高效加工的现状和发展趋势

作者:张曙 文章来源:中国机械工程学会 发布时间:2011-01-20
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高效加工的概念

人类社会的文明进步与生产力的提高是分不开的,而生产效率是生产力的重要组成部分,因此不断提高加工效率是机床与工具产业可持续发展的永恒主题。高效加工是继高速加工发展起来的大幅度提高生产率的新技术。

1.高效加工的内涵

高效加工(High Performance Machining)与高速加工(High Speed Machining)有什么区别?高效加工在某种程度上可以涵盖高速加工,而高速却不等于高效。高速加工是通过切削速度和进给速度的提高来加以体现,而高效加工则包括更加广泛的内涵,而且从不同的视角去看,关注重点也有所不同,如图1所示。

 

图1 高效加工的概念

1)技术视角:聚焦高效率。高效率是指该系统单位时间内的材料切除体积或加工的零件数量,即切削过程的效率。

2)经济视角:聚焦高效益。高效益是指该系统的投入产出比,即零件加工的成本或利润。

3)环境视角:聚焦高能效。该系统是否顺应发展低碳经济要求而采取有效的措施实现节能减排。

高效加工和高速加工在理念、过程和机床3个方面的对比如图2所示。

 

图2 高效加工与高速加工的对比

2. 高效加工是一个系统工程

加工过程是由机床、刀具、切削液三者相互作用下完成的。机床的生产效率出自刀尖,采用先进的刀具和合理的切削参数,提高和优化加工系统的材料切除率,减少切除单位体积切屑所需能耗,提高单位能耗所创造的价值是实施高效加工的重要环节。

切削液是参与切削过程的中间介质,它不直接创造价值,但却是加工过程的主要的污染源。随着刀具涂层技术的进步,干切削加工将会逐步获得应用。当前,采用微量润滑技术是推广高效加工的首选方案。

 

图3 高效与高速加工对电主轴的要求

高效加工的机床

高效加工把提高和优化材料切除率放在首位。例如,在铣削时增大切屑截面积和每齿的进给量就意味需要更大的切削功率。因此,高效加工机床必须具有足够的刚度和更大的主轴功率和切削扭矩。例如,航空航天零件在高效与高速加工时对电主轴功率特性要求就明显不同,其中一例如图3所示。

1. DST Ecospeed系列加工中心

德国DS-Technology公司在多年积累的航空零件制造经验的基础上,推出Ecospeed系列高效加工中心,其总体配置如图4所示。

 

图4 Ecospeed高效加工中心

从图中可见,主轴头配置在可沿X轴向移动的立柱上,并且可沿立柱上的垂直导轨作Y方向的移动。点主轴安装在由三杆并联机构的运动平台上,可实现主轴头的Z轴向伸缩和X-Y平面内的偏转。因此,该机床配置的特点是5个轴的运动都由刀具这一方完成,而工件是固定不动,这对大型飞机结构件加工是非常有利的。此外,机床的工作台可以翻转90o,使工件可以在水平位置装卸,而在垂直位置加工,使得高效切除的大量切屑得以迅速排走。

Ecospeed加工中心移动部件采用箱中箱焊接结构,质量轻惯性小,可使X轴向移动速度达到65 m/min,Y和Z轴向移动速度达到50m/min,所有轴的加速度皆达到1g,从而保证了良好的动态性能,同时降低了驱动功率,实现了高能效。与过去龙门铣床加工工艺方案相比,每小时的材料切除率从小于100dm3/h提高到700dm3/h,而飞机结构件的平均加工时间从近600h降低到100h以下,充分显示了高效加工的综合效益,如图5所示。

 

图5 Ecospeed高效加工中心的效益

2. Mikron HPM系列高效加工中心

瑞士GF AC集团的Mikron公司在产品谱中将高效加工中心(HPM系列)和高速加工中心(HSM系列)加以明确区别。HPM系列突出了高切除率的特点,主要针对汽车、航空航天工业。HSM系列突出了高速加工的特点,主要针对模具工业。两个系列相近规格的机床在总体配置和主要技术特性方面的区别在于:

1)电主轴特性;2)工作台承载能力;3)排屑系统;4)回转轴配置;5)工件装卸和操作者位置,详见表1。

 

HPM600U和HSM600U的比较

高效源自技术集成

1.切削参数优化

高效加工的特点是高切除率,不同的加工方法构成材料切除率的切削参数是不一样的。就铣削而言,切削深度ap起到重要的作用。铣削过程的切削力是不连续的,特别是在高效切削时由于切削深度大而容易造成切削过程的不稳定。但研究表明,铣削过程是非线性的,切削深度ap与切削速度vc存在一种多W形的关系,即当主轴处于特定的转速范围内,即使采用较大的切深也能保持切削过程的稳定,并获得理想的切屑形状。

 

图6 HPM 1000U的托板交换装置和塔式刀库

如何才能够快捷和准确地找到高效切削的稳定区,优化切削参数是其重要途径,这就需要借助基于加工系统动力学分析的切削过程仿真软件,例如CutPro或ShopPro等,才能取得事半功倍的效果。

2.智能化

智能化将进一步发挥机床的潜力,例如对Mikron HPM系列高效加工中心可选用加工过程监控模块,以便用户能够观察铣削过程是否正常。其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器,使铣削过程中产生的振动可以加速度“g载荷”值的形式显示。振动大小在0~10g范围内分为10级,0~3g表示加工过程处于良好状态,3~7g表示加工过程需要调整,否则将导致主轴和刀具的寿命的降低,7~10g表示处于危险状态。该系统还可预测电主轴在当前状态下可以工作多长时间,即主轴寿命还有多长。在过程监控系统中也可由用户设定一个g极限值,超过此值时,系统将报警或自动停机。

3.自动化

高效加工不仅体现在切削过程,还应该考虑如何缩短辅助时间,才能达到高效率和高效益的目标。就工件流而言,主要是采用托板交换装置使工件的装卸时间与加工时间重合,工件加工完毕后快速地与已安装在托板上的待加工工件进行交换。例如,在HPM1000U高效加工中心的托板交换装置和塔式刀库如图6所示。

总而言之,进一步提升高效加工的效果仅依靠切削加工技术是不够的,还涉及许多相关领域:如智能化、自动化、网络化等,需要传感技术、测量技术和自适应技术的配合,高效源自集技术之大成。

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