高速高精度切削:加工技术重要发展趋势
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高速高精度切削是当今机械加工技术极为重要的发展方向,本文阐述了这种切削加工技术对工件、刀具、切削工艺和机床的要求,并着重介绍了日本大隈公司提出的“热亲和”概念,实践证明它可以有效降低机床的热位移误差。

随着时代发展,效率成了效益的最根本因素,我们正处于制造技术快速发展的时期,切削加工已成为制造技术的主要基础工艺。随着制造技术的发展,切削加工工艺已进入了以发展高速、高精度切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特徵的发展新阶段。目前,采用高速切削生产模具已经成为模具制造的重要趋势,高速切削逐渐取代电火花精加工模具,在国外的模具制造企业已经普遍采用,可以明显提高效率。与此同时,因加工之模具多改用预硬钢材并要求一步到位而不用人手打磨或电火花加工,铣削的加工精度便直接影响整体加工时间。
高精度铣削的一般加工精度为l0µm,有的还可更高,又可分为三个档次:普通级为5µm,高精密级从3~5µm至1~1.5µm,超精密级可达0.0lµm。
高速高精度切削不仅影响工艺本身,而且也对刀具、夹具和机床提出高要求,以下将详述有关的影响和要求。

对工件的要求

工件钢材在炼制过程中多少会掺有杂质,这些杂质会造成切削过程的振刀现象使刀刃崩损。热处理淬火过程亦会造成硬度不均匀,如是粗加工后淬火加硬再进行精加工,工件尺寸和几何形状的变形对后期精加工精度有很大影响。工件须要有稳定和低震动安装,避免因震动使刀具磨损影响精度。

对刀具的要求

由于高速切削加工时有较大离心力和受振动等的影响,要求刀具具有很高的几何精度和装夹重复定位精度,以及很高的刚度和高速动平衡的安全可靠性。传统的7:24锥度刀柄系统在进行高速切削时表现出明显的刚性不足、重复定位精度不高、轴向尺寸不稳定等缺陷,主轴的膨胀引起刀具及夹紧机构质心的偏离而出现动不平衡,这种7:24锥度刀柄不适合高速切削使用。目前高速切削应用较多的是双面接触空心短锥刀柄HSK或 BIG-PLUS双面接触高速刀柄。
国外现今刀具的夹紧最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式),装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀,取出旧刀具,装入新刀具,然后采用风冷使刀具冷却到室温,利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧。这种结构刀具的径向跳动在4µm,刚性高,动平衡性好,夹紧力大,高转速下仍能保持高涟那祢i靠性,特别适用于更高转速的高精度铣削加工。但是刀具可换性较差,一个刀柄只能安装一种连接直径的刀具,整个系统比较昂贵。
刀具涂层技术是切削加工中重要的因素之一,它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷,高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性,即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。高速高精切削加工的刀具技术发展速度很快,应用较多的如聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TIC(N)等。
刀具除了需要有良好的刀具材料、优良的刀具涂层技术、合理的几何结构参数和高同心度的刀刃精度质量等因素外,还需特别注意其它因素对刀具耐用度的影响,以免直接影响加工精度。

对切削工艺的要求

切削工艺主要包括:适合高速切削的加工走刀方式、专门的CAD/CAM编程策略、优化的高速加工参数、充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。
高速切削的加工方式原则上多采用分层环切加工,一般使用斜线轨迹进刀方式,直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象,因此不宜采用;斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐增大的,因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小,可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入,最适合型腔高速加工的需要。
CAD/CAM编程原则上是尽可能保持恒定的刀具载荷,把进给速率变化降到最低,使程序处理速度最大化。主要方法有:尽可能减少程序块,提高程序处理速度;在程序段中可加入一些圆弧过渡段,尽可能减少速度的急剧变化;粗加工不是简单的去除材料,要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀,尽可能减少铣削负荷的变化;多采用分层顺铣方式;切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀,以保证恒定的切削条件;充分利用数控系统提供的仿真验证功能。零件在加工前必须经过仿真、验证:(1)刀位数据的正确性、(2)刀具各部位是否与零件发生干涉、(3)刀具与夹具附件是否发生碰撞。确保产品质量和操作安全。
高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时,加工用量会有很大差异,目前尚无完整的加工数据。通常,随着切削速度的提高,加工效率提高,刀具磨损加剧,除较高的每齿进给量外,加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。对于刀具寿命,每齿进给量和轴向切深均存在最佳值,而且最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量fz、较小的轴向切深ap和适当大的径向切深ae。

图1

对机床的要求

机床结构设计、制造技术、高稳定主轴系统、先进热误差补偿系统、先进的数控进给系统等对高精度切削有着重要影响。机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。随着电机技术的发展,先进的直线电动机已经问世,并成功应用于CNC机床。先进的伺服电动机驱动使进给系统加快了响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工的定位及重复定位精度。
现今,高速机床数控系统的速度和加速度的前馈控制(Feed Forward Control)、前瞻处理(Look-ahead)、拐角预处理都能有效地保证模具复杂曲面高速加工的质量和效率。
部分机床还可在内部进行NURBS非均匀有理B样条插补曲线处理,用户可直接控制加工精度之误差参数,从而伺服系统能准确地控制速度和加速度,使加工精度有所保证(图1)。
机床本身几何误差以及切削期间结构受热所产生的热位移,是影响其加工精度的主要因素,因此机床温度稳定性控制技术及热位移补偿技术在近年来逐渐受到重视,由于热会使所有机件的材质膨胀,故所有会产生热的行为皆是误差产生的原因。如:高速主轴之转动、各滑动件、滚动件之摩擦、伺服电动机之消耗功、环境温度场之变化等。

图2
解决机床由于温度分布不均匀所导致之热误差一般有三种方法:(1)控制热流(heat flow)流向机床周围环境。(2)重新设计机床结构,使其对热变形敏感度降低及控制变形情况。(3)对移动件施以补偿。补偿前,需先做到理论上之设计最佳化。一般相信,若采用实时(real-time)热误差修正可有效地减少由于设计不良所导致之热误差。其中,机床热弹现象(thermoplastic behavior)是决定热变形修正准确能力之重要因子之一。机械结构件之热变形在于机床温度变化,传统上常采用高体积流率之冷却液,如对全机结构件及丝杠运用油使机件维持定温,也是一种消除热误差之好方法。
当然,最省钱且效果最好之方法仍为实行热误差补偿控制,目前欧美日各国生产之高精密机床也有各自的热误差补偿控制方法,如日本大隈(OKUMA),基于其二十年对热变形处理的研发经验而提出的“热亲和概念”(Thermo Friendly Concept)(图2)。
“热亲和概念”(Thermo Friendly Concept)技术设计主要分为两部分:

    图3
  1. TAS-S (Thermo Active-dimension Stabilizer for Spindle)热位移补偿——主轴
    主轴采用简单热变形的结构,平均热对称冷却润滑喷嘴及双重冷却油套,将热变形抑制在最小程度,从而应用正确的热位移补偿方式,使能在长时间运转中保持热变形在4µm以内(图3)。

    图4
  2. TAS-C (Thermo Active-dimension Stabilizer for Construction)热位移补偿——结构
    机床结构使用热量分布均匀及箱式组合构造简化热变形情况,机内护罩用于减小冷却液和加工时铁屑温度对机床的影响,而分离的NC控制箱设计将电器零件运作时的热力隔离,使机床前后温度保持相同的热平衡结构,将热变形抑制在最小程度,再正确地进行热位移补偿,使整体加工精度在8µm内(图4)。

    图5 MB-V系列立式加工中心

结论

高速高精度切削技术是切削加工技术的重要发展方向之一,目前主要应用于航空航天工业、汽车工业和模具行业,尤其是在加工复杂曲面的领域。工件本身、刀具系统或CAD/CAM技术可从用户之经验及各种新工具和不断改进而得到提升,但机床之技术及质量便由机床生产商提供,因此,加工精度是否能达到要求,选择机床是最重要的第一步。
符合以上条件作高速、高精度切削的加工中心,比较典型的如日本大隈(Okuma)公司MB-V系列立式加工中心(图5)。
MB-V系列获得2002年度日本机械学会科技奖。对于温度变化所产生的真正热变形,则以环境实验室内所取得的大量热位移数据为基础,通过0.1µm单位的实时热位移补偿方法予以控制。利用这种新技术,即使在室温变化达8℃的情况下,加工过程中的尺寸变化也只有8µm(实测值),实现了令人瞩目的高精度加工。
本文作者:力丰精密机床有限公司应用部主管 胡兆辉
原载:雅式工业专网
上载于:2006-11-22 11:41:22

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