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    高速切削機床存在的問題及發展趨勢

    摘要:本文論述了高速切削的定義,高速切削加工機床的目前存在的幾點問題,以及高速切削加工技術在數控機床中的應用現狀.并且通過綜合分析,總結了高速切削機床的要求及其特點,并展望其發展趨勢。

    一、前言

    隨著科學技術的不斷發展,工廠加工零件的效率得到很大的提升,但是離人們的目標要求還相差很多,因而高速切削加工成為了當今火熱的技術。高速切削加工作為模具制造中最為重要的一項先進制造技術,是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術。在常規切削加工中備受困擾的一系列問題,通過高速切削加工的應用得到了解決。

    高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計、制造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關硬件和軟件技術均得到充分發展基礎之上綜合而成的。因此,高速切削技術是一個復雜的系統工程,是一個隨相關技術發展而不斷發展的概念。

    高速切削技術不只是一項先進技術,它的發展和推廣應用將帶動整個制造業的進步和效益的提高。在國外,20世紀30年代德國Salomon博士提出高速切削理念以來,經半個世紀的探索和研究,隨數控機床和刀具技術的進步,80年代末和90年代初開始應用并快速發展到廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造業加工鋁、鎂合金、鋼、鑄鐵及其合金、超級合金及碳纖維增強塑料等復合材料,其中加工鑄鐵和鋁合金最為普遍。

    二、數控高速切削加工的含義

    在上世紀三十年代初,德國物理學家Carl.J.Salomon提出了全新的高速切削理論。他通過大量的實驗研究得出結論:在正常的切削速度范圍內,切削速度如果提高,會導致切削溫度上升,從而加劇了切削刀具的磨損;然而,當切削速度提高到某一定值后,只要超過這個拐點,隨著切削速度提高,切削溫度就不會升高,反而會下降,因此只要切削速度足夠高,就可以很好的解決切削溫度過高而造成刀具磨損不利于切削的問題,獲得良好的加工效益。

    后來隨著制造工業的發展,這一理論逐漸被重視,并吸引了眾多研究目光,在此理論基礎上逐漸形成了數控高速切削技術研究領域,數控高速切削加工技術在發達國家的研究相對較早,經歷了理論基礎研究、應用基礎研究以及應用研究和發展應用,目前已經在一些領域進入實質應用階段。

    關于高速切削加工的范疇,一般有以下幾種劃分方法,一種是以切削速度來看,認為切削速度超過常規切削速度5-10倍即為高速切削。也有學者以主軸的轉速作為界定高速加工的標準,認為主軸轉速高于8000r/min即為高速加工。還有從機床主軸設計的角度,以主軸直徑和主軸轉速的乘積DN定義,如果DN值達到(5~2000)×105mm.r/min,則認為是高速加工。生產實踐中,加工方法不同、材料不同,高速切削速度也相應不同。一般認為車削速度達到(700~7000)m/min,銑削的速度達到(300~6000)m/min,即認為是高速切削。

    另外,從生產實際考慮,高速切削加工概念不僅包含著切削過程的高速,還包含工藝過程的集成和優化,是一個可由此獲得良好經濟效益的高速度的切削加工,是技術和效益的統一。

    三、高速切削加工機床的特點

    1、生產效率得到了明顯的提高

    高速切削加工允許使用較大的進給率,比常規切削加工提高5~10倍,單位時間材料切除率可提高3~6倍。當加工需要大量切除金屬的零件時,可使加工時間大大減少。

    2、切削力降低了30%

    由于高速切削采用極淺的切削深度和窄的切削寬度,因此切削力較小,與常規切削相比,切削力至少可降低30%,這對于加工剛性較差的零件來說可減少加工變形,使一些薄壁類精細工件的切削加工成為可能。

    3、加工質量得到提高

    因為高速旋轉時刀具切削的激勵頻率遠離工藝系統的固有頻率,不會造成工藝系統的受迫振動,保證了較好的加工狀態。由于切削深度、切削寬度和切削力都很小,使得刀具、工件變形小,保持了尺寸的精確性,也使得切削破壞層變薄,殘余應力小,實現了高精度、低粗糙度加工。

    從動力學角度分析頻率的形成可知,切削力的降低將減小由于切削力產生的振動(即強迫振動)的振幅;轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離機床的固有頻率,避免共振的發生;因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度,提高加工質量。

    4、降低加工能耗,節省制造資源

    由于單位功率的金屬切除率高、能耗低以及工件的在制時間短,從而提高了能源和設備的利用率,降低了切削加工在制造系統資源總量中的比例,符合可持續發展的要求。

    5、加工工藝流程得到了簡化

    常規切削加工不能加工淬火后的材料,淬火變形必須進行人工修整或通過放電加工解決。高速切削則可以直接加工淬火后的材料,在很多情況下可完全省去放電加工工序,消除了放電加工所帶來的表面硬化問題,減少或免除了人工光整加工。

    四、高速切削存在的問題

    從現實角度來看,人們對于高速切削的理解還是不是十分全面,因而技術也不是非常先進完善的,還有許多問題有待于解決缺乏合理的解決,即便在金屬切削機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國,對于高度切削加工新技術的研究應用還在處在不斷發展的摸索研究之中,以下就分析一下高速切削在實際應用中存在的問題。

    1、加工參數不能合理選擇

    作為一種全新的切削力方式,目前上沒有完整的參數表可供選擇,也沒有許多加工實例可供參考?,F在高速切削加工時大多數依然靠著以往的經驗,或者是大量的試驗來選擇參數,并不能達到十分準確的效果。因而如何選擇合理加工工藝參數,達到最好的切削效果,是當今高速切削應用的一個非常重要的問題。同時因為高速切削要求形成的刀具路徑應盡可能圓滑,少轉析點,無尖折點,程序算法應保一證高速切削的特殊要求。

    碰到干擾能迅速調整,保證合理的進給速度.避免刀具振動等。而在目前的加工制造過程中,刀位路徑規劃方法沒有考慮高速切削的特殊性,因此對傳統的刀位軌跡必須進行優化以適合高速切削。

    2、合適的刀具及方案

    高速切削刀具技術是高速切削的關鍵技術,當今刀具材料的發展還不能滿足各領域需求的現狀,在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配問題大大影響了高速切削的發展。缺乏合適的刀具選擇方案刀具是高速切削推廣應用中的一個關鍵問題。由于高速切削的切削機理與傳統的切削完全不同,加工的磨損機制與失效形式,刀具的受力狀況,形成的切屑形態等不盡相同。在高速切削中,其失效形式根據加工的條件及工件材料不同而完全不同,比如有刀尖破碎,前、后刀面同時磨損,刀桿折斷等各種形式,并且不同的刀具與不同的工件材料組合產生的效果也不一樣。如何選擇合理的高速切削刀具,盡可能延長刀具使用壽命,以及最大限度地發揮刀具的性能,對高速切削應用來說是一項十分關鍵的技術。

    3、高精度控制代瑪及差補的研究

    高速切削加工復雜輪廓時,要求保持一種有規律的勻速,不允許有明顯的滯后現象,否則將會燒壞刀具,而一般的加工制造極其相關CAM軟件中,在處理輪廓的NC程序時,在曲率變化大的部分,為了保證插補精度,會有明顯的滯后現象。目前插補器中計算量與插補精度是一對無法調和的矛盾,一方面為了提高精度必須細化插補步長,而插補步長的細化又帶來了極大的計算量,限制了程序運行 周期,降低了運行速度。由于日前的直線與圓弧播補器無法浦足高精度的要求,必須開發新型的CNC矯補器。

    除以上問題,如高速切削機床總體的動態、熱態特性,刀具材料、幾何角度和刀具壽命間題,冷卻潤滑液的選擇等,都是需要研究解決的難題,只有整體上考慮高速加工機床才能發揮高速切削的巨 大作用。

    五、高速切削技術國內發展現狀

    國內高速超高速磨削的發展自1958年,我國開始推廣高速磨削技術。1964年,磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛陽拖拉機廠合作進行了50m/s高速磨削試驗,在機床改裝和工藝 等方面獲得一定成果。1975年10月,河南省南陽機床廠試制成功了MS132型80m/s高速外圓磨床。1976年,上海機床廠、上海砂輪廠、鄭州磨料磨具磨削研究所等組成高速磨削試驗小組對80、100m/s 高速磨削工藝進行了試驗研究。

    1982年10月,湖南大學進行了60 m/s高速強力凸輪磨削工藝試驗研究,為發展高速強力磨削凸輪軸磨床和高速強力磨削砂輪提供了實驗數據。至1995年,漢江機床廠使用陶瓷CBN砂輪,進行了200m/s的超高速磨削試驗。廣西大學于1997年前后開展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削試驗研究工作。

    在2000年中國數控機床展覽會上,湖南大學推出了最高線速度達120m/s的數控凸輪軸磨床。從2002年開始,湖南大學開始針對一臺250m/s超高速磨床主軸系統進行高速超高速研究,并在國內首次進行了磁浮軸承設計。

    20世紀90年代至今,東北大學一直在開展超高速磨削技術的研究,并首先研制成功了我國第一臺圓周速度200m/s、額定功率55kw、最高砂輪線 速度達250m/s的超高速試驗磨床。東北大學先后進行超高速磨削熱傳遞機制研究,高速單顆粒磨削機理研究,200m/s電鍍CBN超高速砂輪設計與制造,超高速磨削溫度場研究,磨削摩擦系數的研究,超高速磨削砂輪表面氣流的研究,超高速磨削機理分子動力學的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果達到國際先進水平。

    高速機床的高檔數控系統和開放式數控系統正在深入研究中,但目前主要還是依賴進口。目前國內正逐步開始推廣應用高速切削技術,主要是應用在航空航天、模具和汽車工業,加工鋁合金和鑄鐵較多,但采用的刀具以進口為主。 國內刀具材料目前仍以高速鋼、硬質合金刀具為主,先進刀具材料(如涂層硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)雖有一定基礎,但應用范圍不夠廣泛??偟膩碚f,切削速度普遍偏低,切削水平和加工效率較低。高速切削基礎理論研究起步較晚,80年代以來,國內對陶瓷刀具高速硬切削時的切屑形成、切削溫度、切削力、刀具磨損與破損、刀具壽命和加工表面質量等規律進行了系統研究,并已在生產中得到較多應用。

    自90年代以來,對高速切削鋁合金、鋼、鑄鐵、高溫合金、鈦合金等的切削力、切削溫度、刀具磨損與破損和刀具壽命進行了一定研究和探討,但還沒有進行全面系統的研究。對切削加工過程的監控技術研究較多,但投入生產使用的較少。

    六、高速切削技術的發展趨勢

    高速切削技術發展趨勢和未來研究方向歸納起來主要有:

    (1)基于高速切削工藝,開發推廣干式(準干式)切削綠色制造技術;

    (2)高速切削動態特性及穩定性的研究;

    (3)高速切削機理的深入研究;

    (4)新一代抗熱振性好、耐磨性好、壽命長的刀具材料的研制及適宜于高速切削的刀具結構的研究;

    (5)進一步拓寬高速切削工件材料及其高速切削工藝范圍;

    (6)開發適用于高速切削加工狀態的監控技術;

    (7)建立高速切削數據庫,開發適于高速切削加工的編程技術以進一步推廣高速切削加工技術;

    (8)基于高速切削,開發推廣高能加工技術。

    七、結論

    從當今的工業發展我們就能看出,工業水平越來越先進,我國的制造業也變得越來越強,我們也逐漸成為了強大工業國家。高速切削技術是當今非常先進的技術,擁有者非常良好的前景,它能帶動工業社會的全新發展。因而,對于高速切削的研究,我們要努力奮斗,只有不停的創新和改革,工業才能發展的更加迅速!


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