高速切削是一项综合技术,要根据产品的材料和结构特点,选择合适的切削刀具,采用最佳的切削工艺,以达到理想的高速切削加工的效果、产生较好的经济效益。高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术,是切削加工新的里程碑。
高速切削的定义
进入21世纪,切削加工依然是制造技术最基础的工艺,而高速切削则是切削加工工艺最重要的发展方向。高速加工技术的起源可以追溯到1931年,德国切削物理学家萨洛德在这个时期有一项专利,在其中对高速切削加工工艺作了描述。此后,大约过了30年,人们才对高速切削的切削过程和工作原理有了了解。但是只有开发出相应高效的机床附件(例如高速电主轴、高材质刀具和高品质表面涂层技术以及相应的夹具)后,高速切削才真正步入正轨。
根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义,高速切削指切削速度超过传统切削速度5~10倍的切削加工。高速切削分高速铣削、高速车削及高速钻孔等,但绝大部分是高速铣削。不同的材料其参数是不同的,目前加工铝合金已达到2000~7500m/min;铸铁为900~5000m/min;钢为600~3000m/min。实际上在机床上进行高速切削加工时,不仅有高的切削速度,而且要有高的进给速度(含快移速度)以及能在最短时间和行程内达到指定速度的高加(减)速度与之相配合。高速切削加工是一项系统工程,它涉及机床、刀具、工件和若干外围技术,比如CAM技术、加工状态监控技术等。
汽车变速器壳体加工,国外已广泛采用高速加工中心、高强度刀柄、高效刀具进行加工,基本是自动化、无人化加工。比较前瞻的国内制造业,也在本世纪初引进加工中心,但由于选配较低,加工效率基本为国外的50%。即使购买了高效刀具,由于机床老化,也达不到预期效果。所以在国内推广高速加工技术起步较晚。
丰田某变速器壳体,国际水平的加工工时为12~13分钟,在日本的加工时间为14~15分钟,国内加工时间为30分钟左右(采用新设备、新刀具后为16~17分钟),差距是一目了然的。
高速切削基本原理
高速切削技术是包括高速切削机床,高性能刀具技术,高速切削加工理论及工艺等诸多相关技术的一项综合技术。
通常认为采用的切削速度和进给速度比常规加工速度高5——10倍的加工方式就是高速加工。并非普通意义上的采用大的切削用量来提高加工效率的加工方式。而是采用高转速,快进给。小背吃刀量和小进给量来去除余量。完成零件加工的过程。包括
高进给速度的高效加工工艺(HPM)和高生产率加工工艺(HSM)的高速切削技术。
切削加工时,切削温度随切削速度升高而很快提高,但到一定速度后,因切屑带走的热量随切削速度的提高而增加,切削温度升高逐渐很慢,直至很少变化;随切削速度的进一步提高,切削温度达到峰值后反而下降,到达一定值后就与普通切削具有一样的温度,而切削速度却高出很多。
高速切削加工切屑形成特征:每个分节基本保持一定的厚度,切屑在前刀面积累过程中由于刀具推挤作用而使切屑均匀增厚。锯齿在分节后沿前刀面和剪切面向上滑移的过程中,集中剪切面基本保持一个角度位置,即分节的前的前后面间保持平行剪切角被保留了下来的前后面间保持平行,剪切角被保留了下来。切屑分节自由表面基本保持了原来的长度,没有出现明显的变形。
高速切削的优势
1、加工时间短,效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的5~10倍。
2、刀具切削状况好,切削力小,主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高,吃刀量很小,剪切变形区窄,变形系数ξ减小,切削力降低大概30%~90%。同时,由于切削力小,让刀也小,提高了加工质量。
3、工件表面质量好。首先工件粗糙度好,其次切削线速度高,机床激振频率远高于工艺系统的固有频率,因而工艺系统振动很小,十分容易获得好的表面质量。
4、高速切削刀具热硬性好,且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走,可进行高速干切削,不用冷却液,减少了对环境的污染,能实现绿色加工。
5、可完成高硬度材料和硬度高达HRC40-62淬硬钢的加工。如采用带有氮化铝钛涂层(TiAlN)的硬质合金刀具,在高速、大进给和小切削量的条件下,完成高硬度材料和淬硬钢的加工,可获得十分高的表面质量Ra0.4以下,基本上不用抛光。
高速切削的条件
1、高速切削机床,具有高主轴转速、高动态的进给驱动、大的功率、主轴和床身良好的刚性、优良的吸振特性和隔热性能、快速的CNC控制性能和可靠的安全防护等。
2、高速切削刀具,具有良好的耐磨性、高的强度和韧性,优良的刀具涂层技术,合理的几何结构参数,高度动平衡的刀具系统,安全可靠的夹紧方式,高同心度的刀刃精度质量等。
要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小,并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性涂层刀具材料。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜,以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。金属陶瓷刀具材料,具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。我司常用的金属陶瓷刀具材料主要是PCD(聚晶金刚石)刀具材料和CBN(立方氮化硼)刀具材料,前者特别适用于变速器铝合金壳盖的加工,后者具有极高的硬度及红硬性,可承受高切削速度,适用于超高速加工钢铁和淬硬钢的加工。
3、高速切削工艺优化的高速加工参数,适合高速切削的加工走刀方式,专门的编程策略,充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。
高速机床各主要部件的要求
(1)高速主轴系统
主轴的转速和功率应根据本公司生产零件的工件材料、刀具、生产工艺流程等确定,高速加工的主轴转速通常应不低于15000r/min;此外,主轴应满足长时间高速运转工作条件,而且精度高,刚性好、运行平稳;应具备高效的主轴冷却系统,以减小主轴的热变形。
(2)高速进给系统
每分钟几十米速度的多维系统,形成轨迹复杂而精确的超高速进给系统,其突出的难点有二处:一是运动惯性要降低到最小的程度;二是数控伺服系统要具有高速而精确的跟踪性能,因此必须满足高进给速度、高加速度、高精度、高可靠性和高安全性要求,进给速度通常应不低于20m/min。采用小运动惯量轻质移动部件,以实现高加速度。
(3)机床结构
确保机床的承载能力、高刚性、热稳定性、耐冲击性和抗振性,为了使机床的固有频率阔别切削颤振频率,获得良好的动态响应,国外均采用新奇的非金属大阻尼材料作支承件。
(4)安全防护
由于高速切削飞溅的切屑和碎片具有子弹般的杀伤力。所以须置以具有防弹效果的防护体系,同时,还要考虑到观察和操纵的方便性。
(5)温控系统
应有效地改善机床的热稳定性。
(6)高速CNC控制系统
系统不仅要求运算速度快,工作稳定性好,且应具有NURBS插补、加工残余分析,待加工轨迹监控等高速高精度控制功能,以确保高速加工的成功实现。
(7)冷却润滑系统
适当的冷却方式和喷射压力,有利于实现高精度和高效率加工。超高速加工时,必然产生大量的高温热切屑,必须把它迅速从工作台上弄走,避免导致机床、工件和刀具产生热变形,以及妨碍切削加工的继续进行。
(8)刀柄系统
满足刚性好、传递转矩大、体积小、动平衡好、高速切削振动小等要求,对于不同材料的工件,应具有相应的刀具材料、刀具参数和特殊的刀体结构。
壳体加工工艺安排的一点建议
1)壳体前后两个面上的螺纹孔、螺栓过孔、定位销孔预孔、轴承孔预孔的位置精度要求一般在0.2左右,这类孔安排在立加上完成,基准平面,工艺销孔的加工也放在立加上完成。
2)卧加较立加的定位精度要好很多,而且卧加回转定位精度很高,可以确保壳体两个面之间的位置精度,因此我们将壳体上的轴承孔、两面上的定位销孔、重要平面的最终加工放在卧加上完成。为了避免壳体转序对精加工表面的磕碰划伤,我们一般都将该工序作为壳体加工的最后一道工序。
3)壳体的周边孔要求都不是很高,但是要多角度转位加工。虽然可以采用立加带四轴的加工方式,但是这种方式装卸工件很不方便,因此我们一般情况下还是将壳体周边内容加工安排在卧加上加工。
五、目前我们企业高速切削目前存在如下问题
1、缺乏合理的加工参数选择方案
高速切削作为一种全新的切削方式,目前尚没有完整的加工参数表可供选择,也没有许多加工实例可供参考。在高速加工时,大多数依然是依靠以往的经验,或者进行大量的试切来选择参数,达到最佳的切削效果,找到合理的加工参数是目前高速切削应用的一个首要问题。
2、缺乏合适的刀具选择方法
刀具是高速切削推广应用中的一个关键问题。由于高速切削的切削机理与传统的切削完全不同,加工的磨损机制与失效形式,刀具的受力状况,形成的切削形态等都不同。传统的铣削加工,刀具的主要失效形式是后刀面磨损,而在高速切削中,其失效形式根据加工的条件以及工件材料不同而完全不同,比如有刀尖破碎,前、后刀面磨损,刀杆折断等各种形式,并且不同的刀具与不同的工件材料组合产生的效果也不一样。如何选择合理的高速切削刀具,尽可能延长刀具使用寿命,以及最大限度地发挥刀具的性能。高速切削是一项综合技术,企业在购置合适的高速切削机床后,必须根据产品的材料和结构特点,选择合适的切削刀具,采用最佳的切削工艺,以达到理想的高速加工效果。高速切削中的高速不仅是一个技术指标,而更应该是一个经济指标。它不仅是一个技术上可以实现的切削速度,而且必须是一个由此可获得较大经济效益的高切削速度。