高速切削的技术装备

发布时间:2010-10-28
分享到

高速切削(High Speed Cutting-HSC)概念起源于德国切削物理学家Carl Salomn的著名切削实验及其物理引伸。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度,其切削温度最高。

在常规切削范围内(见图1A区)切削温度Tv随着切削速度Vc的增大而提高,当切削速度到达临界切削速度后,切削速度再增大,切削温度反而下降(见图1C 区),所以越过B区,在高速区C区进行切削,则可用现有的刀具进行高速切削,从而大大地减少切削工时,成倍提高机床的生产率,同时提高加工质量管理,并可用于切削各种硬、韧性、难加工材料的工件。因此,自上世纪80年代以来,国外在制造业的模具、航空、航天、汽车、精密机械、光学和家电等许多部门中,开始广泛应用该先进技术、取得了很大的成效。目前,面对日益加剧的国际竟争,国内广大企业迫切需要对HSC加工技术有比较全面的了解,以便能正确选购有关技术装备,并充分发挥其作用,获得予期的经济效益。

1 高速切削机床

为了适应粗精加工,轻重切削和快速移动,同时保证高精度(定位精度±0.005mm),性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。其关键技术有以下几项:

1.1 高速主轴

高速主轴是高速切削机床的核心部件,随着对主轴转速要求的不断提高,传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求,取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴,它将主轴电机与机床主轴合二为一,实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度,自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒温,一般可控制在20°~25°范围内某一设定温度,精度为± 0.7°,同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使主轴免维护、长寿命、高精度。

1.2 高速精密轴承

高速轴承是高速切削机床的核心,是决定高速主轴寿命和负载容量的最关键部件。

1.2.1 磁悬浮轴承

它是用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来,其转速可达45000r/min,功率为20kW,精度高,易实现实时诊断和在线监控,是理想的支承元件,但其价格较高。

1.2.2 液体动静压轴承

采用流体动、静力相结合的办法,使主轴在油膜支撑中旋转,具有径、轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好,适于粗、精加工,寿命长的优点。但其无通用性,维护保养较困难。

1.2.3 混合陶瓷轴承

用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合,是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件,在高速转动时离心力小,刚性好,温度低,寿命长,功率可达80kW,转速高达150000r/min,它的标准化程度高,便于维护,价格低。#p#副标题#e#

1.3 高速伺服系统

为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的伺服系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件,否则会造成刀个的急剧磨损与升温,破坏工件加工的表面质量。

1.3.1 直线电机伺服系统

直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置,将机床进给传动链的长度缩短为零,它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大,行程不受限制、噪音低、成本较高,在加速度大于1g的情况下,是伺服系统的唯一选择。

1.3.2 滚珠丝杠驱动装置

滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置,用AC伺服电机直接驱动,并采用液压轴承,进给速度可达40~60m/min,其加速度可超过0.6g,成本较低,仅为直线电机的1/2.5。

1.4 高性能的CNC控制系统

高速切削机床优良的力学性能,必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴,高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控 (CNC)系统必须具有很高的运算速度和精度,以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的 CNC系统多得多,就要求前者的计算处理容量和速度大大提高,其CNC系统的硬件,采用功能强大的个人计算机器人配置。例如奔腾芯片,64MB内存,1-10GB硬盘等,使程序块的执行时间降低到3~0.5μs。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等,使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地,伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化,使伺服系统与CNC系统在A/D—D/A转换中不会有丢失或延迟现象,尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用,该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度,从而保证了高进给速度加工的要求。

2 高速切削刀具

刀具是机械加工重要的技术装备之一。因易消耗,一旦机床性能获得确定,就成为注意力的焦点。由于离心惯性力随着转速升高而迅速增大,高速主轴端部同刀柄头部的给合在结构和尺寸方面有许多特别之处。目前基本采用HSK形式和系列,需要根据机床主轴参数来确定刀柄参数,使它们相符吻合。由于切削和进给速度高,HSC加工中刀具的寿命一般会降纸,需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度以及切削参数、切削几何关系、走刀路线、润滑冷却等各方面采取措施,尽可能减少寿命的降纸。

HSC加工应用的刀具材料主要有硬质合金涂层、陶瓷、聚晶立方氮化硼和聚晶金刚石等几大类。

HSC刀具与普通刀具前后角相比,一般HSC比普通切削的前角约小10°,后角约大5°~8°。同时HSC刀具的切削部位应尽量短,以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。

总之,应根据工件材料、工件的批量大小、机床主轴参数等来选择刀柄、刀具材料及刀具的几何尺寸。

3 HSC机床的配套装备

(1)为了缩短辅助工时,绝大多数HSC机床都配有15~30刀位以上的刀具库和自动换刀装置,成为HSC加工中心。
(2)冷却润滑系统是不可少的配套装备,其中包含自动对机床各部进行冷却润滑的功能和排屑功能,需单独考虑的是刀具的冷却润滑装置,例如风冷装置或油雾润滑冷却装置,并需要兼顾吹屑功能。
(3)电子手轮和CAD/CAM系统与高速CNC系统的接口,是影响到机床操作控制性能的必要配套装置。
(4)能够自动测量刀具的直径、长度和进行破损检测的激光或红外线系统。
(5)测头能够安装到主轴上用以探测工件轮廓型面的红外线测量装置。
(6)为了减少发生故障后,停机等待修复的时间,在机床台数多、利用率高的情况下,备用一根高速主轴。
(7) HSC机床的安全防护装置,包括硬件和软件,要保证即使在发生刀具破裂而高速弹飞出来的极端情况下,仍然能够可靠地保护操作使用者的人身安全,并且能够预防机床部件、刀具、工件之间产生意外的干涉碰撞。

高速切削的技术装备涉及众多高新技术,必须根据本单位产品的材料、精度、批量等来选择相匹配的技术装备,使其在生产中充分发挥作用。

收藏
赞一下
0