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2012CMJ高峰论坛展示高速高效加工与精密制造技术

2012年09月17日 09:55中国机床商务网点击:7136

  jc35导读:2012年6月13日,第十一届中国国际机床工具展期间主办的“2012CMJ高速高效加工和精密制造高峰论坛”在北京召开。本次论坛由东华大学博士生导师、上海航天设备制造工艺与装备工程技术研究中心常务副主任李蓓智教授主持,聚焦航空航天、军工领域,展示高速高效加工与精密制造技术,来自同济大学的张曙教授和南京航空航天大学何宁教授分别就钛合金高速高效加工机床的发展和航空航天高速高效加工技术做了重要演讲。
  
  钛合金加工的新进展
  
  上海市科技工程、全国优秀科技工作者、中国机械工程学会荣誉理事、同济大学张曙教授的演讲题目是《钛合金加工的新进展》。
  
  钛合金的应用非常广泛。在航空航天:发动机零件、起落架、结构件等;在军事地面车辆:坦克、装甲车、火炮等;在医疗:人体植入物、牙齿修复等;在轻量化的民用产品:汽车、眼镜、高尔夫杆等。
  
  钛合金有很多特点,它具有很高的强度,是铝的10倍,是低碳钢的3倍,接近不锈钢。高强度对於结构件来说是非常重要的,飞机越大,强度要求也就越大。除了高强度以外,另一个非常重要的特点就是它的低密度。大约是碳钢的1/2,铝的1.6倍,正是因为它强度高又轻,所以在航空航天领域,一切可以移动的物体里面用的越来越广泛。此外低弹性模量是钛合金的另一大特点,大约是碳钢的1/2,铝的1.6倍,容易变形。钛合金还具有低热导率的特点,大约是碳钢的1/10,铝的1/50。正是由於以上特点,钛合金加工同样面临着许多困难:切削速度低、单位时间的金属切除率低、导致加工时间长;切削力大、摩擦力大、发热大、刀具易磨损、刀具寿命低、导致刀具费用急剧增加。
  
  钛合金加工机床因此也具有很多特点:高刚度、高动态响应的结构;阻尼系数大的结合面和结构材料;高转矩和大功率的主轴;高效的冷却系统。其中高刚度的结构保证机床具有较高的抗振能力,因此可采用较大的切削用量,从而大幅度提高机床的生产率。阻尼对切削力的影响表表现,如果阻尼系数低,不稳定区域就很小,如果阻尼系数高,稳定区域就上升。接下来,张教授以意大利的TARKUS5轴加工中心和日本Makino的T2加工大型结构件为例,从机床内部结构、主轴设计、大面积导轨、回转工作台以及温度控制等方面,重点解释如何满足加工需求。
  
  切削参数和刀具对钛合金加工也非常重要,刀具破损的主要因素。在一般的加工情况下,机械损坏是主要的,在钛合金加工情况下,热损坏是主要的。所以如何降低钛合金的温度和提高刀具的耐热性,是非常重要的。切削参数对於切削力有五大影响。第一个影响是轴向吃刀深度,第二个影响是径向的切入量,第三个影响是每齿进给量,第四个影响是冷却方法,第五个影响是切削速度。对切削温度同样有五大影响,第一个影响是冷却方法,第二个影响是切削速度,第三个影响是径向的切入量,第四个影响是每齿是进给量,第五个影响是吃刀深度。其中影响刀具寿命最大的因素是切削速度,最小的因素是吃刀深度。
  
  山特维克可乐满Coromill690铣刀,是专门用来加工钛合金的,它的特点是要保证冷却液通过中空螺钉,iLock刀片底部有4个槽,保证与刀体的准确位置,使刀片可靠地固定以承受大的切削力。假设有20个刀片就要40股冷却液,有40个刀片就要有80股冷却液。
  
  也有公司在刀片的涂层上想办法,Stillram公司就开发了4E的刀片,该刀片在钛合金切削时可达6分钟以上的耐用度,它主要是用涂层的办法来使得刀片能够承受高温。
  
  切削过程的冷却。钛合金切削过程的冷却是非常复杂的,钛合金加工的冷却介质最常用的是水冷却液,第二个是液态的CO2,第三个是液氮。在高压大流量水基冷却液加工中,三管齐下:主轴上方冷却:50l/min,0.5MPa;周边喷嘴冷却:50l/min,1.5MPa;通过主轴孔冷却:200l/min,07MPa。所以这就要求我们能提供多冷却系统的加工。
  
  钛合金可以采用的非切削加工,包括钛合金的高压水切割,磨料和水在高压下一起喷出来,可以加工1.5寸厚的钛合金板,遗憾的是它的形状受到一定的限制。钛合金也可以采用电加工。
  
  随着钛合金的应用日益广泛,钛合金高速高效加工已经提到日程上来,成为现代制造技术研究和实践的主攻方向之一,必须加以重视。钛合金加工的机床应该具有高刚度、高动态性能,采用阻尼系数大的结构,才能够提高单位时间的金属切除率,缩短加工时间。切削过程发热大是钛合金加工的难点,需要耐热涂层刀片以及新的刀具结构,使冷却液能够喷射到切削刃。钛合金加工过程中要特别重视冷却方式,大流量高压水基冷却液、液氮、CO2是目前的三种首选方式。
  
  面向航空航天的高性能加工技术
  
  来自南京航空航天大学的何宁教授介绍了高性能加工技术、高速加工技术、高效加工技术、可测可控加工、可持续加工、先进工艺数据技术服务六个方面的内容。
  
  第一个高性能加工技术。航空航天业的各种复杂材料、复杂结构、整体结构件的发展对表面加工质量、刀具磨损、变形的加工效率,尤其是效率的问题,提出了很多挑战。也因此对加工技术提出了更高的切削效率、更高的加工质量的要求。高性能加工就是根据加工对象,以最高的加工效率、最大的经济效益、最满意的加工质量为目标,获得高性能零件与高性能加工过程的切削技术。高性能切削技术的主要特征:粗加工阶段以高效切削为主要特性,快速去除大量余量;精加工阶段以高质量为主要特性,满足零件的使用性能要求,通常通过高速切削获得高加工质量,同时,单位时间内面积去除率最高;绿色可持续特性,降低能耗,减少资源消耗和污染物排放;可测可控性,对加工过程、加工结果可以预测,可以控制,进而可以综合优化。
  
  第二个是高速加工技术。航空航天薄壁结构件的主要特点是薄壁框、薄壁腹板,局部刚性差;材料去除率>95%。薄壁结构件铣削加工的主要问题是:铣削振动导致加工效率低下;结构局部变形:薄壁零件的结构复杂、尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低。加工工艺性差,不易控制加工精度和提高加工效率,加工变形问题则是薄壁件加工的主要技术难题。切削力导致薄壁类零件变形。作为高速加工技术中的高速切削技术,可以提高加工质量,包含更高的表面质量、可实现低变形(翘曲)加工、可实现无振稳定加工、切削力更低。可以减少加工时间,包括更高的切削速度、更高的进给率、较大的材料去除率、更低的空运转耗时。还可以降低加工成本,包括缩短单件的生产时间、缩短单件的机床工作时间、进一步发挥刀具的性能、可实现乾切削或准乾式切削。
  
  第三个是高效加工技术。提高材料去除率的因素有很多,包括工件材料、刀具材料、工件/毛胚材料比重、许用功率、结构形状/装夹刚性/加工工艺、动态/模态特性,其中高效加工成为提高材料去除率的决定性因素。高效加工技术中的高速插铣技术,效率比传统铣削技术高3-5倍,但要求使用专用刀具和大功率机床。作为大进给铣削技术,采用了小的安装角(45°或更小),从而使径向切削力最小化、轴向切削力最大化。与插铣类似,切削力沿轴向传入机床主轴,从而降低了振动的风险,使加工更为平稳。反过来,这又使得即便在进行大悬伸加工时,也可以采用更大的切削用量,从而减少工序数量。由於采用小切深的大进给粗铣加工能够加工出接近成品要求形状的近净外形,因此常常可以省略半精加工工序,从而简化数控编程。另外,大进给铣削加工不需要增加机床的转速;对机床功率无特殊要求,普通机床只要满足一定的高速CNC加工控制功能,即可实现大进给铣削加工。当然需要专用的大进给刀具(刀片)。该技术在加工TC4钛合金典型零件时,粗加工大进给加工方式效率提高54.14%,精加工大进给加工方式效率提高74.17%。变速切削技术的结果是极限切深提高,材料去除率也提高,切削振动则降低,因此表面质量则提高。
  
(来源:中国机械与金属)
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