談高速切削加工對(duì)機(jī)床的要求

王書建

(日照市工業(yè)學(xué)校,山東日照 276826)

談高速切削加工對(duì)機(jī)床的要求

王書建

(日照市工業(yè)學(xué)校,山東日照 276826)

綜述了高速切削加工的原始定義, 結(jié)合Salomon曲線重點(diǎn)分析了高速切削加工對(duì)機(jī)床的要求

高速切削加工 機(jī)床

1 高速加工的原始定義

Salomon理論“采用較高的切削速度”在1931年獲得了一項(xiàng)德國(guó)專利,在該理論中他指出“在一定的切削速度(比常規(guī)加工高5～10倍)下,在切削刃處的切屑去除溫度將會(huì)開始降低……。”結(jié)論是“這種高速加工將有可能,在較高的切削速度下采用普通刀具進(jìn)行加工而提高生產(chǎn)率……。”

現(xiàn)實(shí)中確實(shí)存在這樣的現(xiàn)象,即對(duì)于不同的材料, 在以一定的切削速度進(jìn)行切削的切削刃上,溫度有相對(duì)的降低。對(duì)于鋼和鑄鐵而言,這種溫度降低的程度較小。而對(duì)于鋁和其他鐵金屬材料,這種溫度降低的程度較高。

Salomon原理出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行高速度切削,從而提高生產(chǎn)率。很遺憾,到目前為止,其原理仍未被現(xiàn)代科學(xué)研究所證實(shí)。事實(shí)上,高速切削技術(shù)是一個(gè)非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,它涵蓋了機(jī)床材料的研究及選用技術(shù),機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù),高性能CNC控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng),高速、高效冷卻高精度和大功率主軸系統(tǒng),高精度快速進(jìn)給系統(tǒng),高性能刀具夾持系統(tǒng),高性能刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù),高效高精度測(cè)試測(cè)量技術(shù),高速切削機(jī)理,高速切削工藝,適合高速加工的編程軟件與變成策略等等諸多相關(guān)的硬件和軟件技術(shù)。只有在這些技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上,建立起來(lái)的高速切削技術(shù)才具有真正的意義。所以要發(fā)揮儲(chǔ)高速切削的優(yōu)越性能,必須是C A D/C A M系統(tǒng)、C N C控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊、機(jī)床、刀具和工藝等技術(shù)的完美組合。本文重點(diǎn)就高速切削加工對(duì)機(jī)床的主要要求做以下分析。

2 高速切削加工對(duì)機(jī)床系統(tǒng)的主要要求

高速切削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速及超高速切削的必要條件之一。超高速切削對(duì)機(jī)床的主要要求如下:(1)適用于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸部件及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):主軸的變速范圍完全由變頻調(diào)速交流主軸電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),并使電機(jī)和機(jī)床主軸合二為一,構(gòu)成所謂的電主軸。由于電主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好,并且避免振動(dòng)與噪聲,因而是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。(2)高速主軸單元的核心是高速精密軸承:高速主軸可采用的軸承包括空氣軸承、靜壓軸承、動(dòng)壓軸承、滾動(dòng)軸承和磁浮軸承。目前空氣軸承受到切削載荷較小及較小過(guò)載能力的限制,靜壓軸承則由于摩擦熱及有關(guān)功率損失而使轉(zhuǎn)速受限,故這兩種軸承應(yīng)用有限。動(dòng)靜壓混合軸承采用流體動(dòng)力和流體靜力有機(jī)結(jié)合的方法,使軸承在油膜支撐中旋轉(zhuǎn),具有徑向和軸向跳動(dòng)精度高、剛度好、阻尼特性好、粗精加工均適用、軸承壽命無(wú)限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。(3)高速軸承的應(yīng)用:在高速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下,滾動(dòng)軸承中滾動(dòng)體的離心力和陀螺力短將急劇增大。為了減少滾珠離心力,一般采取兩個(gè)措施:①減小滾珠直徑。②采用氯化硅陶瓷材料做滾珠(Si3N4)。用這種材料做成的陶瓷軸承具有高速、高剛度、低溫升、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn),是使用廣泛而經(jīng)濟(jì)的高速軸承。(4)合理地選擇潤(rùn)滑方式:主軸承潤(rùn)滑為高速主軸轉(zhuǎn)速的提高起著重要作用。特別是滾動(dòng)軸承,采用油空氣潤(rùn)滑或噴油潤(rùn)滑是不可避免的課題。采用有空氣潤(rùn)滑后,軸承的dn值將比脂潤(rùn)滑提高30%—50%。噴油潤(rùn)滑的軸承極限轉(zhuǎn)速可達(dá)(2.3—2.5)*106r/min。(5)快速反應(yīng)的數(shù)控伺服系統(tǒng)和進(jìn)給部件:超高速機(jī)床是精密的數(shù)控機(jī)床。在進(jìn)行超高速切削時(shí),為了保持刀具每齒進(jìn)給量基本不變,隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,進(jìn)給速度也必須大幅度提高。(6)高效的切屑處理方法:大流量噴射冷卻系統(tǒng)在超高速切削時(shí),單位時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生大量的熱切屑,必須把它迅速?gòu)墓ぷ髋_(tái)清除,以免妨礙高速切削的正常進(jìn)行,避免產(chǎn)生機(jī)床、刀具和工作的熱變形。解決這個(gè)問(wèn)題的主要方法是:①開發(fā)新型的高壓噴射裝置,把壓力為7Mpa、流量60L/min左右的高壓切削液射向機(jī)床的切削部位。②以“瀑布”方式將大量切削液從機(jī)床頂部淋向機(jī)床工作臺(tái),把大量的熱切屑立即沖離工作臺(tái),始終保持工作臺(tái)面的清潔,并形成一個(gè)恒溫的小環(huán)境,保證加工精度。③用防護(hù)罩把切削區(qū)完全封閉起來(lái),以防止切屑和切削液到處飛濺,污染工作環(huán)境。在高速旋轉(zhuǎn)的刀具周圍,用足夠厚的優(yōu)質(zhì)鋼板和防彈玻璃安全罩和觀察窗,以確保人身和設(shè)備安全。(7)“三剛”(靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度)特性都很好的機(jī)床支承元件:如用聚合物混凝土(polymer concrete),即所謂的“人造花崗巖”制成的超高速機(jī)床的床身或立柱,其阻尼特性比鑄鐵高7—10倍,而密度只有鑄鐵1/3。提高機(jī)床剛性的一個(gè)措施是改革床體結(jié)構(gòu),例如美國(guó)Giddingsamp;Lewis公司在其RAM高速加工中心的設(shè)計(jì)上,大膽地將立柱和底座合為一整體。

3 高速切削加工的未來(lái)

目前高速切削加工技術(shù)已經(jīng)引起全世界制造業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的高度重視和極大興趣,但推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù)仍存在一定障礙,主要問(wèn)題有:如何使已加工表面保持穩(wěn)定的表面粗糙度和尺寸精度;已加工表面質(zhì)量能否滿足零件的工況需要并具有一定的壽命等。因此,未來(lái)高速切削加工技術(shù)的研究重點(diǎn)是:控制切削過(guò)程中切削力的大小并保持其穩(wěn)定性;消除和減小切削熱對(duì)工件尺寸精度的作用;高速切削過(guò)程中,冷卻潤(rùn)滑技術(shù)的合理化;已加工表面硬度的梯度、殘余應(yīng)力的分布、表層組織形態(tài)和白層形成機(jī)理的研究。應(yīng)該說(shuō)高速加工的前途是光明的。波音公司的Neilsen說(shuō)“我作為一個(gè)機(jī)械師已有35年歷史,我從未在加工中看到象高速加工那樣優(yōu)越的技術(shù)。象NC技術(shù)的出現(xiàn)一樣,高速加工也是一項(xiàng)革命性的革新。采用這種技術(shù)能以過(guò)去所需時(shí)間的1/1 6來(lái)加工一個(gè)零件。如果你用15000r/min主軸轉(zhuǎn)速的高速機(jī)床,那么我用40000r/min的主軸,1g的加速度(減速度),在超過(guò)25m/min的進(jìn)給率下,只需用前者1/4～1/6的時(shí)間就可完成一個(gè)零件的加工。

[1]艾興.高效加工技術(shù)及其應(yīng)用研究.中國(guó)工程科學(xué),2000,2(11):40～51.

[2]Toenshoff,H.K,worbker,H-G,Brand,D.:Harbear beitung aus.

王書建,性別:男,籍貫:山東省鄆城,民族:漢族,生日:1971.6,學(xué)位:工程碩士,職稱:中專高級(jí)講師,研究方向:數(shù)控加工。