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数控机床/铣床 |
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高速加工：普通铣削的替代和补充方案 |
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作者：瑞士米克朗公司 Ralf Lottgen |
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多年的经验表明曾经是最新技术的电机加齿轮箱传动的主轴结构已不能被用于工模具制造、多任务量生产或原型制造。经常变化的工件形状和材料、要求严格的精度和表面质量，以及更短的生产时间与批量生产相比产生了不同的要求。另一方面，高速切削工艺的生产能力给人以深刻印象，以致以利润为目标的公司不禁考虑起采用该工艺。这在模具制造业、复杂和/或精密生产中越来越成为现实。
工业化高速切削应用的分析
小直径刀具、高速主轴和高动态性能机床的利用不断扩大高速切削工艺在微小结构和复杂几何形状方面的应用。对工业化高速切削应用的仔细审查，会发现该技术具有的令人兴奋的潜力。比如用米克朗XSM400和HSM300的机床加工这方面的零件。
显然，为了有效地发挥高速切削工艺的优点，通常需要全新的工艺方案。
高速切削在降低生产、非生产和装夹时间方面可见到明显的优势。提高零件精度带来的的好处在后续工序中体现的比较明显，如提高了零件装配时的互换性(配合精度)及在EDM加工时改善的工艺特性。如果文中所列举的工序部分或完全被替代，则可减少部分工序和/或使生产时间缩短。然而，必须强调的是这些优点只有使用满足高速切削要求的机床才能体会到。出色的动力特性、智能和高效的控制系统以及最新的主轴技术是重要的标准。机床必须被认为是整个工艺中不可分割的一部分，在这点上，机床结构通常需要进行调整以适应新情况，有时甚至需要重新设计。此外，还要掌握所需的专门技术诀窍以保证新工艺的快速成功实施。彻底理解高速切削工艺的基础知识和选择适合特定应用的铣削刀具及刀柄被认为是关键点。掌握适合高速切削的CAD/CAM系统知识也尤为重要。
高速切削工艺
1，切屑的形成
您会发现寻找一种普遍有效的、现成的高速切削定义是个徒劳举动。它涉及的问题太过复杂，以致于很难用一个公式或几句话清楚表达。可简单地表达为 ：能更好地发挥现代刀具材料的切削效率。与普通铣削相比，该技术极大地提高了切削速度，从而改变了切屑的形成过程。正是改变了过程特性，才带来了上面所讨论的好处。
图1：铣削工艺-加工延展性材料的切屑形成
图2：铣削工艺-高速切削工艺中的切屑形成
图1显示了前刀面区域待加工的材料是如何持续地塑性变形。剪切切屑的同时工件表面进行了重组。刀具与切屑的摩擦以及切屑的剪切和剥离产生的热量传递给了刀具或工件，或通过切屑散发。如果正确设置工艺过程，能将产生热量的70％到80％传递给切屑。
图2显示了提高切削速度的工艺过程。这里，通过提高切削速度，待切削的工件材料变形所产生的不断增加的阻力被设为基础条件。该现象导致摩擦和压力的增加并导致切屑温度和刀具与工件之间接触面温度的提高。在该点，接触面区域的温度可升至工件材料的熔点。切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力。因此，形成了良好的持续切削流，切屑压力降低。形成的流动切屑带有较大的剪切角和较小的切屑横截面。该原理导致了更大的切屑曲率，这是在设置高速切削工艺时需要考虑的现象。通过加大剪切角来减小切屑横截面，加快了工件变形并使切削力降低。
2，新的切屑形成过程的作用
由于前刀面的摩擦和剪切工件变形在前刀面区域产生了大量的热。热量绝大部分流向了切屑，一小部分流向了刀具，刀具承受了高速切削产生的温度应力。只有少量的热（主要由于后刀面摩擦而产生）流向了工件。
在进行真正高速切削加工时，切屑显示出特有的颜色和曲率。该特性应为设置和评价工艺过程所考虑。为了避免刀具的过热，必须从刀具周围就近区域高效和快速地去除热的切屑。
然而，广义上整个机床区域－不论热的切屑直接接触到的，或是间接通过工件接触到的，以及重要的机床部件区域－都被认为是工作区域。因此，尽快地处理产生热源的切屑非常重要。前刀面和后刀面上的各种磨损可通过有效的外部润滑来降低。此外，切屑和工件端面之间的摩擦也可通过外部润滑而降低，从而加速切屑的流动。
与传统切削过程相比，高速切削的切削力明显要小一些。
3，新的切屑形成过程带来的优点
通过高速切削产生的切屑形成过程的特殊性质带来了诸多好处，也使高速切削工艺的使用更加吸引人。
从用户的角度，一方面降低的切削力导致：
较高的零件精度
更好的表面质量
另一方面，通过采用特殊的刃具形状，将加工应用领域拓展到：
较硬材料的加工
微小结构加工
需要利用细长刀具的加工
需要较大刀具外伸长度的加工
高速切削中切削速度较大，给用户带来的直接好处包括：
旋转刀具更大的稳定性
提高了进给速度，从而增加了金属去除率
另外，由于工件热量降低，可产生 ：
更高的零件精度
4，高速切削机床
为了正确对待高速切削工艺的要求，机床必须满足动力学、主轴速度以及刚度和吸振性的严格要求。如果在刀具直径确定的情况下提高切削线速度，则无疑需要较高的主轴速度。在加工微小和细致的几何形状时，会要求更高的速度，因为需采用直径更小的刀具。所以至少要采用速度超过40,000转/分和扭矩超过6牛·米的主轴。
目前，可在工业上使用的速度达60,000转/分的主轴已是最新技术趋势。
为使每个切削刃获得适当的进给率，高的进给速度和加速度也是必要的，通常需要全新的机床概念。由混凝土聚合物制成的床身框架和由球墨铸铁制成的滑枕等移动部件是最新的技术趋势。固定部件极为坚固并经过大量的精加工，以保证尽可能大的刚度和吸振性。对于所有移动部件，则需要保证刚度最大的同时使重量尽可能最轻。只有这样的重量分配才可实现高的动态特性，从而满足高速切削工艺的要求。
经过适当预紧的大螺距滚珠丝杠在两侧由轴承支撑，加上大功率电机形成了高切削速度和高加速度的基础。然而必须认识到系统的整体能力是由可承受的最大冲击力所确定的（因加速度而产生）。尤其在频繁改变进给方向的情况下。如加工小的几何形状时，决定最大加工速度的是允许的最大冲击力，而不仅仅取决于驱动系统的能力。
高分辨率的光学直线测量系统以及精密线性导轨完善了现代高速切削机床所需的装备。
控制技术也必须是最新的，并且要有尽可能快的处理速度以及强大的程序处理和前瞻能力。对加工位置的良好调整、机床机械和电子部件回路之间的反馈速度也很重要。但是，只有各个方面协调配合的系统才能最佳地满足某一加工要求：如表面质量、加工速度和精度等。最新一代的控制系统向用户提供了以简单方式执行特定的加工目标优先的可能性，可根据当前的加工要求设置工艺过程。该功能可设定速度、表面质量或精度优先来进行加工。
5，主轴/刀柄接口
快换锥柄（SK系列）已经被空心短锥柄（HSK系列）所取代。而HSK-E和HSK-F系列因其完全对称的结构形状而尤其适合高速切削。开发这种新型刀柄要考虑的重要因素有：
通过主轴端面进行轴向定位
主轴和空心锥柄的胀塞配合
6，刀柄/刀具接口
根据不同主轴速度、加工步骤(粗加工、半精加工、精加工)和刀具类型尺寸的测试，证明以下系统适用于高速切削 ：
7，弹簧夹套刀柄
8，液压刀柄
9，冷缩型刀柄
10，强力夹紧刀柄
对于精加工，最好使用冷缩型刀柄，保证铣刀最高的径向精度和最大工作寿命。整套系统必须旋转对称，并具有极好的动平衡。必须满足主轴或机床制造商规定的按照ISO1940主轴标称速度平衡质量等级的要求。
传统工艺：
生成注塑模造型并传送到NC程序中
工艺存在的问题：
NC程序>400MB
加工时间>40小时
刀具磨损（f=0.075mm雕刻刀具，20,000转/分）
解决方案：
通过CAD/CAM将3维轮廓、文字背景及平面分开加工
NC程序≈30MB
加工时间<20小时 
传统工艺：
用模具加工专用的高速钢刀具进行2维铣削加工
工艺存在的问题：
几何形状一致性差，专用刀具成本高，低转速使加工时间较长，刀具工作寿命短。
解决方案：
使用f＝0.3mm标准球头铣刀，主轴速度40,000转/分进行3维铣削
传统工艺：
100％电火花加工，将几何形状分成几个电极部分
用高速切削取代电加工的困难：
小的圆角和锐边（a<180°），标准刀具的切削深度有限
解决方案：
通过高速切削来解决加工困难f<0.4mm球头铣刀，主轴转速24,000转/分
传统工艺：
100％电火花加工，将几何形状分成几个电极部分
用高速切削取代电加工的困难：
小的圆角和锐边（a<180°），标准刀具的切削深度有限
解决方案：
用高速切削进行粗加工和半精加工，为EDM精加工留有0.25mm的余量
f＝0.8mm球头铣刀，主轴速度27,000转/分(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/10/2004) |
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