高速切削加工技術

科學知識 9547 548 2015-05-13

高速切削加工特點

       高速切削加工不僅可大幅度縮短加工時間,提高加工效率,降低加工成本,而且可以使零件的表面加工質量和加工精度達到更高的水平。高速切削加工具有以下主要特點:

  (1)工件熱變形減少 在高速切削加工中,由于切屑在極短時間內被切除,切削熱絕大部分被切屑帶走,因而工件溫度并不高,不僅受熱變形的可能性減小,而且可避免熱應力、熱裂紋等表面缺陷。

  (2)有利于保證零件的尺寸、形位精度 在高速切削加工中,單位切削力由于切削層材料軟化而減少,從而減少零件加工的變形,這對于加工薄壁類剛性差的零件特別有利。

  (3)可獲得較好的加工表面質量 高速切削加工可減小表面硬化層深度,減小表面層殘余應力及表面層微觀組織的熱損傷,從而減少零件表面層材質的機械、物理及化學性質產生變化的可能性,保證已加工表面的內在質量,確保零件的使用性。

  (4)工藝系統振動減小 在超高速切削加工中,由于機床主軸轉速很高,激振頻率遠離機床固有頻率,因而使工藝系統振動減小,提高了加工質量。

  (5)顯著提高材料切除率 在提高切削速度的同時可提高進給速度,從而顯著提高材料切除率。例如超高速銑削,當保持切削厚度不變 ( 每齒進給量和切深不變 ) 時,進給速度比常規銑削可提高 5 ~ 10 倍,從而達到很高的材料切除率。

  高速銑削已廣泛用于汽車工業、航空航天工業和模具制造業,加工鋁、鎂等輕金屬合金、鋼材及鑄鐵。例如汽車發動機缸體、缸蓋、減速器殼體,飛機的整體鋁合金薄壁零件,淬硬模具鋼以及鎳基合金、鈦合金等難加工材料。提高材料切除率的策略已由強力而緩慢轉向快速而輕便,機床由強力型 ( 提高力學特性參數 )轉向高速型 ( 提高速度特性參數 ) .

高速加工對刀具的要求

     (1)刀具材料 高速切削時,隨著切削速度的提高,切削力減小,切削溫度上升很高,達到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機械摩擦、粘結、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損,因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學性能、熱物理性能、抗粘結性能、化學穩定性(氧化性、擴散性、溶解度等)和抗熱振性能以及抗涂層破裂性能等。

  高速和超高速加工正是基于這一重要前提,對刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐熱性 ( 熱硬性 )好,又要求韌性好、耐沖擊。近 30 年來,刀具材料所取得的突破,使得這一難題得到了很好的解決:?隨著增強陶瓷刀具和涂層技術的應用,大大提高了刀具的硬度,并使刀具兼有高硬度的刃部和高韌性的基體。?聚晶立方氮化硼刀片(PCBN),硬度達 3 500 ~4 500HV ,已成為高速切削淬硬鋼的首選刀具。?同樣用聚晶方法得到的聚晶金剛石(PCD)刀片,硬度可達6 000 ~ 10 000HV ,已應用于車刀、銑刀、鉆頭等,進入了高速切削有色金屬領域,有時也應用于切削鋼鐵材料。

  高速加工用的刀具材料,必須根據工件材料和加工性質來選擇。一般而言,陶瓷、金屬陶瓷及 PCBN刀具等,適用于對鋼鐵材料的高速加工; PVD 和 CVD等刀具材料,適用于對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工。

  (2)刀具的結構 采用物美價廉的硬質合金、金屬陶瓷、涂層材料制造的可轉位刀片和整體刀具,并用集成平衡裝置和相應結構克服離心力,使刀具產生的高應力。

  切削刃形狀: 刀具切削刃形狀對加工質量也有很大影響。例如金剛石刀具切削刃有適當結晶方向時,能極大地改善刀具壽命和加工表面的粗糙度等。刀具的切削刃正向著高剛性、復合化、多刃化和表面超精加工方向發展。隨著新型刀具材料和超硬磨料磨具的實用化以及機床技術的進步,切削加工的高參數化是永無止境的。目前及今后一段時間,高速化仍將具有明顯優勢。

高速切削加工對機床系統的要求

        高速切削機床是實現高速切削的必要條件之一。高速切削對機床的主要要求如下:

  (1)要有一個適應于超高速運轉的主軸部件 主軸的變速范圍完全由變頻調速交流主軸電動機來實現,并使電動機和機床主軸合二為一,構成所謂的電主軸。由于電主軸結構緊湊、重量輕、慣性小、響應特性好,并且避免振動與噪聲,因而是高速主軸單元的理想結構。

  高速主軸單元的核心是高速精密軸承。高速主軸可采用的軸承包括空氣軸承、靜壓軸承、動壓軸承、滾動軸承和磁浮軸承。目前已研究開發成功了兩種適宜超高速運轉的新型軸承--陶瓷滾動軸承和磁浮軸承,在高速主軸上得到廣泛應用。

  采用氯化硅陶瓷材料的滾珠做成的陶瓷軸承具有高速、高剛度、低溫升、長壽命的優點,是使用廣泛而經濟的高速軸承。目前在高速機床主軸上主要采用混合陶瓷球軸承 (氯化硅滾珠與鋼制軌道) ,滾道可進行涂層或其他表面處理。

  磁浮軸承是用電磁力將主軸無機械接觸懸浮起來的新型智能化軸承,高速性能好、精度高、易實現實時診斷和在線控制,是高速加工機床主軸理想的支撐元件,相繼被許多國家用于高速加工機床上。

  (2)要有一個快速反應的數控伺服系統和進給部件 高速機床是精密的數控機床。在進行超高速切削時,為了保持刀具每刃進給量基本不變,隨著主軸轉速的提高,進給速度也必須大幅度提高。目前,高速加工中心和 NC 銑床工作臺的進給速度已達到 20 ~30m/min ,快速空程速度高達 40 ~ 60m/min ,加速度達 25m/s2 ,因而對進給部件的動態特性提出了非常高的要求。

  (3)大流量噴射冷卻系統 在超高速切削時,單位時間內將產生大量的熱切屑,必須把它迅速從工作臺清除,以免妨礙高速切削的正常進行,避免產生機床、刀具和工件的熱變形。

  (4)要有一個“三剛”( 靜剛度、動剛度、熱剛度 ) 特性都很好的機床支撐元件 如用聚合物混凝土,即所謂的“人造花崗巖”制成的超高速機床的床身或立柱,其阻尼特性比鑄鐵高 7 ~ 10 倍,而密度只有鑄鐵的 1/3 .


 



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