摘要:高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高,它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。
关键词:模具加工;高速切削;应用
1模具加工的特点
精度高,模具不仅要有很高的加工精度,同时也要有很好的加工质量。一般地,公差范围应控制在微米级。只有高精度的模具才能保证产品达到一定的精度,保证产品的合格率,才有可能延长模具的使用。使用寿命长,模具属于比较昂贵的工艺装备,其加工费用约占成本的100/0~30%,所以要求模具的寿命长更有意义。
制造周期短,这主要是为了满足生产的要求和产品的市场竞争能力。成本低,模具的成本与模具结构的复杂程度、模具材料、制造精度要求及加工方法等有关。所以要合理设计和制定加工工艺,选用恰当的加工设备,保证低的加工成本。
模具形状复杂,模具的工作部分一般都是二维或者三维复杂曲面,而不是简单的平面。比如汽车覆盖件模具,其内腔大部分都是由曲面组成。所用的材料硬度高,一般模具都是由淬火工具钢或硬质合金制成,运用传统的加工方法加工较为困难。目前在模具加工制造过程中,主要以普通机加工和电火花加工为主。要缩短制造周期并降低成本,必须广泛采用先进切削加工技术加工模具。而作为先进制造技术的高速切削技术的出现,正是满足了模具加工这些要求和特点。
2高速切削机床技术
性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提和关键,而具有高精度的高速主轴和控制精度高的高速进给系统,则是高速切削机床技术的关键所在。
2.1高速主轴
高速主轴是高速切削机床的核心部件,在很大程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度加工精度和应用范围。目前,适于高速切削的加工中心其主轴最高转速一般都大于10,000r/min,有的高达60,000-100,000r/min,为普通机床的10倍左右;主电动机功率15~80kW,以满足高速车削、高速铣削之要求。随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的快速发展,高速数控机床主传动的机械结构得到极大简化,取消了齿轮传动和带传动,实现了机床的“零传动”,采用机床主轴与主轴电机一体化的传动结构形式,即所谓的电主轴。轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点,在电主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时润滑极为重要,目前,电主轴主要采用两种润滑方式:油脂润滑和油一气润滑。目前,生产磁悬浮轴承电主轴的厂家有德国GMN公司、瑞士IBAG公司及中国洛阳轴承研究所等。
2.2高速进给系统
控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性,必须对其技术改进和技术创新,才能适应高速切削之要求。高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为0.5-1.0g,行程范围≤6m,用于低档高速数控机床;高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后,其加速度可高达2～10g,行程范围不受限制,用于高档高速数控机床和高速加工中心。
3高速切削刀具技术
刀具技术是实现高速切削的重要保证。正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。
3.1高速切削刀具材料
高速切削要求刀具材料具有如下性能:高硬度、高强度和耐磨性;高韧度、良好的耐热冲击性;高热硬性、良好的化学稳定性。日前,高速切削加工常用的刀具材料有:涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)材料和聚品金刚石(PCD)材料等。
3.2高速切削刀具系统
刀具几何参数对加工质量和刀具耐用度有很大影响,一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具约小10°,后角约大5°-8°。刀具在高速旋转时,会承受很大的离心力,其大小远远超过切削力,成为刀具的主要载荷,足以导致刀体破碎,造成重大事故。
4高速切削工艺技术
高速切削工艺和常规切削工艺有很大不同。常规切削认为高效率来自低转速、大切深、缓进给、单行程;而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程的加工工艺。在进行高速切削时,工件材料不同,所选用的切削刀具、切削工艺和切削参数也有很大不同。下面我们着重探讨轻金属、钢和铸铁的高速切削工艺技术。
4.1高速切削钢和铸铁技术
高速铣削钢和铸铁时,遇到的主要问题是刀具的磨损。高速铣削钢材时,刀具使用锋利切削刃和较大后角可减少刀具磨损,提高刀具使用寿命。刀具的磨损与工件材料的力学性能有关。如工件材料的抗拉强度增大,则刀具磨损增加,因此应减少每齿的进给量。
4.2高速切削轻金属技术
铝合金因具有良好的耐蚀性,较高的比强度,导电性及导热性好等优点,在汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。铝镁合金大多使用铸件。这些轻合金的最大优点就是其固有的易切特性。轻合金可采用很高的切削速度和进给速度进行加工,切削速度可高达1000~7500m/min,高速切削使95-98%的切削热被切屑迅速带走,工件保持室温状态,热变形小,加工精度高。高速铣削轻金属时,由于加工过程存在较大的冲击载荷,PCD和CBN刀具的寿命特性并不好。当切削速度达到1000m/min时,可使用K型硬质合金刀具;当切削速度达到2000m/min时,可使用金属陶瓷刀具;当切削速度更高时,可使用PCD刀具;高速铣削铝镁合金时,可使用Kl0硬质合金刀具。
高速切削(HighSpeedCutting)是一个相对概念,迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5-10倍的切削加工,有时也称为超高速切削(Ultra-HighSpeedCutting)。也有将主轴转速达到10000r/min-60000r/min,快速进给速度20m/min以上,平均进给速度10m/min以上,加速度大于lg的切削加工定义为高速切削。对于不同的工件材料和加工工艺,高速切削速度(切削加工的线速度,单位m/min)范围也同。按工件材料划分,当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材l100m/min以上、塑料1150m/min以上时,被认为是合适的高速切削速度范围;按加工工艺划分,高速切削速度范围为:车削700~7000m/min,铣削300~6000m/min,钻削200~1100m/min,磨削5000~10000m/min。
5高速切削的应用效益据生产实践证明,高速切削应用于模具制造的效益是:
(1)高速粗加工和半精加工,提高加工效率数倍至几十倍,只体与被加工的材料有关;(2)高速高精度精加工硬切削代替光整加工,表面质量高,形状精度提高,比EDM加工提高效率50%,减少手工修磨;(3)硬切削加工最后成型表面,提高表面质量、形状精度,(不仅是表面粗糙度低,而且表面光亮度高),用于复杂表面的加工显得更具优势。(4)避免EDM加工产生的表面损伤,提高模具寿命20%。
6结束语
由于市场进入全球化以及竞争的加剧,模具市场对每一种模具技术最重要、带有先决性的要求是其快速性,即从设计到进入市场的时间尽可能的短,除了快速模具技术外,就是高速切削技术。当前,这些技术还是跟不上现代模具的需求。加快硬件及软件产业发展步伐,用高性能高品质功能的硬件及软件满足高速切削机床配套的要求,已成为各企业共同的奋斗目标。因此,需要各个方面的协调发展,产学研结合,加大投入,综合利用各个方面力量推动高速切削在模具制造中的应用。总之,通过各方面的努力,在市场需求的推动下,使技术不断进步、像汽车、家电、机床一样,在不远的将来,我国不但要成为模具生产大国,而且要成为模具生产强国。
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