高速切削對設(shè)備的選擇分析論文

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1高速切削的概念

當(dāng)切削速度超過被切削材料臨界切削速度時，切削溫度下降，切削抗力減小，刀具使用壽命延長。目前，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)60000r/min，進(jìn)給速度高達(dá)90m/min，加速度達(dá)到1.7g的高速切削機(jī)床已商品化。并在航天、模具、汽車等行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。高速切削加工不但要求切削主軸的高轉(zhuǎn)速，而且要求軸向進(jìn)給的高速度和高加速度、先進(jìn)的切削刀具等相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。高速切削應(yīng)該是可靠的高速切削。通常將切削速度和進(jìn)給速度達(dá)到常規(guī)機(jī)床5～10倍的切削加工稱之為高速切削。然而，根據(jù)Salomon的高速切削理論，高速切削應(yīng)為切削溫度不再隨切削速度的提高而上升，且以高切削速度、高切削精度、高進(jìn)給速度與加速度為主要特征的切削加工。因此，對于不同的材料，高速切削的速度范圍是不同的。目前，常用材料的高速切削范圍：鋁合金為1000～7000m/min，碳鋼為500～2000m/min，鈦合金為i00～1000m/min。

2機(jī)床選擇

現(xiàn)階段，為了實(shí)現(xiàn)高速切削加工，一般采用高柔性的高速數(shù)控機(jī)床、加工中心，也有采用專用的高速銑、鉆床。這些設(shè)備的共同之處是：必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)材料切削過程的高速化。高速切削與傳統(tǒng)切削最大的區(qū)別是，“機(jī)床—刀具—工件”系統(tǒng)的動態(tài)特性對切削性能有更強(qiáng)的影響力。在該系統(tǒng)中，機(jī)床主軸的剛度、刀柄形式、刀長設(shè)定、主軸拉刀力、刀具扭力設(shè)定等，都是影響高速切削性能的重要因素。在高速切削中，材料去除率即單位時間內(nèi)材料被切除的體積，通常受限于“機(jī)床—刀具—工件”工藝系統(tǒng)是否出現(xiàn)“顫振”。因此，為了滿足高速切削加工的需求，首先要提高機(jī)床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性。現(xiàn)階段高速切削之所以能夠成功，一個很關(guān)鍵的因素在于對系統(tǒng)動態(tài)特性問題的掌握和處理能力。為了更好地描述機(jī)床主軸的剛度特性，工程上提出新的無量綱參數(shù)一DN值，用以評價機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)對高速切削加工的適應(yīng)性。所謂DN值即“主軸直徑與每分鐘轉(zhuǎn)速之積”。新近開發(fā)的加工中心主軸DN值大都已超過100萬。為了減輕軸承的重量，還采用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承；軸承潤滑方式大都采用油氣混合潤滑方式。在高速切削加工領(lǐng)域，目前已開發(fā)空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構(gòu)成的磁氣／空氣混合主軸。在機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)方面，高速切削加工所用的進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)通常都為大導(dǎo)程、多頭高速滾珠絲杠，滾珠采用小直徑氮化硅陶瓷球，以減少其離心力和陀螺力矩；采用空心強(qiáng)冷技術(shù)來減少高速滾珠絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)時由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲杠熱變形。近幾年來，用直線電機(jī)驅(qū)動的高速進(jìn)給系統(tǒng)問世，這種進(jìn)給方式取消了從電動機(jī)到工作臺溜板之間的一切中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的零傳動。由于直線電機(jī)沒有任何旋轉(zhuǎn)元件，不受離心力的作用，可以大大提高進(jìn)給速度。直線電機(jī)的另一大優(yōu)點(diǎn)是行程不受限制。直線電機(jī)的次極是一段一段連續(xù)鋪在機(jī)床的床身上。次極鋪到哪里，初極工作臺就可運(yùn)動到哪里，而且對整個進(jìn)給系統(tǒng)的剛度沒有任何影響。采用高速絲杠或直線電機(jī)，能夠大大提高機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)。直線電機(jī)最高加速度可達(dá)2～10G，最大進(jìn)給速度可達(dá)60～200m/min或更高。此外，機(jī)床的運(yùn)動性能也將直接影響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，主要采用小切深大進(jìn)給的加工方法。要求機(jī)床在大進(jìn)給速度條件下，應(yīng)具有高精度定位功能和高精度插補(bǔ)功能，特別是圓弧高精度插補(bǔ)。圓弧加工是采用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時，必不可少的加工方法。

3刀具選擇

3.1刀具材料的發(fā)展高速切削技術(shù)發(fā)展的歷史，也就是刀具材料不斷進(jìn)步的歷史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN)。端面銑削使用CBN刀具時，其切削速度可高達(dá)5000m/min，主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石(PCD)刀具被稱之為2l世紀(jì)的刀具，它特別適用于切削含有SiO2的鋁合金材料，而這種金屬材料重量輕、強(qiáng)度高，廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車發(fā)動機(jī)、電子裝置的殼體、底座等方面。目前，用聚晶金剛石刀具端面銑削鋁合金時，5000m/min的切削速度已達(dá)到實(shí)用化水平，此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工；

3.2涂層刀具CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能，但成本相對較高。采用涂層技術(shù)能夠使切削刀具既價格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本。現(xiàn)在高速加工用的立銑刀，大都采用TiAIN系的復(fù)合多層涂鍍技術(shù)進(jìn)行處理，如目前在對鋁合金或有色金屬材料進(jìn)行干式切削時，DLC(DiamondLikeCarbon)涂層刀具就受到極大的關(guān)注，預(yù)計(jì)其市場前景十分可觀；

3.3刀具夾持系統(tǒng)刀具的夾持系統(tǒng)是支撐高速切削的重要技術(shù)，目前使用最為廣泛的是兩面夾緊式工具系統(tǒng)。已作為商品正式投放市場的兩面夾緊式工具系統(tǒng)主要有：HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系統(tǒng)。在高速切削的情況下，刀具與夾具回轉(zhuǎn)平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響加工精度和刀具壽命，而且也會影響機(jī)床的使用壽命。因此，在選擇工具系統(tǒng)時，應(yīng)盡量選用平衡性能良好的產(chǎn)品。

高速加工的切削速度為常規(guī)切速的10倍左右。為了使刀具每齒進(jìn)給量基本保持不變，以保證零件的加工精度、表面質(zhì)量和刀具的耐用度，則進(jìn)給量也必須相應(yīng)提高10倍左右，達(dá)到60m/min以上，有的甚至高達(dá)120m/min。因此，高速切削加工通常是采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給和小切深的切削工藝參數(shù)。由于高速切削的切削余量往往很小，所形成的切屑很薄很輕，把切削時產(chǎn)生的熱量很快帶走；若采用全新耐熱性更好的刀具材料和涂層，采用干切削工藝也是高速切削加工的理想工藝方案。

[論文關(guān)鍵詞]高速切削；設(shè)備；選擇

[論文摘要]本文通過對高速切削加工技術(shù)的優(yōu)越性和巨大經(jīng)濟(jì)效益的分析，全面論述了高速切削對機(jī)床設(shè)備及刀具系統(tǒng)的具體要求，闡述了高效率、高精度、高柔性和綠色化的高速切削加工技術(shù)是機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。