数控高速加工关键技术研究.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 航空制造工程学院 创新能力综合训练 研 究 报 告题 目： 数控高速加工关键技术研究 所属课题： 数控加工关键技术的研究 学 院： 航空制造工程学院 专业名称： 机械设计制造及自动化 班级学号： 1 1 0 3 1 3 4 3 学生姓名： 郭 成 彬 合 作 者： 李 敏 张 飞 指导教师： 罗 海 泉 二O一四年六月 此文档仅供学习与交流 数控高速加工关键技术的研究 学生姓名：郭成彬 班级：110313 指导老师：罗海泉摘要：阐述了高速数控加工技术的相关概念、特点及应用,分析了数控高速加工中的关键技术及在加工过程中出现的问题的解决方法。高速加工技术在90年代以后已经成为现代数控加工技术的重要发展方向。其优势是保证了高速加工的精度，同时又提高了加工的速度和加工效率。高速加工技术不仅涉及到高速切削加工工艺及高速切削机理，而且包括高速切削所用刀具、机床以及机床检测等诸多因素。许多高级的制造业对这项技术都非常急需。目前，高速加工技术已经有了很广阔的前景，并且也已经具备了一定的发展条件。因此我的研究内容将着重介绍数控高速加工各相关技术的动态及要求，并对高速加工技术的应用前景进行了展望。关键词：数控机床；数控高速加工技术；应用研究；发展前景主要创新点 （1） 直线电机的尝试性使用 （2）高速控制系统的研发 （3） 干切削加工方式的使用 （4）高速加工监测技术的应用 目 录1 引言1.1数控技术简介.31.2数控高速加工的发展现状 .31.3数控高速加工原理 .31.4数控高速加工优势.41.5数控高速加工的意义.52 实现高速数控加工的关键技术2.1 高速主轴单元.52.2快速加工进给系统.62.3 高速切削刀具技术.82.4 高速数控加工工艺规划.92.5 数控高速加工的编程策略.92.6 高速控制系统 .102.7 高速加工监测技术.112.8 高速机床的床身、立柱和工作台.113 数控高速加工过程中关键问题的解决3.1高速电主轴的热稳定性问题.123.2冷却液的合理使用.123.3干式切削方式的采用.123.4直线电机的注意事项.134 结束语.145 参考文献.151 引言1.1数控技术简介 数字控制技术(简称数控技术)是指人依靠数字指令来完成对机器动作的控制。我们平常所说的数控系统是指采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能,能够适应产品频繁改型的“柔性”数字控制系统,简称CNC(ComputerNumericalControl)。随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，为适应市场的需求，数控系统的发展已经经历了六代。自1952年第一台三坐标数控铣床在美国问世后，数控系统经历了从传统的专用计算机硬件逻辑控制、计算机直接控制、微型计算机控制到开放式数控。目前研究已经超越了开放式数控的内涵，数控系统正向着高速化、智能化、网络化的方向发展。数控技术在全世界范围内得到了大规模的应用和发展,数控技术研究已经涉及到了高速数控加工的领域,高速加工正成为数控加工领域中的一个主要发展方向。高速加工(High Speed Machining，HSM)是20世纪数控技术之后的又一次革命性的技术发展。1.2数控高速加工的发展现状 近十年来，在经济全球化的推动下，发达国家的制造业向中国转移的速度空前加快，我国的制造业得到了高速发展。随着外资的大规模进入，对我国本土制造业的现代化产生了重要的推动作用。在强劲需求的带动下，我国汽车工业、航空航天工业、造船工业和通用机械工业等纷纷加大了引进国外技术和装备的规模和速度。尤其是在汽车工业，高速加工中心的加工效率已足以取代组合机床，成为柔性生产线的主力加工设备，从而有力地推动了大批量生产的柔性化；用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和模具其他部位的机械加工，高速切削加工技术的应用大大缩短了各类模具的开发周期。我国传统的机床工具技术和装备，已经不能满足现代制造业“优质、高效、节能、低耗和环保”的新需求了。我国制造业高速发展的强劲态势和切削加工技术的相对落后，切削加工技术成为了我国机械制造业高速发展的瓶颈。因此，必须分析当前的现状，提出相应的对策，才能适应新的形势。1.3数控高速加工原理高速加工(HSM)是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。它于1931年由德国物理学家萨罗蒙率先提出，他认为:一定的工作材料应该对应有一个临界切削速度,其切削温度最高。图1为高速切削区域示意图,在常规切削范围内,切削温度随着切削速度的增大而提高,这是人们平常所熟知的。当切削速度到达临界切削速度后,切削速度再增大,切削温度不再升高反而会下降,同时,切削力也会大幅度下降。如果能越过B区,而在具有较高速度的高速区进行切削加工,则不但有可能仅仅依靠现有的刀具就能进行超高速切削,从而达到大幅度减少切削时间、成倍提高机床生产效率的目的,而且还将会给切削过程带来一系列的优良特性。 图1 高速切削区域示意图20世纪60年代以后，美国科技界和工业界在高速加工的机理研究和应用方面做了许多研究。20世纪80年代高速加工进入实用化阶段后，在美、德、日等西方发达国家得到了普及和应用，并迅速开创了高速加工时代。近几年高速加工也在国内制造业中得到了响应，已受到越来越多国内企业的青睐和重视。高速切削加工技术是高速加工系统中的一个子系统，是指刀刃相对于零件表面的切削运动(移动)速度超过普通切削510倍，主要体现在刀具快进、工作及快退3个环节上。 1.4数控高速加工优势在高速加工过程中，能使被加工塑性金属材料在切除中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。主要应用领域是大 批 量 生 产 领 域、薄 壁 零 件 加 工 领 域、难 加 工 材 料 领 域、超精密微细加工领域。它的基本特征是切削速度高(为常规切削速度的5一10倍)，进给速度快(40180 mmin)，加减速度大(129)。1.5数控高速加工的意义高速加工(HSC)技术将成为提高生产效率、加工质量、加工精度和缩短生产周期及降低加工成本的重要手段，是制造工业史上继数控加工之后的又一项重大创新，在技术上起着领军作用，促进和带动了一系列相关技术的发展，如高速电主轴+直线进给直接驱动+高性能数控+高动态机床结构和高速切削刀具系统等，为产品占领市场份额奠定坚实的基础。为推动我国高速加工的发展将对其机理及关键技术予以介绍。2实现高速数控加工的关键技术高速机床是实现高速切削加工的关键和前提。高速数控加工的性能主要取决于它的高速主轴单元、高速进给驱动系统、高速刀具系统、高速控制系统以及高速加工测试技术等，以下就各关键技术进行论述。2.1高速主轴单元高速主轴单元是高速切削机床最重要的部件,也是实现高速和超高速加工的最关键技术之一。要求其动平衡性高、刚性好、回转精度高、有良好的热稳定性、能传递足够的力矩和功率、能承受高的离心力、带有准确的测温装置和高效的冷却装置。目前主轴转速在10 00020 000r/min的加工中心越来越普及，转速高达100 000r/min、200 000r/min、250 000r/min的实用高速主轴也正在研制开发当中。高速主轴单元的类型主要有电主轴和气动主轴。气动主轴目前主要是应用于精密加工,功率较小,其最高转速150000r/min,输出功率仅30kW,应用范围较小。高速电主轴在结构上全部采用交流伺服电机直接驱动的集成化结构,取消齿轮变速机构,并配备有强力的冷却和润滑设计。集成电机主轴的特点是振动小、噪声低、结构紧凑。集成主轴有两种构成方式:一种是通过联轴器把电机与主轴直接连接,另一种则是把电机转子与主轴做成一体。这种电机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”,具有结构紧凑、易于平衡、传动效率高等特点,其主轴转速可达每分钟几万转到几十万转,正在逐渐向高速大功率方向发展。由于主轴转速极高，主轴零件在离心力作用下产生震动和变形，高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和变形，所以要进行严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求：（1）高转速和高转速范围；（2）足够的刚性和较高的回转角度；（3）良好的热稳定性；（4）先进的润滑和冷却系统；（5）可靠地主轴检测系统。2.2快速加工进给系统高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。目前高速切削进给速度以高达50m/min120m/min，要实现并准确控制这样的进给速度队机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构提出了新要求。而且，由于机床上直线运动行程一般较短，高速加工机床必须实现较高的进给加减速才行。 在高速机床中机床主轴转速n可以表示为:n=v/d。式中:v铣刀的线速度,mm/min;d铣刀的直径,mm。机床进给速度vt可以表示为:vt=apZn。式中:ap铣刀每一刀齿在一转中所切削的厚度,mm;Z铣刀的齿数。由上述关系可知,在选定了刀具和切削用量的情况下,进给速度vt与机床主轴转速n成正比。这就要求进给系统要有与主轴高转速相对应的高速进给运动,否则,不但无法发挥高速切削的优势,还会使刀具处于恶劣的工作条件下。CNC的高速性能通常情况下是以CNC连续执行进给量为1mm的三维插补程序段所能达到的实际进给速度作为衡量指标,在同样的分辨率下,这一值越大,CNC的高速性能也就越好。同时,进给系统还需有较大的加速度保证在最短的时间和行程内达到一定的高速度,才能根据不同的曲率半径在最短的时间内不断地调整进给速度以加工出高精度的复杂曲面轮廓。为了适应进给高速化的要求，目前在高速加工机床上主要采用如下措施：（1）采用新型直线滚动导轨，其导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右，且“爬行”现象可大大减少；（2）高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠，其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加速度。这种方法是在提高进给伺服电机转速的同时,采用大导程的滚珠丝杠副,可使进给速度达到40m/min90m/min。目前,国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副,日本马扎克公司在FF660机床上使用滚珠丝杠副,机床快速移动速度达到了90m/min,加速度达到1.59.8m/s2。（3）高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，高速机床也已开始采用全数字交流伺服电机和控制技术；（4）为了减少工作台重量又不损失刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;（5）采用直线电机进给驱动系统。直线电机则是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，使得初级的封闭磁场变为开放磁场，旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场成为行波磁场。当次级固定不动时，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动，即可实现高速机床的直线电机驱动的进给方式。把直线电机的初级和次级分别安装在高速机床的工作台与床身上，由于这种进给传动方式的传动链缩短为0，因此称为机床进给系统的“零传动”。虽然高速滚珠丝杠副传动系统可在一定程度上满足高速机床的要求,但存在制造困难、速度和加速度的增加限制较大、进给行程短(一般不能超过4m6m)和全封闭时系统不稳定等缺陷。采用直线电机技术替代滚珠丝杠副应用于数控伺服系统中,消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题，提高了定位精度，减少了传动摩擦力，几乎没有反向间隙，简化了系统结构，具有高加、减速特性、单位面积推力大、易实现高速直线运动乃至平面运动、机械机构不需要维护等明显有点。1993年,德国Ex-Cell-O公司首先将直线电机用于机床上,把电机动件直接与机床工作台相连(见图2),从而消除了一切中间传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,实现了“零传动”;把以往用滚珠丝杠进行直线驱动最高只能达到0.19.8m/s2的加速度提高到19.8m/s2以上。加速度的提高可以将对盲孔加工、任意曲线曲面加工的效率大大提高。 图2直线直接驱动系统 1无间隙滚动导轨系统; 2定子部分; 3动子部分; 4直线位置、运动测量系统无铁芯电机的线圈内部不存在铁芯，线圈继续在双磁路中间运行，典型形状如图1.无齿槽效应，容易实现更安定的运动，实现更高精度2. 体积小重量轻，易实现高速度运行（6）直线电机在数控机床中的应用实例-活塞车削数控系统采用直线电机的直线运动机构由于具有响应快、精度高的特点，已成功地应用于异型截面工件的CNC车削和磨削加工中。针对产量最大的非圆截面零件，国防科学技术大学非圆切削研究中心开发了基于直线电机的高频响大行程数控进给单元。当用于数控活塞机床时，工作台尺寸为600mm320mm，行程100mm，最大推力为160N，最大加速度可达13g。由于直线电机动子和工作台已固定在一起，所以只能采用闭环控制，图2所示为该单元的控制系统简图。 图2直线电机位置控制器的原理框图这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。采用高精度光栅尺作为位置检测元件。定位精度取决于光栅的分辨率，系统的机械误差可以由反馈消除，获得较高的精度。2.3高速切削刀具技术（1）刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，抗冲击、耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有涂层硬质合金、陶瓷、立方体氮化硼(CBN)和聚晶金刚石刀具材料。（2）高速切削刀具结构。在机床主轴一夹头一刀具系统中，刀具和夹具的不对称形状、系统构件的连接间隙和夹紧的不精确、主轴的圆跳动和磨损、主轴刀具拉紧机构中拉杆一碟形弹簧的偏移、冷却润滑液的影响等都会造成刀具系统的不平衡。在高速加工过程中，刀具的一点点不平衡都会产生较大的离心力，离心力在高速切削中会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除损伤工件外，对操作者和机床也会带来危险。因此，高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。针对这种情况，需采取以下措施：(1)制定动平衡标准。目前已有国际标准IS01940规定了动平衡的技术指标，各厂家可以根据国际标准和工厂实际情况指定相应的产品的动平衡标准。(2)对刀具系统进行动平衡，对刀具、夹头和主轴进行动平衡。(3)对夹头连同刀具整体进行一次动平衡。(4)刀具系统装夹到主轴上是会因夹紧产生误差，对于高速加工应采用自动平衡系统，实现在线动平衡。美国肯纳金属公司所开发的TABS(动态动平衡全自动调整系统)可安装在机床上，当刀具在动态高速旋转时，2s内可实现对刀具的动态动平衡全自动调整，有效地解决了高速加工中刀具系统动平衡快速调整的问题。 （3）高速切削刀柄结构。刀柄结构要求具有很高的几何精度和装夹重复精度、很高的装夹刚度和高速运转时的完全可靠性。在安装刀具时,要使刀轴连接具有良好的高速性能,最佳途径是将原来仅靠锥面连接定位改为锥面与端面同时接触定位。目前最有代表性的是德国的HSK刀柄和美国的KM刀柄。2.4高速数控加工工艺规划 高速切削加工工艺是高速加工的关键技术之一， 不仅提高了对机床，夹具，刀具，刀柄的要求，同时也 要求改进刀具路径策略，因为若路径不合理，在切削 过程中就会引起切削负荷的突变，从而给零件、机床 和刀具带来冲击，破坏加工质量，损伤刀具。因此，必 须研究适合高速铣削的刀具切削路径，将铣削过程中 切削负荷的突变降至最低。高速数控加工工艺主要包 括如下内容: 1、 选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序 内容。 2、 分析被加工零件的图纸，明确加工内容及技术 要求。 3、确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路 线，如划分工序、安排加工顺序，处理与非数控加工工 序的衔接等。 4、加工工序的设计，如选取零件的定位基准，夹 具方案的确定、划分工步、选取刀具、确定切削用量 等。 5、数控加工程序的调整，选取对刀点和换刀点， 确定加工路线。2.5数控高速加工的编程策略 高速加工数控编程必须考虑高速切削的特殊性 和控制的复杂性，高速加工不是简单的把普通加工的 转速和进给提高，而是对很多方面有了更高的要求。 在数控编程方面，编程人员全面仔细考虑全部的加工 策略，设定有效、精确、安全有效的刀具路径，保证预 期的加工精度和表面质量。 高速加工编程时要注意如下几个原则：1）应避免 垂直下刀，尽量从材料外部切入材料或者加工前打下 刀孔；2） 尽量采用工序集中的原则和减少换刀次数； 3）尽量使用平滑的刀具路径，均匀切削载荷,避免极 速切削；4） 尽可能使粗加工后所留加工余量均匀；5） 在零件的一些临界区域应尽量保证不同步骤的精加 工路径不重叠；6）尽可能避免刀具换向切削和不同切 削区域间的刀具跳转。 高速加工中为得到最好的效果，还必须提供足够 强大功能的 CAM 软件，以得到高质量的加工程序，保 证机床能全负荷地进行工作。为此应使用具备自动高 速加工功能，能快速计算出无过切刀具切削路径的 CAM 软件， 减少操作者优化程序的工作量。目前使用 的 CAM 软件主要有 UG、Pro/E、MasterCAM、Cimatron、 CATIA、 DELCAM-Powermill、 等系列软件。 2.6高速控制系统 用于高速切削的CNC系统必须是具有很高的运算速度和精度以及快速响应的伺服控制，以满足高速度及复杂型腔的加工。数控系统(数字控制系统)是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。数字控制系统中的信息是数字量，是相对于模拟控制而言的。随着计算机技术的发展，数控系统已经从最初的由数字逻辑电路构成的硬线数控系统发展到了以计算机为核心的计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统。相对于硬线数控系统而言，CNC系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，因而具有较高的柔性和更高的性能。高速加工对CNC的最基本要求：以足够快的速度处理NC数据、为各进给轴加减速产生无冲击的理论值。高速加工CNC功能模块，它与普通CNC相比，扩展有后置处理器，离线预处理功能和样条译码功能。高速加工CNC的核心技术是样条实时插补和无冲击的加速器。样条不应该线性化，应该直接插补，以免降低精度。机床进给驱动系统必须具有高动态性能，为机床进给轴加减速产生无冲击的理论值斜坡函数，即机床进给轴加速度一时间曲线不允许有突跳，只有这样才能保证高速加工的高精度和足够高的进给速度。 数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹优化功能和加工残余分析功能等。高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次，要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响到加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响到刀具的寿命。 普通NC程序信息量低，在执行NC程序之前要进行预处理，以离线方式进行。预处理内容：将ASCII转换为二进制格式，语法检查及与操作者进行交互，分解固定循环和子程序，参数计算和公式计算。编程主要是基于IS06983标准，但IS06983不支持五轴铣削和曲线加工的高速切削。目前的数控软件都以IS06983(G，M代码)为标准，针对高速加工(HSM)，只能在原CNC基础上，对刀具中心轨迹进行编程，程序量大，针对不同的高速加工中心，还需专用的后置处理器。STEPNC(IS014649)是国际标准化组织(ISO)所开发，用来为数控(NC)设备定义数据而扩充的STEP标准。采用了EXPRESS语言和面向特征的编程原理，将产品模型数据交换标准STEP扩展至CNC领域，重新规定了CADCAM和CNC间的接口，形成了新型NC编程数据接口国际标准(IS014649)。STEPNC可大幅度地减少传统的CADCAM系统加工零件的时间，消除了在加工制造过程中所需的后处理器，并且能够支持将在今后出现的更快、更安全、更加智能的加工设备。 2.7高速加工监测技术高速加工监测技术主要指在高速加工过程中通过传感、分析、信号处理等,对高速机床及系统的状态进行实时的主动在线监测和控制,识别可能引起重大事故的工况,避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤。监测技术的成功应用可大大延长刀具寿命、保证产品质量、提高效率、保证设备及人员安全。2.8高速机床的床身、立柱和工作台高速机床支撑系统。通过计算机辅助工程的方法，特别是用有限元进行优化设计，能获得减轻重量，提高刚度的床身和工作台。高速加工过程中机床的动态特性至关重要，而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳的阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得，如可以采用高度稳定的龙门结构和经优化的高刚度床身。大多数的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。高动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。相比之下，当制造像主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻的部件。高速加工过程中同时也要求机床具备良好的加减速功能，即必须要保持合理的加减速和加减速度控制。进给率在高速加工时可能不断转变，会产生变化的加减速度即加加速度，同时出现机械的冲击和振动，因此要控制过大加减速度的变化。如果加减速过大(突变)，可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面质量。如果加减速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，为了保证在高速情况下加工出高质量表面，合理的机床加减速非常重要。3 数控高速加工过程中关键问题的解决高速加工中心的热特性是指高速加工中心结构在其内部热源和外部热源的作用下，产生结构变形和对加工精度影响的特性。为了改善高速加工中心的热特性，一般采用温控循环水溅其他介质来冷却主轴电机、主轴轴承、直线电机、液压油箱、电气柜有的甚至冷却主轴箱、横粱、床身等大构件。此外，还可采用低膨胀系数的铸铁作高速加工中心的主轴箱体，以减少主轴的热伸长和主轴部件的热变形。3.1电主轴的热稳定性问题高速电主轴的热稳定性是需要解决的关键问题之一。电主轴单元中的内装式电动机的发热使电主轴热态特性和动态特性变差。目前国际上一般采用气油润滑和喷射润滑等技术解决发热问题,并将冷却液通过电主轴孔通向刀柄起到冷却作用。3.2冷却液的合理使用高压大流量的冷却液在高速数控加工中的作用是减小摩擦、降低温度、提高加工精度和表面质量、提高刀具耐用度、促进断屑和排屑。但是使用大量冷却液不但增加了生产成本,而且造成严重的环境污染。美国一些企业消耗在冷却液和废液处理方面的费用目前已占总成本的14%16%,而刀具费用只占2%4%。为保护环境和降低成本,最好的办法是不采用冷却液而采用干切削,同时选用合适的刀具材料,并进行专门的刀具结构设计,选择经过试验的工艺参数。3.3干式切削方式的采用采用干式切削方式，会从根本上改善切削的环境状态，节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。高速切削中为了保护环境与人身安全、降低生产成本、提高生产率及保证