PCD刀片能够同时加工铝合金和铸铁两种材料，从而避免了在加工过程中频繁换刀。7复合材料的常规机械加工方法？答：一、锯切玻璃纤维增强热固性基体层压板，采用手锯或圆锯切割。热塑性复合材料采用带锯和圆锯等常用工具时要加冷却剂。石墨环氧复合材料最好用镶有硬质合金的刀具切割。锯切时控制锯子力度对保证锯面质量至关重要。虽然锯切温度也是一种要控制的因素，但一般影响不大，因锯切时碰到的最高温度一般不会超过环氧树脂的软化温度(182)。金属基复合材料可用镶有金刚石的线锯锯切，不过其切割速度较慢，而且只能作直线锯切。采用金刚石砂轮对陶瓷基复合材料进行常规锯切，可有两种速度：一种是250r/min，另一种是4000r/min。这种锯切会使切割面的陶瓷基复合材料有相当大的损坏。不过在较高锯切速度时，损坏虽大，但断面较为均匀。二、钻孔和仿形铣在复合材料上钻孔或作仿形铣时，一般采用干法。大多数热固性复合材料层合板经钻孔和仿形铣后会产生收缩，因此精加工时要考虑一定的余量，即钻头或仿形铣刀尺寸要略大于孔径尺寸，并用碳化钨或金刚石钻头或仿形铣刀。钻孔时最好用垫板垫好，以免边缘分层和外层撕裂。另外钻头必须保持锋利，必须采用快速除去钻屑和使工件温升最小的工艺。热塑性复合材料钻孔时，更要避免过热和钻屑的堆积，为此钻头应有特定螺旋角，有宽而光滑的退屑槽，钻头锥尖要用特殊材料制造。一般钻头刃磨后的螺旋角约为10-15，后角为9-20，钻头锥角为60-120。采用的钻速不仅与被钻材料有关，而且还与钻孔大小和钻孔深度有关。一般手电钻转速为900r/min时效果最佳，而固定式风钻则在转速为2100r/min和进给量为1.3mm/s时效果最佳。三、铣削、切割、车削和磨削聚合物基复合材料用常规普通车床或台式车床就可方便地进行车削、镗削和切割。目前加工刀具常用高速钢、碳化钨和金刚石刀头。采用砂磨或磨削可加工出高精度的聚合物基复合材料零部件。最常用的是粒度为30-240的砂带或鼓式砂轮机。大多数市售商用磨料均可使用，但最好采用合成树脂粘接的碳化硅磨料。热塑性聚合物基复合材料用常规机械打磨时，要加冷却剂，以防磨料阻塞。磨削有两种机械可用，一种是湿法砂带磨床，另一种是干法或湿法研磨盘。使用碳化硅或氧化铝砂轮研磨时不要用流动冷却剂，以防工件变软。复合材料层合板采用一般工艺就能在标准机床上铣削。黄铜铣刀、高速钢铣刀、碳化钨铣刀和金刚石铣刀均可使用。铣刀后角必须磨成7-12，铣削刃要锋利。高速钢铣刀的铣削速度建议采用180-300m/min，进刀量采用0.05-0.13mm/r，采用风冷。热塑性复合材料可以用金属加工车床和铣床加工。高速钢刀具只要保持锋利，就能有效使用。当然采用碳化钨或金刚石刀具效果更好。金属基复合材料一般用切割、车削、铣削和磨削就可加工。对大多数金属基复合材料而言，获得优良机加工产品的前提是刀具要锋利、切削速度要适当、要供给充足冷却液或润滑剂和进给速度要快。8高速切削技术有何特点？答：高速切削针对不同金属材料的工件，当切削速度到达某一特定值时，切削温度不但不会升高反而会降低，产品的质量也会改善，生产效率也会大幅度提高。高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的510倍，铝合金1 5005 500m/min；铜合金9005 000m/min；钛合金1001 000m/min；铸铁7504 500m/min；钢600800m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为225m/min。高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：1.可提高生产效率高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高510倍，单位时间材料切除率可提高36倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。2.降低了切削力由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。3.提高了加工质量因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。4.加工能耗低，节省制造资源由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。5.简化了加工工艺流程常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。由于高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料和切削工时，从而可