高速切削加工技术

时间:2017-11-17来源:互联网

高速切削加工特点
?????? 高速切削加工不仅可大幅度缩短加工时间,提高加工效率,降低加工成本,而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。高速切削加工具有以下主要特点:

  (1)工件热变形减少 在高速切削加工中,由于切屑在极短时间内被切除,切削热绝大部分被切屑带走,因而工件温度并不高,不仅受热变形的可能性减小,而且可避免热应力、热裂纹等表面缺陷。

  (2)有利于保证零件的尺寸、形位精度 在高速切削加工中,单位切削力由于切削层材料软化而减少,从而减少零件加工的变形,这对于加工薄壁类刚性差的零件特别有利。

  (3)可获得较好的加工表面质量 高速切削加工可减小表面硬化层深度,减小表面层残余应力及表面层微观组织的热损伤,从而减少零件表面层材质的机械、物理及化学性质产生变化的可能性,保证已加工表面的内在质量,确保零件的使用性。

  (4)工艺系统振动减小 在超高速切削加工中,由于机床主轴转速很高,激振频率远离机床固有频率,因而使工艺系统振动减小,提高了加工质量。

  (5)显着提高材料切除率 在提高切削速度的同时可提高进给速度,从而显着提高材料切除率。例如超高速铣削,当保持切削厚度不变 ( 每齿进给量和切深不变 ) 时,进给速度比常规铣削可提高 5 ~ 10 倍,从而达到很高的材料切除率。

  高速铣削已广泛用于汽车工业、航空航天工业和模具制造业,加工铝、镁等轻金属合金、钢材及铸铁。例如汽车发动机缸体、缸盖、减速器壳体,飞机的整体铝合金薄壁零件,淬硬模具钢以及镍基合金、钛合金等难加工材料。提高材料切除率的策略已由强力而缓慢转向快速而轻便,机床由强力型 ( 提高力学特性参数 )转向高速型 ( 提高速度特性参数 ) .
高速加工对刀具的要求
?????(1)刀具材料 高速切削时,随着切削速度的提高,切削力减小,切削温度上升很高,达到一定值后上升逐渐趋缓。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损,因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)和抗热振性能以及抗涂层破裂性能等。

  高速和超高速加工正是基于这一重要前提,对刀具材料既要求硬度高、耐磨性好、耐热性 ( 热硬性 )好,又要求韧性好、耐冲击。近 30 年来,刀具材料所取得的突破,使得这一难题得到了很好的解决:①随着增强陶瓷刀具和涂层技术的应用,大大提高了刀具的硬度,并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体。②聚晶立方氮化硼刀片(PCBN),硬度达 3 500 ~4 500HV ,已成为高速切削淬硬钢的首选刀具。③同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石(PCD)刀片,硬度可达6 000 ~ 10 000HV ,已应用于车刀、铣刀、钻头等,进入了高速切削有色金属领域,有时也应用于切削钢铁材料。

  高速加工用的刀具材料,必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言,陶瓷、金属陶瓷及 PCBN刀具等,适用于对钢铁材料的高速加工; PVD 和 CVD等刀具材料,适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工。

  (2)刀具的结构 采用物美价廉的硬质合金、金属陶瓷、涂层材料制造的可转位刀片和整体刀具,并用集成平衡装置和相应结构克服离心力,使刀具产生的高应力。

  切削刃形状: 刀具切削刃形状对加工质量也有很大影响。例如金刚石刀具切削刃有适当结晶方向时,能极大地改善刀具寿命和加工表面的粗糙度等。刀具的切削刃正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。随着新型刀具材料和超硬磨料磨具的实用化以及机床技术的进步,切削加工的高参数化是永无止境的。目前及今后一段时间,高速化仍将具有明显优势。
高速切削加工对机床系统的要求
????????高速切削机床是实现高速切削的必要条件之一。高速切削对机床的主要要求如下:

  (1)要有一个适应于超高速运转的主轴部件 主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电动机来实现,并使电动机和机床主轴合二为一,构成所谓的电主轴。由于电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好,并且避免振动与噪声,因而是高速主轴单元的理想结构。

  高速主轴单元的核心是高速精密轴承。高速主轴可采用的轴承包括空气轴承、静压轴承、动压轴承、滚动轴承和磁浮轴承。目前已研究开发成功了两种适宜超高速运转的新型轴承--陶瓷滚动轴承和磁浮轴承,在高速主轴上得到广泛应用。

  采用氯化硅陶瓷材料的滚珠做成的陶瓷轴承具有高速、高刚度、低温升、长寿命的优点,是使用广泛而经济的高速轴承。目前在高速机床主轴上主要采用混合陶瓷球轴承 (氯化硅滚珠与钢制轨道) ,滚道可进行涂层或其他表面处理。

  磁浮轴承是用电磁力将主轴无机械接触悬浮起来的新型智能化轴承,高速性能好、精度高、易实现实时诊断和在线控制,是高速加工机床主轴理想的支撑元件,相继被许多国家用于高速加工机床上。

  (2)要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件 高速机床是精密的数控机床。在进行超高速切削时,为了保持刀具每刃进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度提高。目前,高速加工中心和 NC 铣床工作台的进给速度已达到 20 ~30m/min ,快速空程速度高达 40 ~ 60m/min ,加速度达 25m/s2 ,因而对进给部件的动态特性提出了非常高的要求。

  (3)大流量喷射冷却系统 在超高速切削时,单位时间内将产生大量的热切屑,必须把它迅速从工作台清除,以免妨碍高速切削的正常进行,避免产生机床、刀具和工件的热变形。

  (4)要有一个“三刚”( 静刚度、动刚度、热刚度 ) 特性都很好的机床支撑元件 如用聚合物混凝土,即所谓的“人造花岗岩”制成的超高速机床的床身或立柱,其阻尼特性比铸铁高 7 ~ 10 倍,而密度只有铸铁的 1/3 .