如何定义高速加工?
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一种常见的高速加工定义是基于表面加工速度― 即刀具与工件之间的相对速度。第二种常见的高速加工定义是基于预加载荷主轴轴承的旋转能力。
虽然有许多人在谈论高速加工(HSM) ,许多机床在广告中宣称是高速加工机床,并且还有许多会议专门研讨高速加工,但对这一术语却并没有统一的定义。有些定义关注表面加工速度,另一些定义强调主轴轴承转速,还有一些定义则只考虑主轴转速。不过,一种比较好的方法可能是根据“稳定现象”来定义高速加工。
一种常见的高速加工定义是基于表面加工速度― 即刀具与工件之间的相对速度。从本质上看,这是一种对热量的限制,因为许多刀具磨损机制都取决于切削温度。用表面加工速度来定义高速加工颇受刀具制造商和金属切削研究人员的青睐。在国际生产工程学会(CIRP)1992 年的年会上,H.Schulz和T.Moriwaki在一篇名为“高速加工”的经典论文中,基于表面加工速度,制作了一个类似下图的图表,显示了常规加工、过渡区和高速加工的速度范围。表面加工速度v(m/min)由公式v=πdn确定(其中:d为铣刀或工件的直径,n为主轴转速)。例如,一把直径25mm的铣刀,以15,000r/min的转速旋转,其表面加工速度则为l,177.5m/min。
第二种常见的高速加工定义是基于预加载荷主轴轴承的旋转能力。主轴制造商和机床设计者通常喜欢用DN 数来表示高速加工。D代表主轴承孔的直径(mm), N代表最高主轴转速(r/min)。例如,对于主轴承孔直径为60mm的主轴和20,000r/min的主轴最高转速,其DN数为120万。
虽然实验用的主轴已经达到了高得多的DN数,但若千年来,商业化高速主轴的DN数一直保持在200万以下。主要原因之一是轴承发热问题。为了提高轴承的刚度和精度,需要对其预加载荷(使轴承中的滚珠始终处于压缩状态)。这种预加载荷方法必须与滚珠高速旋转所引起的离心力作斗争。由于陶瓷球刚性好、重量轻,性能优于钢球,因彬恿常成为首选滚珠材料。当滚珠在轴承滚道内旋转时,它们会被挤压和卸载,并出现发热现象。
还有一部分热量来源于整体式主轴的转子和非整体式主轴的动力传动装置。因此,预加载荷方法必须在保持预载的同时,考虑热量的增加——这对于主轴的设计是一个很大的挑战。
在定义高速加工时,刀柄制造商往往只考虑主轴转速。在一定的主轴转速以下,刀柄和刀具被认为是安全的,而这意味着,刀具和刀柄应结合为一体,所有的机械连接都应保持完美无缺。这种评定方式通常意味着,刀具或刀柄的最高转速已经达到额定转速的两倍。另一种定义高速加工的方法与“稳定现象”的出现有关。当刀齿频率变化到固有主频率的很大一部分时,就会出现“稳定波形”。在低速加工时,主轴转速的选择并不会明显改变机床的动态性能。稳定性的极限值― 当切深超过该值时就会发生颤振― 似乎是一个常数。当刀齿频率变化到占固有主频率相当大的一部分(比如说1/4、1/3 、1/2或1/1)时,通过选择正确的主轴转速,就能轻松地将金属去除率提高2 倍或更多。
例如,当用一把双刃铣刀以灵活性最大的固有主频率(1,200Hz)铣削铝合金时,在主轴转速为1,200×60÷2=36,000r/min时,“稳定波形”效应最强。其他主要的稳定区将出现在转速分别为18,000r/min、12,000r/min和9,000r/min时。
对于具有较低的固有主频率的刀具系统,出现“稳定波形”效应的主轴转速可能会大大降低。当用一把6刃铣刀以250Hz的固有主频率铣削钛合金时,最稳定的加工区将出现在主轴转速为250×60÷6=2,500r/min时,按照动力学的观点,这一转速仍然属于高速加工的范畴。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2010年第4期
上载于:2013-8-12 18:07:07

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