证券从业 《证券交易》 全书讲义 复习总结

1、第 20 卷第 7 期2 0 0 3 年 7 月机械设计JOURNAL OF MACHIN E DESIGNVol. 20 No. 7 J ul.2003高速切削技术与数控机床发展趋势李立斌 ,谢丽丽(天津机电职业技术学院 机电系 ,天津 300131)摘要 :具有广阔发展空间的高速切削技术在制造领域中逐渐得以认同 。数控机床发展及其功能部件革新是使高速 切削技术推广应用的关键 。关键词 :高速切削技术 ;电主轴 ;直线电机 ;开放性数控系统 ;网络控制中图分类号 : T G5 ; T G659文献标识码 :A文章编号 :1001 - 2354 (2003) 07 - 0045 - 0320

2、世纪末兴起的以高切削速度 、高进给速度和高加工精度 为主要特征的高速切削技术已经成为现代数控加工技术的重 要发展方向之一 。汽车 、航天 、航空 、船舶 、模具制造及精密微 细加工等对高速切削的高要求 ,推动着高速切削技术在现代制 造领域内得到迅速发展及广泛应用 。1高速切削的概念高速切削的概念是德国的切削物理学家 Carl Salomn 首先 提出的 ,他在著名的切削实验中得出如图 1 所示的切削速度 ( V ) 与切削温度 ( T) 的关系图 。从图 1 中可以看到 ,一定的材 料对应一个临界切削速度 ( V C) , 其切削温度 ( TC ) 最高 。在常 规切削范围内 (见图 1a 区

3、) ,切削温度随着切削速度的增加而 增加 ,当实际切削速度超越临界切削速度后 ,切削速度继续提 高 ,切削温度反而下降 (见图 1c 区) 。因而得出结论 :在高速切 削区 ,可以用现有的刀具对金属材料进行切削加工 。图 1 切削速度与切削温度关系不同的材料和不同的加工方法的高速切削速度范围各异 。 如碳素钢为 5002 000 m/ min ,灰铸铁为 6003 000 m/ min , 铝合金为 1 0007 000 m/ min ,铜为 9005 000 m/ min ;车削 为 7007 000 m/ min ,铣削为 2007 000 m/ min ,钻削为 100 1 000 m/

4、 min ,磨削为 5 00012 000 m/ min 。一般而言 ,高速切 削的切削速度比常规切削速度高 510 倍 ,与之相对应的进给 速度一般为 225 m/ min。2高速切削产生的高效益 收稿日期 :2002 - 10 - 06 ;修订日期 :2003 - 02 - 02由于高速切削的速度比常规切削速度几乎高一个数量级 , 进给速度也高 10 倍左右 ,切削机理发生变化 ,切削力减小 ,切 削热降低 ,工艺系统振动减弱 ,对切削刀具材料的要求不甚苛 刻 。因此 ,高速切削加工为现代制造领域带来了一系列高效 益 。2. 1 高生产率高速切削中 ,由于切削速度和进给速度大幅度提高 ,使

5、得 单位时间内的材料切除率比常规切削加工高 45 倍 ; 高速切 削可实现高度的工序集中加工 ,如粗加工 、半精加工 、精加工甚 至精细加工 ,可以集中在一道工序中进行而不会降低加工精 度 ,有效地减少了装卸 、搬运工件的辅助工时 ;刀具耐用度可提 高 70 % ;数控加工中心换刀时间和工件托盘交换时间的缩短 , 进一步减少刀具调整和工件安装的时间 ,从而获得更高的生产 效率 。2. 2 高加工精度 高速切削加工突破了传统的切削加工的理念 ,其切削机理发生很大变化 ,在减少加工误差 ,提高加工质量方面也显示出 其独特的魅力 。首先 ,切削力的降低 ,使得工艺系统因受力变形而引起的 加工误差减少

6、 。在高速切削中 ,由于切削速度很高 ,使剪切变 形区域变窄 ,剪切角变大 ,变形因子减小以及切屑流出速度加 快 ,从而使切削变形减少 , 切削力比常规切削时下降 30 % 90 %。相应地 ,作用在刀具上的力以及工件所需的夹紧力都随 之减少 ,从而使刀具使用寿命延长 ,工件由于夹压变形而引起 的加工误差也随之减少 。因而 , 高速切削特别适合于长细杆 件 、薄板和薄壁筒件等刚性差的零件加工 。其次 ,高速切削的切削热减少 ,而且 90 %以上的热量被高 速流出的切屑带走 ,传给工件的热量很小 ,工件表面的温升不 会超过 3 ,所以因温度变化而导致的加工误差甚微 。特别适 合加工传动丝杠等细长

7、的 、易因热变形引起误差的零件 。高速切削由于速度高 、切削力小 、切削热低 、工艺系统振动 减弱和刀具耐用度提高等 ,为全面提高加工质量创造了有利的 条件 。一般工件的尺寸精度可以提高 12 个精度等级 ,工件作者简介 :李立斌(1943 - ) ,男 ,安徽霍邱人 ,天津机电职业技术学院机电的系表副面教质授量,专得业到方相向应:机的电改技善术,应如用工。件表面的物理机械性能变化 46机 械 设 计第 20 卷第 7 期很小 ,粗糙度降低 ,表面残余应力减少等等 。由于切削速度高 , 使切削过程的激振频率 () 远高于工艺系统的固有频率 (。) 即 /。 > > 1 ,系统处在”

8、惯性区”工作 ,振幅下降 ,甚至振动消 失 ,加工过程平稳 ,可实现高精度 、低粗糙度的精密加工 ,为光 电产品的微细加工开辟了新途径 。3 数控机床发展趋势高速切削技术的应用 ,关键在于开发具有高速度 、高精度 、 高稳定性的高新技术设备 ,在现有加工设备中 ,只有数控机床 才有可能担当其重任 。然而 ,要实现真正意义上的高速切削加 工 ,数控机床还需向高速 、高精度 、柔性化 、控制系统开放性 、控 制系统支撑软件和工厂生产数据管理方向迈进 ,才能适应现代 制造业飞速发展的要求 。为此必须强化和优化以下几个方面 。 3. 1 电主轴主轴是高速机床的核心部件 。高速切削机床的主轴转速 要比现

9、有机床主轴转速高一个数量级 ,即每分钟数万转 ,传统的主传动系统和主轴部件结构已不适应 ,取而代之的是一种结 构形式新颖的主轴部件 电主轴 。电主轴是将机床主轴与装置 。它可直接推动机床的执行机构 (工作台或刀架) 实现“零 传动”进给 。使用直线电机驱动 ,不仅大大简化了机械结构 ,而 且整个伺服系统的高速响应性能大大提高 、反应异常敏捷 、传 动刚度大为改善 、速度快 、加速度大 、噪音低和无污染 。实现了 高精度 、高效率传动 。当加速度大于 1 g 时 ,只能选用直线电机 驱动 。影响直线电机广泛使用的主要因素是 :由于直线电机运动 轴精确定位和抗干扰能力高度依赖其驱动系统和数控系统的

10、 控制性能 ,所以稳定性稍差 ; 另外直线电机伺服系统必须配备 有效的冷却系统 , 使用摩擦因子很小的导轨副 ( 如磁悬浮导 轨) ,使其造价过高 (约为滚珠丝杠副的 23 倍) 。3. 3 先进的机床结构设计 数控机床主体部件结构需具有足够的动静刚度 、高的热稳定性和良好的阻尼特性 ,这是保证高速 、高精度加工的基础 。 国外生产的高速加工中心结构可以借鉴 。如瑞士的米凯朗 (MIKRON) 公司生产的 HSM 立式加工中心 ,其床身采用人造 大理石材料 ,整体龙门式框架结构 ,并带有喷油雾及水冷两套 润滑冷却系统 ,达到了高刚度 、高抗振性和热稳定性的目标 。 它在主轴转速为 30 000

11、 r/ min/ ( 12. 5 kW) 、进 给速度 40 m/2电机的转子轴合二而一 ,实现了变频电机与机床主轴的一体min 、加速度 17 m/ s的情况下 ,实现平稳运行 ;日本安田公司生化 ,使结构更加紧凑 。机械振动和噪音减少 ,主轴运转更加平 稳 。电主轴备有自冷式油冷循环系统 ,并采用电子传感器控制 温度变化 ,使主轴在高速旋转下保持恒温 ,温差不超过 1. 5 。 电主轴采用性能优异 、技术先进的新颖主轴轴承支承和油雾润 滑等新技术 ,使主轴实现了免维修 、长寿命和高精度 。高速主轴的工作精度 、负载容量和寿命主要取决于主轴轴 承 。当前高速主轴可以使用的轴承有磁悬浮轴承 、

12、混合陶瓷轴 承和液体动静压轴承等三种形式 。磁悬浮轴承是运用电磁原理开发出来的无机械接触的磁 力悬浮轴承 。这种主轴轴承允许转速为 45 000 r/ min ,而且高 速性能好 ,精度高 、易实现实时诊断和在线控制 。是高速主轴 理想的先进的支承元件 ,但其造价较高 。混合陶瓷轴承是用氮化硅的滚珠与钢质轨道制成的滚动 轴承 。这种 轴承最高转速可达 150 000 r/ min , 功率可达 80 kW 。由于它具有刚性好 、温升低 、寿命长 、价格低 、标准化程度 高 、对机床结构改动小和便于维修等优点 ,是目前高速主轴使 用最多的一种轴承 。动静压轴承是采用流体动压和流体静压相结合的方法

13、制 造的先进轴承 ,它用油膜将主轴轴颈支承起来 ,也是一种无机 械接触旋转轴承 。动静压轴承具有运动精度高 、刚性好而且阻 尼特性好和寿命长等优点 。但这种轴承必须根据具体机床专 门设计 、生产 ,维护保养较困难 。3. 2 高速响应的伺服单元为了与高的切削速度相匹配 ,数控机床的进给速度需要相 应提高 ,同时还必须具备高的进给加 (减) 速度 ,以确保高加工 质量和高生产率 。滚珠丝杠副和直线电机是高速伺服系统的 主要驱动装置 。由高速 AC 伺服电机直接驱动的滚珠丝杠副伺服单元 ,在 先进的液压丝杠轴承支承下 ,实现了高刚度 、低阻尼传动 ,其加 (减) 速度可达到 1 g 左右 ,进给速

14、度可达到 50 m/ min 左右 。直线电机是将电能直接转变成直线机械运动的一种推力产的 YBM950V 型立式加工中心 ,采用龙门框架式结构的整体立柱 ,主轴电机与主轴之间采用具有吸振功能的联轴器连接 , 起到隔热 、隔振作用 。在机床的立柱 、横梁及主轴的空腔中灌 注循环冷却液 ,以减少机床各部分相对温差 ,达到热稳定目的 , 同时还可吸振 。因此 ,其主轴在 20 00030 000 r/ min 高速运 转时 ,仍十分平稳 ,铣削平面的粗糙度 Ra 达 0. 4 m ;日本牧野 公司采用传感器控制 ,协调机床主轴与床身 、立柱的温升 ,以减 少系统的热变形对加工精度的影响 。3. 4

15、 高速切削刀具与配套工具 高速切削的应用必须有相应的刀具 、刀杆和刀套等配套工具 。由于高速切削加工的切削温度并不比常规切削时高 , 所 以 ,目前常用的刀具材料 (如硬质合金涂层 、陶瓷 、聚晶金刚石 和立方氮化硼等) 都可用作高速切削刀具 。刀具的几何角度略 有变化 ,如高速切削比常规切削的刀具前角约小 10°,后角约大 5°8°。而切削不同材料时的前后角增减规律与常规切削的规 律相同 。但是 ,高速切削所用刀杆 、刀套的制造和装配要求更加精 细 。空心短锥刀柄 (减少质量) ,采用短锥和端面与主轴同时接 触 ,实现过定位安装 ,以提高定位精度和接触刚度 ,最

16、大限度 地减少质量中心与旋转中心的偏移 ,以控制和减小高速旋转产 生的离心力对加工精度的影响 。4 数控系统的新进展4. 1 高速 、高性能的 CNC 系统高速切削的 CNC 控制系统采用了多个 32 位甚至 64 位 CPU ,配置功能强大的后置处理软件 ,以保证高的运算速度和 精度 。如几何插补 、前馈控制 、钟形加减速 、精确矢量补偿和最 佳拐角减速度控制等功能 。同时 ,伺服系统向数字化 、智能化 和软件化发展 ,使伺服系统与 CNC 在 A/ D - D/ A 转换中不会 出现丢失或延迟现象 ;特别是具有优异的动力学特征的全数字2003 年 7 月李立斌 ,等 :高速切削技术与数控机

17、床发展趋势47交流伺服电机和控制技术的广泛应用 ,保证了高速进给加工的 要求 。近年来 ,包括美国 、日本和德国在内的世界上许多著名系 统生产厂商都在积极开发第六代数控系统 ,这种基于 PC 的先 进的数控系统采用了 PC 硬件和操作系统 ,使数控系统的存储 容量扩大到 20 G 左右 。并能通过标准网络在加工之前将 CAD/ CAM 计算的加工信息一次传输到硬盘上 ,使数据传输速 度提高了几千倍 ,同时保证了程序传输的可靠性 ,既解决了大 程序量的高速高精度加工问题 ,也不需要曲面和样条插补 ,可 方便地与现有的 CAD/ CAM 系统集成 。4. 2 开放性数控系统 数控系统开放化是数控技

18、术发展的必然 。欧洲 、美国和日本等国已于 20 世纪 90 年代就成立了开放性数控系统研究机 构 ,各自的发展计划代号分别为 OSACA(Open System Architec2 ture for Control within Automation) 、OMAC ( Open Modular Ar2 chitecture Controller) 和 OSE(Open System Environment) 。开放 性数控系统具有能够最大限度地利用 PC 软硬件技术 、模块化 结构 、动态配置系统 、可移植和可扩展性等特点 ,是机械设备自 动化控制的最佳选择 ,故吸引了许多产业界参与开发 。

19、OSACA 已开发了第一批示范性的应用软件模块 OS2 ACA API ,可适用于数控系统 、机器人 、可编程逻辑控制器和单 元控制器 。1997 年欧共体开发了一种遵从 SIEP 标准 、面向对 象的数据模型 ,提出了 STEP - NC 的概念 ,将产品模型数据转 换标准 STEP( Standard for the Exchange of Producl model data) 扩展至 CNC 领域 , 重新规定了 CAD/ CAM 与 CNC 之间的接 口 ,该项目已取得了实质性进展 。据美国 STEPTOOL S 公司的 预测 ,STEP - NC 控制器将在 2010 年以前问世

20、,届时人们会目 睹自动化制造的全新景象 。由 80 多家科研机构 、9 家 OEM 、16 家用户参加的 OMAC 组织 ,已定义了 OMAC API ,利用 Win2 dows OS 现有的个人计算机资源 ,以实时操作系统为核心 ,提供 高性能的控制功能 ,利用实时数据库实现数据的高效和便捷 化 。OSE 于 1995 年 、1996 年先后公布了”OSEC - ”、”OSEC- ”,创建了开放性数控系统的参照模型和安装模型 ,开发了 基于 PC 的人机接口系统和新的 NC 语言 OSEL 。4. 3 智能化网络控制21 世纪中国制造业将跨入一个崭新的发展时期 ,互联网技 术进入制造业工厂

21、、车间已是指日可待 。在数控系统中安装网 络通信以及相配套的软件设施 ,实现网络数控是现代数控技术 发展的必然趋势 。(上接第 25 页)结果表明双三次 B 样条极其自然的解决了曲面之间的连 接问题 。4 结论智能化网络大大提高了 NC 程序管理的效率 。通过 TCP/ IP 通信协议进行网络通信的以太网是目前最为普及的联网方 式 。智能化网络能够为制造商提供出整套且数据信息一致的 生产方案 ,使不同的 CNC 控制程序 、编程加工位置及刀具定位 点等数据信息得以统一 ,数据传递的速度比通过介质 (数控带 、 磁带等) 传输提高数千倍 。通过连接调解器与通信软件 ,还可 以对 CNC 机床进行远程实时故障诊断 ,并能直接发出指令 ,及 时排除 ,最大限度地减少停机维修时间 。网络控制实现了数据 共享并为网络化制造模型和网络制造技术创造了条件 。应当指出 ,采用 TCP/ IP 通信协议进行网络通信时 ,机床 数控系统的操作平台基于 Windows 平台最为理想 ,而 PC 数控 系统恰好能满足这一要求 。5结束语高速切削技术是制造业的一项具有战略性的前沿技术 ,围 绕着高速切削技术的研究和应用 ,将带动高速精密加工设备和