基于高速切削对设备的选择

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基于高速切削对设备的选择

　　[论文关键词]高速切削；设备；选择

　　[论文摘要]本文通过对高速切削加工技术的优越性和巨大经济效益的分析，全面论述了高速切削对机床设备及刀具系统的具体要求，阐述了高效率、高精度、高柔性和绿色化的高速切削加工技术是机械加工领域的发展趋势。
　　　
　　1 高速切削的概念
　　
　　当切削速度超过被切削材料临界切削速度时，切削温度下降，切削抗力减小，刀具使用寿命延长。目前，主轴转速高达60000r/min，进给速度高达90m/min，加速度达到1.7g的高速切削机床已商品化。并在航天、模具、汽车等行业的实际应用中，产生了巨大的技术经济效益。高速切削加工不但要求切削主轴的高转速，而且要求轴向进给的高速度和高加速度、先进的切削刀具等相关的关键技术。高速切削应该是可靠的高速切削。通常将切削速度和进给速度达到常规机床5～10倍的切削加工称之为高速切削。然而，根据Salomon的高速切削理论，高速切削应为切削温度不再随切削速度的提高而上升，且以高切削速度、高切削精度、高进给速度与加速度为主要特征的切削加工。因此，对于不同的材料，高速切削的速度范围是不同的。目前，常用材料的高速切削范围：铝合金为1000～7000m/min，碳钢为500～2000m/min，钛合金为i00～1000m/min。
　　
　　2 机床选择
　　
　　现阶段，为了实现高速切削加工，一般采用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有采用专用的高速铣、钻床。这些设备的共同之处是：必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。高速切削与传统切削最大的区别是，“机床—刀具—工件”系统的动态特性对切削性能有更强的影响力。在该系统中，机床主轴的刚度、刀柄形式、刀长设定、主轴拉刀力、刀具扭力设定等，都是影响高速切削性能的重要因素。在高速切削中，材料去除率即单位时间内材料被切除的体积，通常受限于“机床—刀具—工件”工艺系统是否出现“颤振”。因此，为了满足高速切削加工的需求，首先要提高机床动静刚度尤其是主轴的刚度特性。现阶段高速切削之所以能够成功，一个很关键的因素在于对系统动态特性问题的掌握和处理能力。为了更好地描述机床主轴的刚度特性，工程上提出新的无量纲参数一DN值，用以评价机床的主轴结构对高速切削加工的适应性。所谓DN值即“主轴直径与每分钟转速之积”。新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万。为了减轻轴承的重量，还采用了比钢制品要轻得多的陶瓷球轴承；轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速切削加工领域，目前已开发空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴承合并构成的磁气／空气混合主轴。在机床进给机构方面，高速切削加工所用的进给驱动机构通常都为大导程、多头高速滚珠丝杠，滚珠采用小直径氮化硅陶瓷球，以减少其离心力和陀螺力矩；采用空心强冷技术来减少高速滚珠丝杠运转时由于摩擦产生温升而造成的丝杠热变形。近几年来，用直线电机驱动的高速进给系统问世，这种进给方式取消了从电动机到工作台溜板之间的一切中间机械传动环节，实现了机床进给系统的零传动。由于直线电机没有任何旋转元件，不受离心力的作用，可以大大提高进给速度。直线电机的另一大优点是行程不受限制。直线电机的次极是一段一段连续铺在机床的床身上。次极铺到哪里，初极工作台就可运动到哪里，而且对整个进给系统的刚度没有任何影响。采用高速丝杠或直线电机，能够大大提高机床进给系统的快速响应。直线电机最高加速度可达2～10G，最大进给速度可达60～200m/min或更高。此外，机床的运动性能也将直接影响加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切削加工中，主要采用小切深大进给的加工方法。要求机床在大进给速度条件下，应具有高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补。圆弧加工是采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或模具时，必不可少的加工方法。

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　　3 刀具选择
　　
　　3.1 刀具材料的发展高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN)。端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min，主要用于灰口铸铁的切削加工。聚晶金刚石(PCD)刀具被称之为2l世纪的刀具，它特别适用于切削含有SiO2的铝合金材料，而这种金属材料重量轻、强度高，广泛地应用于汽车、摩托车发动机、电子装置的壳体、底座等方面。目前，用聚晶金刚石刀具端面铣削铝合金时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平，此外陶瓷刀具也适用于灰口铸铁的高速切削加工；
　　3.2　涂层刀具CBN和金刚石刀具尽管具有很好的高速切削性能，但成本相对较高。采用涂层技术能够使切削刀具既价格低廉，又具有优异性能，可有效降低加工成本。现在高速加工用的立铣刀，大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理，如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时，DLC(Diamond Like Carbon)涂层刀具就受到极大的关注，预计其市场前景十分可观；
　　3.3 刀具夹持系统刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术，目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。已作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有：HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系统。在高速切削的情况下，刀具与夹具回转平衡性能的优劣，不仅影响加工精度和刀具寿命，而且也会影响机床的使用寿命。因此，在选择工具系统时，应尽量选用平衡性能良好的产品。
　　高速加工的切削速度为常规切速的10倍左右。为了使刀具每齿进给量基本保持不变，以保证零件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度，则进给量也必须相应提高10倍左右，达到60m/min以上，有的甚至高达120m/min。因此，高速切削加工通常是采用高转速、大进给和小切深的切削工艺参数。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很轻，把切削时产生的热量很快带走；若采用全新耐热性更好的刀具材料和涂层，采用干切削工艺也是高速切削加工的理想工艺方案。