王书建
(日照市工业学校,山东日照 276826)
谈高速切削加工对机床的要求
王书建
(日照市工业学校,山东日照 276826)
综述了高速切削加工的原始定义, 结合Salomon曲线重点分析了高速切削加工对机床的要求
高速切削加工 机床
1 高速加工的原始定义
Salomon理论“采用较高的切削速度”在1931年获得了一项德国专利,在该理论中他指出“在一定的切削速度(比常规加工高5～10倍)下,在切削刃处的切屑去除温度将会开始降低……。”结论是“这种高速加工将有可能,在较高的切削速度下采用普通刀具进行加工而提高生产率……。”
现实中确实存在这样的现象,即对于不同的材料, 在以一定的切削速度进行切削的切削刃上,温度有相对的降低。对于钢和铸铁而言,这种温度降低的程度较小。而对于铝和其他铁金属材料,这种温度降低的程度较高。
Salomon原理出发点是用传统刀具进行高速度切削,从而提高生产率。很遗憾,到目前为止,其原理仍未被现代科学研究所证实。事实上,高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程,它涵盖了机床材料的研究及选用技术,机床结构设计和制造技术,高性能CNC控制系统、通讯系统,高速、高效冷却高精度和大功率主轴系统,高精度快速进给系统,高性能刀具夹持系统,高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术,高效高精度测试测量技术,高速切削机理,高速切削工艺,适合高速加工的编程软件与变成策略等等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上,建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。所以要发挥储高速切削的优越性能,必须是C A D/C A M系统、C N C控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。本文重点就高速切削加工对机床的主要要求做以下分析。
2 高速切削加工对机床系统的主要要求
高速切削机床是实现高速及超高速切削的必要条件之一。超高速切削对机床的主要要求如下:(1)适用于超高速运转的主轴部件及驱动系统:主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电机来实现,并使电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。(2)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。目前空气轴承受到切削载荷较小及较小过载能力的限制,静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而使转速受限,故这两种轴承应用有限。动静压混合轴承采用流体动力和流体静力有机结合的方法,使轴承在油膜支撑中旋转,具有径向和轴向跳动精度高、刚度好、阻尼特性好、粗精加工均适用、轴承寿命无限长等优点。(3)高速轴承的应用:在高速转动条件下,滚动轴承中滚动体的离心力和陀螺力短将急剧增大。为了减少滚珠离心力,一般采取两个措施:①减小滚珠直径。②采用氯化硅陶瓷材料做滚珠(Si3N4)。用这种材料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。(4)合理地选择润滑方式:主轴承润滑为高速主轴转速的提高起着重要作用。特别是滚动轴承,采用油空气润滑或喷油润滑是不可避免的课题。采用有空气润滑后,轴承的dn值将比脂润滑提高30%—50%。喷油润滑的轴承极限转速可达(2.3—2.5)*106r/min。(5)快速反应的数控伺服系统和进给部件:超高速机床是精密的数控机床。在进行超高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高,进给速度也必须大幅度提高。(6)高效的切屑处理方法: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、刀具和工作的热变形。解决这个问题的主要方法是:①开发新型的高压喷射装置,把压力为7Mpa、流量60L/min左右的高压切削液射向机床的切削部位。②以“瀑布”方式将大量切削液从机床顶部淋向机床工作台,把大量的热切屑立即冲离工作台,始终保持工作台面的清洁,并形成一个恒温的小环境,保证加工精度。③用防护罩把切削区完全封闭起来,以防止切屑和切削液到处飞溅,污染工作环境。在高速旋转的刀具周围,用足够厚的优质钢板和防弹玻璃安全罩和观察窗,以确保人身和设备安全。(7)“三刚”(静刚度、动刚度、热刚度)特性都很好的机床支承元件:如用聚合物混凝土(polymer concrete),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1/3。提高机床刚性的一个措施是改革床体结构,例如美国Giddingsamp;Lewis公司在其RAM高速加工中心的设计上,大胆地将立柱和底座合为一整体。
3 高速切削加工的未来
目前高速切削加工技术已经引起全世界制造业和科研机构的高度重视和极大兴趣,但推广应用高速切削加工技术仍存在一定障碍,主要问题有:如何使已加工表面保持稳定的表面粗糙度和尺寸精度;已加工表面质量能否满足零件的工况需要并具有一定的寿命等。因此,未来高速切削加工技术的研究重点是:控制切削过程中切削力的大小并保持其稳定性;消除和减小切削热对工件尺寸精度的作用;高速切削过程中,冷却润滑技术的合理化;已加工表面硬度的梯度、残余应力的分布、表层组织形态和白层形成机理的研究。应该说高速加工的前途是光明的。波音公司的Neilsen说“我作为一个机械师已有35年历史,我从未在加工中看到象高速加工那样优越的技术。象NC技术的出现一样,高速加工也是一项革命性的革新。采用这种技术能以过去所需时间的1/1 6来加工一个零件。如果你用15000r/min主轴转速的高速机床,那么我用40000r/min的主轴,1g的加速度(减速度),在超过25m/min的进给率下,只需用前者1/4～1/6的时间就可完成一个零件的加工。
[1]艾兴.高效加工技术及其应用研究.中国工程科学,2000,2(11):40～51.
[2]Toenshoff,H.K,worbker,H-G,Brand,D.:Harbear beitung aus.
王书建,性别:男,籍贯:山东省郓城,民族:汉族,生日:1971.6,学位:工程硕士,职称:中专高级讲师,研究方向:数控加工。
