高速切削技术与数控机床发展趋势

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1、第20卷第7期2003年7月机械设计JOURNALOFMACHINEDESIGNVol.20No.7Jul.2003Ξ高速切削技术与数控机床发展趋势李立斌,谢丽丽(天津机电职业技术学院机电系,天津300131)摘要:具有广阔发展空间的高速切削技术在制造领域中逐渐得以认同。数控机床发展及其功能部件革新是使高速切削技术推广应用的关键。关键词:高速切削技术;电主轴;直线电机;开放性数控系统;网络控制中图分类号:TG5;TG659文献标识码:A文章编号:1001-2354(2003)07-0045-0320世纪末兴起的以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的高速切削技术已经成为现代数

2、控加工技术的重要发展方向之一。汽车、航天、航空、船舶、模具制造及精密微细加工等对高速切削的高要求,推动着高速切削技术在现代制造领域内得到迅速发展及广泛应用。1高速切削的概念高速切削的概念是德国的切削物理学家CarlSalomn首先提出的,他在著名的切削实验中得出如图1所示的切削速度(V)与切削温度(T)的关系图。从图1中可以看到,一定的材料对应一个临界切削速度(VC),其切削温度(TC)最高。在常规切削范围内(见图1a区),切削温度随着切削速度的增加而增加,当实际切削速度超越临界切削速度后,切削速度继续提高,切削温度反而下降(见图1c区)。因而得出结论:在高速切削区,可以用现有的刀具对金

3、属材料进行切削加工。图1切削速度与切削温度关系不同的材料和不同的加工方法的高速切削速度范围各异。如碳素钢为500～2000m/min,灰铸铁为600～3000m/min,铝合金为1000～7000m/min,铜为900～5000m/min;车削为700～7000m/min,铣削为200～7000m/min,钻削为100～1000m/min,磨削为5000～12000m/min。一般而言,高速切削的切削速度比常规切削速度高5～10倍,与之相对应的进给速度一般为2～25m/min。2高速切削产生的高效益Ξ收稿日期:2002-10-06;修订日期:2003-02-02由于高速切削的速度比常规

4、切削速度几乎高一个数量级,进给速度也高10倍左右,切削机理发生变化,切削力减小,切削热降低,工艺系统振动减弱,对切削刀具材料的要求不甚苛刻。因此,高速切削加工为现代制造领域带来了一系列高效益。2.1高生产率高速切削中,由于切削速度和进给速度大幅度提高,使得单位时间内的材料切除率比常规切削加工高4～5倍;高速切削可实现高度的工序集中加工,如粗加工、半精加工、精加工甚至精细加工,可以集中在一道工序中进行而不会降低加工精度,有效地减少了装卸、搬运工件的辅助工时;刀具耐用度可提高70%;数控加工中心换刀时间和工件托盘交换时间的缩短,进一步减少刀具调整和工件安装的时间,从而获得更高的生产效率。2.

5、2高加工精度高速切削加工突破了传统的切削加工的理念,其切削机理发生很大变化,在减少加工误差,提高加工质量方面也显示出其独特的魅力。首先,切削力的降低,使得工艺系统因受力变形而引起的加工误差减少。在高速切削中,由于切削速度很高,使剪切变形区域变窄,剪切角变大,变形因子减小以及切屑流出速度加快,从而使切削变形减少,切削力比常规切削时下降30%～90%。相应地,作用在刀具上的力以及工件所需的夹紧力都随之减少,从而使刀具使用寿命延长,工件由于夹压变形而引起的加工误差也随之减少。因而,高速切削特别适合于长细杆件、薄板和薄壁筒件等刚性差的零件加工。其次,高速切削的切削热减少,而且90%以上的热量被高

6、速流出的切屑带走,传给工件的热量很小,工件表面的温升不会超过3℃,所以因温度变化而导致的加工误差甚微。特别适合加工传动丝杠等细长的、易因热变形引起误差的零件。高速切削由于速度高、切削力小、切削热低、工艺系统振动减弱和刀具耐用度提高等,为全面提高加工质量创造了有利的条件。一般工件的尺寸精度可以提高1～2个精度等级,工件作者简介:李立斌(1943-),男,安徽霍邱人,天津机电职业技术学院机电的系表副面教质授量,专得业到方相向应:机的电改技善术,应如用工。件表面的物理机械性能变化46机械设计第20卷第7期很小,粗糙度降低,表面残余应力减少等等。由于切削速度高,使切削过程的激振频率(ω)远高于工

7、艺系统的固有频率(ω。)即ω/ω。>>1,系统处在”惯性区”工作,振幅下降,甚至振动消失,加工过程平稳,可实现高精度、低粗糙度的精密加工,为光电产品的微细加工开辟了新途径。3数控机床发展趋势高速切削技术的应用,关键在于开发具有高速度、高精度、高稳定性的高新技术设备,在现有加工设备中,只有数控机床才有可能担当其重任。然而,要实现真正意义上的高速切削加工,数控机床还需向高速、高精度、柔性化、控制系统开放性、控制系统支撑软件和工厂生产数据