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高速切削机床存在的问题及发展趋势

2015年12月24日 10:51中国机床商务网点击:5119

  【中国机床商务网 市场分析】随着科学技术的不断发展,工厂加工零件的效率得到很大的提升,但是离人们的目标要求还相差很多,因而高速切削加工成为了当今火热的技术。高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术,是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题,通过高速切削加工的应用得到了解决。
  


高速切削机床(图片来源于百度图片)
 
  一、前言
  
  随着科学技术的不断发展,工厂加工零件的效率得到很大的提升,但是离人们的目标要求还相差很多,因而高速切削加工成为了当今火热的技术。高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术,是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题,通过高速切削加工的应用得到了解决。
  
  高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分发展基础之上综合而成的。因此,高速切削技术是一个复杂的系统工程,是一个随相关技术发展而不断发展的概念。
  
  高速切削技术不只是一项先进技术,它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外,20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来,经半个世纪的探索和研究,随数控机床和刀具技术的进步,80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料,其中加工铸铁和铝合金最为普遍。
  
  二、数控高速切削加工的含义
  
  在上世纪三十年代初,德国物理学家Carl.J.Salomon提出了全新的高速切削理论。他通过大量的实验研究得出结论:在正常的切削速度范围内,切削速度如果提高,会导致切削温度上升,从而加剧了切削刀具的磨损;然而,当切削速度提高到某一定值后,只要超过这个拐点,随着切削速度提高,切削温度就不会升高,反而会下降,因此只要切削速度足够高,就可以很好的解决切削温度过高而造成刀具磨损不利于切削的问题,获得良好的加工效益。
  
  后来随着制造工业的发展,这一理论逐渐被重视,并吸引了众多研究目光,在此理论基础上逐渐形成了数控高速切削技术研究领域,数控高速切削加工技术在发达国家的研究相对较早,经历了理论基础研究、应用基础研究以及应用研究和发展应用,目前已经在一些领域进入实质应用阶段。
  
  关于高速切削加工的范畴,一般有以下几种划分方法,一种是以切削速度来看,认为切削速度超过常规切削速度5-10倍即为高速切削。也有学者以主轴的转速作为界定高速加工的标准,认为主轴转速高于8000r/min即为高速加工。还有从机床主轴设计的角度,以主轴直径和主轴转速的乘积DN定义,如果DN值达到(5~2000)×105mm.r/min,则认为是高速加工。生产实践中,加工方法不同、材料不同,高速切削速度也相应不同。一般认为车削速度达到(700~7000)m/min,铣削的速度达到(300~6000)m/min,即认为是高速切削。
  
  另外,从生产实际考虑,高速切削加工概念不仅包含着切削过程的高速,还包含工艺过程的集成和优化,是一个可由此获得良好经济效益的高速度的切削加工,是技术和效益的统一。
  
  三、高速切削加工机床的特点
  
  1、生产效率得到了明显的提高
  
  高速切削加工允许使用较大的进给率,比常规切削加工提高5~10倍,单位时间材料切除率可提高3~6倍。当加工需要大量切除金属的零件时,可使加工时间大大减少。
  
  2、切削力降低了30%
  
  由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度,因此切削力较小,与常规切削相比,切削力至少可降低30%,这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形,使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。
  
  3、加工质量得到提高
  
  因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率,不会造成工艺系统的受迫振动,保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小,使得刀具、工件变形小,保持了尺寸的精确性,也使得切削破坏层变薄,残余应力小,实现了高精度、低粗糙度加工。
  
  从动力学角度分析频率的形成可知,切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅;转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率,避免共振的发生;因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度,提高加工质量。
  
  4、降低加工能耗,节省制造资源
  
  由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短,从而提高了能源和设备的利用率,降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例,符合可持续发展的要求。
  
  5、加工工艺流程得到了简化
  
  常规切削加工不能加工淬火后的材料,淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料,在很多情况下可完全省去放电加工工序,消除了放电加工所带来的表面硬化问题,减少或免除了人工光整加工。
  
  四、高速切削存在的问题
  
  从现实角度来看,人们对于高速切削的理解还是不是十分全面,因而技术也不是非常先进完善的,还有许多问题有待于解决缺乏合理的解决,即便在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国,对于高度切削加工新技术的研究应用还在处在不断发展的摸索研究之中,以下就分析一下高速切削在实际应用中存在的问题。
  
  1、加工参数不能合理选择
  
  作为一种全新的切削力方式,目前上没有完整的参数表可供选择,也没有许多加工实例可供参考。现在高速切削加工时大多数依然靠着以往的经验,或者是大量的试验来选择参数,并不能达到十分准确的效果。因而如何选择合理加工工艺参数,达到最好的切削效果,是当今高速切削应用的一个非常重要的问题。同时因为高速切削要求形成的刀具路径应尽可能圆滑,少转析点,无尖折点,程序算法应保一证高速切削的特殊要求。
  
  碰到干扰能迅速调整,保证合理的进给速度.避免刀具振动等。而在目前的加工制造过程中,刀位路径规划方法没有考虑高速切削的特殊性,因此对传统的刀位轨迹必须进行优化以适合高速切削。
  
  2、合适的刀具及方案
  
  高速切削刀具技术是高速切削的关键技术,当今刀具材料的发展还不能满足各领域需求的现状,在高速切削中刀具材料和工件材料的匹配问题大大影响了高速切削的发展。缺乏合适的刀具选择方案刀具是高速切削推广应用中的一个关键问题。由于高速切削的切削机理与传统的切削完全不同,加工的磨损机制与失效形式,刀具的受力状况,形成的切屑形态等不尽相同。在高速切削中,其失效形式根据加工的条件及工件材料不同而完全不同,比如有刀尖破碎,前、后刀面同时磨损,刀杆折断等各种形式,并且不同的刀具与不同的工件材料组合产生的效果也不一样。如何选择合理的高速切削刀具,尽可能延长刀具使用寿命,以及最大限度地发挥刀具的性能,对高速切削应用来说是一项十分关键的技术。
  
  3、高精度控制代玛及差补的研究
  
  高速切削加工复杂轮廓时,要求保持一种有规律的匀速,不允许有明显的滞后现象,否则将会烧坏刀具,而一般的加工制造极其相关CAM软件中,在处理轮廓的NC程序时,在曲率变化大的部分,为了保证插补精度,会有明显的滞后现象。目前插补器中计算量与插补精度是一对无法调和的矛盾,一方面为了提高精度必须细化插补步长,而插补步长的细化又带来了极大的计算量,限制了程序运行周期,降低了运行速度。由于日前的直线与圆弧播补器无法浦足高精度的要求,必须开发新型的CNC矫补器。
  
  除以上问题,如高速切削机床总体的动态、热态特性,刀具材料、几何角度和刀具寿命间题,冷却润滑液的选择等,都是需要研究解决的难题,只有整体上考虑高速加工机床才能发挥高速切削的巨大作用。
  
  五、高速切削技术国内发展现状
  
  国内高速超高速磨削的发展自1958年,我国开始推广高速磨削技术。1964年,磨料磨具磨削(三磨)研究所和洛阳拖拉机厂合作进行了50m/s高速磨削试验,在机床改装和工艺等方面获得一定成果。1975年10月,河南省南阳机床厂试制成功了MS132型80m/s高速外圆磨床。1976年,上海机床厂、上海砂轮厂、郑州磨料磨具磨削研究所等组成高速磨削试验小组对80、100m/s高速磨削工艺进行了试验研究。
  
  1982年10月,湖南大学进行了60m/s高速强力凸轮磨削工艺试验研究,为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强力磨削砂轮提供了实验数据。至1995年,汉江机床厂使用陶瓷CBN砂轮,进行了200m/s的超高速磨削试验。广西大学于1997年前后开展了80m/s的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。
  
  在2000年中国数控机床展览会上,湖南大学推出了最高线速度达120m/s的数控凸轮轴磨床。从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计。
  
  20世纪90年代至今,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kw、最高砂轮线速度达250m/s的超高速试验磨床。东北大学先后进行超高速磨削热传递机制研究,高速单颗粒磨削机理研究,200m/s电镀CBN超高速砂轮设计与制造,超高速磨削温度场研究,磨削摩擦系数的研究,超高速磨削砂轮表面气流的研究,超高速磨削机理分子动力学的仿真等,取得了可喜的研究成果,部分研究成果达到国际先进水平。
  
  高速机床的高档数控系统和开放式数控系统正在深入研究中,但目前主要还是依赖进口。目前国内正逐步开始推广应用高速切削技术,主要是应用在航空航天、模具和汽车工业,加工铝合金和铸铁较多,但采用的刀具以进口为主。国内刀具材料目前仍以高速钢、硬质合金刀具为主,先进刀具材料(如涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷刀具、CBN和PCD刀具等)虽有一定基础,但应用范围不够广泛。总的来说,切削速度普遍偏低,切削水平和加工效率较低。高速切削基础理论研究起步较晚,80年代以来,国内对陶瓷刀具高速硬切削时的切屑形成、切削温度、切削力、刀具磨损与破损、刀具寿命和加工表面质量等规律进行了系统研究,并已在生产中得到较多应用。
  
  自90年代以来,对高速切削铝合金、钢、铸铁、高温合金、钛合金等的切削力、切削温度、刀具磨损与破损和刀具寿命进行了一定研究和探讨,但还没有进行全面系统的研究。对切削加工过程的监控技术研究较多,但投入生产使用的较少。
  
  六、高速切削技术的发展趋势
  
  高速切削技术发展趋势和未来研究方向归纳起来主要有:
  
  (1)基于高速切削工艺,开发推广干式(准干式)切削绿色制造技术;
  
  (2)高速切削动态特性及稳定性的研究;
  
  (3)高速切削机理的深入研究;
  
  (4)新一代抗热振性好、耐磨性好、寿命长的刀具材料的研制及适宜于高速切削的刀具结构的研究;
  
  (5)进一步拓宽高速切削工件材料及其高速切削工艺范围;
  
  (6)开发适用于高速切削加工状态的监控技术;
  
  (7)建立高速切削数据库,开发适于高速切削加工的编程技术以进一步推广高速切削加工技术;
  
  (8)基于高速切削,开发推广高能加工技术。
  
  七、结论
  
  从当今的工业发展我们就能看出,工业水平越来越先进,我国的制造业也变得越来越强,我们也逐渐成为了强大工业国家。高速切削技术是当今非常先进的技术,拥有者非常良好的前景,它能带动工业社会的全新发展。因而,对于高速切削的研究,我们要努力奋斗,只有不停的创新和改革,工业才能发展的更加迅速!
(来源:中国刀具商务网)

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