高速加工的技术进展历程

高速加工的技术进展历程

汪通悦1

,何 宁

2

(1.淮阴工学院机械工程系,江苏淮安223001;2.南京航空航天大学,南京210016)

摘 要:提高切削速度以提高生产率是人们一直努力的方向,这也是高速加工技术发展的不竭动力。本文说明了高速加工的起源和优越性,以许多事例和数据较为详细地分析了高速加工的技术现状及影响推广应用的主要原因,介绍了相关技术的最新进展,并根据现状和原因提出了今后一段时期的主要研究方向。

关键词:高速加工;切削机理;电主轴;直线电机;涂层技术;技术现状

中图分类号:TH 16;TG506.1 文献标识码:A 文章编号:1009-7961(2005)03-0025-04

T echnologica l Progress Course of H S M

WANG Tong-yue 1,HE N ing

2

(1.Hua i yi n Institute ofTechnol ogy ,H ua ia 'n J i angsu 223001,Ch i na ;2.Nan ji ngUn i ve rsity of Aero nauti cs&Astro nauti cs ,Nan ji ng 210016,Ch i na)Abstr ac t :It has a l w ays been the a i m people are work i ng a t to pro m ote produc tivity by raisi ng the cutting speed ,wh ich also m akes it an unceasi ng dri ve to deve l op t he H i gh SpeedM ach i n i ng (H S M )technolo gy .Th i s paper illustrates the or i gi n and m erits ofHS M and gi ves a survey of t he state-of-the-art as we ll as to days 'obstac les f or w i de appli catio n ofH S M through many exa m ples and data .The paper presents t he l atest progresses of t he corre lati ve technol ogi es and suggests the m ain research projects of the nea r f u 2t u re accord i ng to t he state-of-the-art and obstac l es above m enti oned .K ey word s :H S M;cutti ng m echan is m ;m ot or-spi ndle ;li near m otor ;coa ti ng technolo gy ;state-of-the-art

收稿日期:2004-12-15;修改日期:2005-01-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(0477008)作者简介:汪通悦(1966-

),男,江苏涟水人,淮阴工学院副教授,南京航空航天大学在读博士。

1 高速加工技术的起源与优点

提高生产率是机械加工技术发展的永恒主题之一,因此,提高加工速度从而减少机加工时间便一直是人们向往的目标和努力的方向,这也是(超)高速加工(HS M:H ig h SpeedM achini ng)技术发展的内在动力。

(超)高速加工是指采用比传统切削速度高出很多(通常高出5~10倍)的速度所进行的加工。它集高效、优质、低耗于一身,以高切削速度、高进给量、高加工精度为主要特征。

高速加工源于德国的Ca r.l Sa l o m o n 博士1924年开始进行的一系列实验,以他于1931年4月发表的超高速加工理论为标志。他原则上探明:对于每一种材料,都存在一个速度/死谷0地带,在这速度范围内,因任何刀具都无法承受太高的切削温度,切削加工不可能进行。但当切削速度超过这个范围后,切削温度增加缓慢,单位切削力也随之下降,这样切削过程就变得轻松,刀具寿命将会持续很长时间,且切削时间大幅度减少,可成倍地提高生产率。

直到上世纪80年代初,因机床高速主轴、直线电机、刀具材料及新刀具制备技术等的相继成功开发,HS M 才得以迅速发展。与传统切削相比,H S M 具有许多优势,主要体现在:

(1)随切削速度,提高工作台移动速度(进给和空行

程)也相应提高,从而可大大减少切削工时和空行程时间,

可显著提高生产率。

(2)高速加工时,工艺系统的激振频率远高于固有频率,零件基本上处于/无振动0加工状态,可得到较高的表面加工质量并省去精加工和抛光工序,这就是模具制造中所说的/一次过0技术,也为精密、超精密加工开辟了一条道路。

(3)由于切屑流出速度加快,95%以上的切削热来不及传给工件,减少了工件在切削过程中的热变形过程,可获得低损伤的表面组织结构,提高了工件的使用性,尤其适于加工热敏性工件。

(4)因采用薄切深、小直径刀具和小步距走刀,因此切削力较小,尤其是径向切削力大幅减少,特别适合薄壁结构等刚性差的零件的高速精密加工。

(5)采用红硬性好的刀具材料,常可不用或少用切削液进行干切削或准干切削,可减少生产成本和切削液等对环境的污染,符合绿色制造的要求[1][11][12]。

2 高速加工的研究概况

自Sa l o m o n 提出高速加工假设后,由于二次大战等种种原因,20世纪30~50年代后期之前的20多年时间里,除一些零星报道的特殊加工经验外,没有人对此进行深入系统的研究。直到50年代末期,美国工程师R o bert L .

第14卷第3期 淮阴工学院学报 Vo.l 14No .32005年6月 Jo urna l of Hua i yi n Institute of Technol ogy J un .2005

Vaughan才开始继续Sa l o mon的研究工作,并于1960年采用/弹道切削0方式进行超高速切削的研究,从切屑形成过程和切屑形态的变化,说明了高速切削时切削机理将发生变化,切削过程将变得容易和轻松。此后美国、日本、英国等国家才先后有人开始高速切削机理及相关技术的研究,其中以德国Dar m stadt工业大学生产工程和机床研究所(PT W)的研究工作最为出色。该研究所在H.Schulz教授领导下,从1980年开始高速加工研究,1984年又联合多家相关技术制造厂商在德国研究技术部的支持下,对高速加工工艺、机床、刀具、控制系统等各个方面进行了全面的研究,对钢、铸铁、铝合金等7种材料的高速切削性能进行了系统的试验,许多研究成果处于国际领先地位,成为高速加工技术发展历程中的里程碑。他们的主要研究成果如表1所示。

表1[2]PT W所的主要高速加工研究成果

时间成果名称

1983年首次制造了带主动磁轴承的高速电主轴,投入工业生产1985年首次生产出系列高速加工中心

1990年生产出具有三种功率的印刷电路板钻床

1992年生产出用于加工增强塑料的五轴高速加工中心1996年首次研制出采用直线电机驱动的3D铣削中心2000年研制出采用直线电机驱动的最优化的铣削中心

另外,Schu lz教授还于1996年出版了新著5高速加工6 (H i gh Speed M ach i n i ng),全面介绍了他们的研究成果,提供了大量的切削实验数据,进一步发展和完善了高速加工理论。所有这些成果都极大地推动了高速加工技术的推广应用。鉴于他们的优异成绩,2001年PT W被授予/国际高速奖0(Interna tio na lH i gh Speed Award),2003年在第4届/金属切削和高速加工0国际会议上又和位于Steyr的两家单位/高速加工促进工业生产联合会0、/PROFACTOR0研究所一起被授予首届/欧洲高速加工奖0(Europe H ig h SpeedM achini ng Awa rd)[1][2]。

到了上世纪90年代,高速加工机理和各种关键技术,如高速机床及其功能部件、超硬刀具材料和涂层工艺技术、加工过程监控和加工工艺等各方面都取得了巨大的进展,基本实现了从理论假设向工业应用的转化。

我国亦有多家单位对高速加工技术进行了研究和开发。上世纪90年代初,北京理工大学开始研究材料的切削机理,广东工业大学对高速加工从理论到实践进行了深入研究,能够提供电主轴技术、直线电机进给系统等。此后,上海交通大学、大连理工大学、南京理工大学、南京航空航天大学等高校与一些企业也陆续开展研究,并已取得了一些成绩。如南京航空航天大学利用购入的瑞士M ikron公司的主轴转速为18000rp m的H S M机床,对钛合金的加工进行了较为全面的研究,推导了高速下切削公式,获得了航空部二等奖。此外洛阳轴承研究所开发的高速电主轴已能用于生产,多家机床厂在C I M T,2001上展出了所生产的高速机床,如中捷友谊厂的D165铣削中心主轴转速已达40000rp m,大连机床集团展出的五轴联动并联机床,主轴转速达20000rp m,三轴快速进给达80m/m i n,工作进给达60m/m i n,加速度达1.5g。我国已开发出硬质合金粉末涂层A l2O3在内的涂层刀具研制出T i C和T i(C,N)基硬质合金、陶瓷、PCBN等新型刀具材料,掌握了金刚石膜涂层技术,已能提供C VD金刚石涂层刀具产品等,这些说明我国在高速加工技术研究方面进展迅速。但与国外发达国家相比,仍有较大差距,因此在十五计划中,高速切削技术仍被列为重大综合性项目和经济与社会发展急需高技术项目中的重点内容。

3高速加工的技术现状

近年来,围绕高速加工的关键技术取得的主要进展如下:

3.1高速加工设备

3.1.1高速电主轴

高速电主轴是高速加工机床的关键部件,目前具备各种先进的电气传动技术和控制技术的电主轴已能商品化供应,生产中应用的机床最高转速已达180000rp m,如法国SEP公司和瑞典SKF联合投资的S2M公司生产的转速为180000rp m的超高速磨床几年前就已投入使用;瑞士F isher 公司和法国F orest-Li ne公司生产的电主轴也已达180000rp m,功率最大达70k w。转速200000rp m乃至更高的实用电主轴已在研究开发中[9][10]。

随着电主轴转速的提高,切削速度也随之提高,以代表高速加工的高速铣削为例,目前已能以8000m/m i n的速度铣削铝合金,近期有望达到10000m/m in,也有以1500m/ m i n的速度铣削硬度超过HRC60的高硬度钢的报道[5]。

3.1.2快速进给系统

主要采用直线电机/零传动0直接驱动,这可避免传动环节的累积误差,得到高精度的高速移动和极好的稳定性。主要以最大进给速度和最大进给加速度来衡量其性能优越性。目前,最大进给速度可达200m/m i n(德国Si2 m ens公司),最大进给加速度可达3g(韩国DEA WOO公司的FV400型加工中心和德国Chiro n厂的/V i son0加工中心)[1][2]。

最近德国R DER公司在其高速加工中心PHR800上开创性地采用直线电机+静压导轨的新型驱动方案,导轨浮在油膜上,没有摩擦,液压油还可吸收铣削时的振动,利用P M调节器控制流量和油膜厚度,使之不受切削力的影响,实现稳定进给,从而在加工3D复杂表面时得到很高的精度和表面质量。虽价格较高,但为直线电机的组合使用

26淮阴工学院学报2005年

提供了一种可能[4]。

日本东京工业大学精密智能实验室研制成功没有外力波动的混合直线电机,并用驱动空气静压导轨制成的超精密工作台系统,实现高速进给定位,定位精度可达到5n m[6]。

另外还出现了全新概念的基于并联机构的高速进给系统,目前较为流行的是瑞士联邦技术学院(ET H Z)的机床和制造技术研究所(I WF)开发出的称为/六滑台0的H exagli de并联机床,其六条腿本身不收缩,采用直线驱动技术,通过腿座在直线导轨上运动来实现快速进给,它已成为较为流行的六臂平台的首选[11]。

3.1.3优化的床身结构

从机床结构动态特性、固有频率的角度,进行有限元分析或利用/多体系统0进行动态仿真,在3D-CAD系统支持下,设计出最优的床身结构。现在大多采用落地式床身,整体铸铁结构,龙门框架的主轴立柱,并在立柱上增加适当的加强筋,使机床结构具有良好的静、动态刚度和稳定性,且有很好的吸振性[3]。也可采用基于Stewart平台的并联机床的床身结构,以减轻重量,增加刚性。

3.1.4CNC数控系统

目前最先进的CNC数控系统已能实现五轴五联动乃至六轴五联动,多个CPU数据处理时间不超过0.4m s,且具有NUR BS曲线插补功能,配备功能强大的后置处理软件,运算速度快,仿真能力强,且具备程序运行中的/前馈0或称/预读0功能。如新日本工机的DC-5AS M可预读60个程序块,M astercam的CNC甚至能前馈到1000~2000个程序块,这样CNC系统可对加工数据提前判断,根据曲面变化规律发出加减速指令,自动调节切削用量。外接插口甚至可与局域网联结,加上闭环控制的测量系统,控制机床实现高精度的运动。

3.1.5新型刀夹装置

在普及使用两面夹紧的刀夹装置如H S K、K M、PL US、NC5、AHO等的基础上,不断开发新品,如热装夹头,它利用电热感应装置和金属热胀冷缩特性夹紧刀具,无夹紧元件,可与主轴联结部位成为一体,高速回转时平衡性好,具有很高的刚性,是目前商品化的刀夹装置中夹持精度最高的一种[5]。此外还有三棱变形静压夹头,内装动平衡机构的刀柄,转动监控夹头等,但因价格等原因,尚未形成商品化生产。

3.1.6出现混合运动学机构

德国DS-技术公司在五轴高速加工中心上采用并联和串联模块来实现机床运动:刀具的旋转和Z轴的运动用并联机构实现,旋转角加速度可达121/s2,X、Y轴的移动用串联机构实现[2]。

3.2高速切削刀具

高速化与刀具技术密切相关。最适合高速切削的代表性刀具材料是PCBN刀具和PCD刀具,它们在高温下仍具有很高的硬度和韧性。在铣削铝合金时,两者都可达到5000m/m i n的切削速度。但因它们的性价比较低,目前PCBN刀具主要用于高速加工高硬钢(50~60HRC)和冷硬铸件,PCD刀具主要用于铝合金等非铁系金属的高速加工以及难加工材料、精密和超精密加工。在大多数情况下,可使用陶瓷刀具和硬质合金涂层刀具来高速切削。改进陶瓷的制造工艺和采取增韧措施后,可大大提高其强度和断裂韧性,非常适合对高硬度钢进行干切削。

硬质合金涂层刀具中,T i A l N系复合化合物多层涂层刀具由于具有T i N的高硬度、高耐磨性,又可在切削过程中氧化成A l2O3提高抗氧化和抗扩散磨损的能力,倍受生产者青睐,但一般只对HRC50以下的工件进行加工。在突破了涂层制备工艺难关后,金刚石膜涂层刀具也越来越受到重视,PCD膜涂层刀具比未涂层硬质合金刀具寿命提高几十倍[1][7]。

最近,日本学者开发出T i Si N系涂层和CrS i N系涂层。前者具有超微细晶粒组织,使其涂层硬度可达3600HV,高于Ti A l N系,并有良好的抗氧化性和高温稳定性,在用6刃端铣刀,切削速度150m/m in,每齿进给量0.05mm加工淬硬钢HRC60时,刀具寿命是同样加工条件下T i A l N系复合涂层刀具的2~3倍;在用半径5mm的2刃端铣刀,转速8000rpm,每齿进给量0.05mm,吃刀量0.2~0.4mm加工时,刀具寿命更是T i A l N系的5倍左右。后者具有良好的抗粘附和耐磨损性能,在用半径5mm的2刃端铣刀,转速10000rp m的同样条件加工低碳钢220HBS时,刀具磨损比T i A l N系涂层刀具低了许多,且加工质量大为改善,可减少手工打磨时间[8]。

另外还有一些单位从刀具结构的改进入手,如M i kro n 公司就致力于刀尖刃口开刃槽的研究,以改善加工效果。3.3高速加工工艺

德国PT W所对有色轻金属、复合材料、铸铁及模具钢等多种材料以高生产率、高精度、好的表面完整性为目标,进一步研究切削机理,优化高速加工工艺,并形成了理论,对指导生产有很大的促进作用。

3.4加工过程监控

主要体现在主轴的监控上。高速旋转的主轴不仅对安全提出更高要求,而且会伴有噪声、振动、轴承磨损等问题,对加工质量和系统寿命带来不利影响。德国FAG公司在主轴设计时增加了一个传感器,对主轴的工作状态进行监控[3]。

3.5数控编程系统

高速加工的数控编程要基于CA M系统进行。目前最为流行的软件当数美国UG公司推出的UG软件,它集C AD/CA M/CAE功能于一身,并在15.0版本中增加了高速加工功能,为高速加工能真正用于产品加工打下基础。它的相关功能如下:13-5轴的NUBR S插补功能;o具有刀轨光顺、模拟功能;?后置处理为用户提供了一种完全开放的环境。其中,NUBR S(No n-Un ifor m R a ti ona l B-Sp lines)插补功能是解决高速加工的关键,它可在CNC控制器中进行样条曲线插补计算,提高数据传输速度,在C AD/CA M/CNC之间实现数据的精确传递,提高产品的加工精度和表面质量。可使数控编程简化,编程者只需用C AD系统提供的3D特征编写粗、精加工程序,半精加工、清根程序可省略而依靠系统的光顺功能解决,这样NC工艺方案简化,加工时间缩短,但要求编程者要熟悉加工工艺。

第3期汪通悦等:高速加工的技术进展历程27

3.6推广应用时尚存的问题

3.6.1设备昂贵,运行费用高,一时还难以全面铺开

这在我国尤为突出,目前还只有少数大企业以高价引进高速加工机床用于部分关键零件的生产。而且由用户调查得知H S M运行费用很高,内部结算约为800元/时,在采用小直径铣刀,小步距加工时,所花时间及费用与抛光相比不合理。

3.6.2在某些领域还难以满足要求

HS M现在加工的表面粗糙度为R a1L m左右,不能满足一些要求很高的加工,如汽车覆盖件模具要求加工表面R a0.8L m,压铸模要求R a0.4L m~R a0.2L m,不能完全实现/一次过0。另外,从技术要求、工件硬度、曲率半径等综合考虑,在表面成形时,尚不及电火花加工;在精细物品凹槽加工、刻字时,不如激光加工、激光刻蚀;在硬度、精确度等要求严格,形状很复杂的零件时,还比不上激光烧结加工等[2]。

4高速加工近期主要研究动态

4.1快换主轴和双主轴

高速主轴创始人之一,美国学者R ichard H eitka m p先生在一份报告中指出:改进主轴设计,将主轴看作刀具,进行极高的速度交换,可使主轴寿命提高4倍。他们公司有一个由六台机床组成的生产单元,主轴转速40000rp m,每天交换主轴3次。另外,在同一台机床上配备高速主轴和普通主轴或两个不同转速的高速主轴,可扩大机床使用范围。近期的欧洲机床展览会、国际机床展览会上都有产品展出。前面提到的RHP800型机床,就可用H S K换刀装置夹持铣刀以36000rp m铣削,又带有一个套筒主轴,以60000rp m的高速进行坐标镗孔,精度比通常的精密坐标镗床还高[1][3]。

4.2降低磁浮轴承价格,争取早日推广应用

磁浮轴承因其无机械磨损,刚度、阻尼可调,可精确控制转子位置,便于诊断和监控,可靠度高等优点,是高速主轴的理想支承之一,其Dn值已经可大于4.5@106,远高于其它轴承。世界上也有多家公司生产磁浮轴承,著名的有S2M、德国的FAG、瑞士的Ibag等,但因价格较高,还未在机床上普及使用。近期应努力降低其价格,如已出现了一个全新的研究方向-无传感器的磁浮轴承或称自检测磁浮轴承,因取消了传感器及相关设施,价格可显著下降[12]。

4.3提高并联机床的加工精度,尽快投入应用

并联机床改变了传统的串联机构,而采用六杆并联机构,因其构件只承受拉压载荷而不受弯矩和扭矩,因此刚度高,运动构件轻,易实现高速度和高加速度,完全适应高速加工的要求。但因还存在加工精度不高等问题,制约了它的应用。这是一种全新概念的机床,已引起普遍关注,各国纷纷投资研究,如欧盟在科研发展项目中就设立了并联机床专项,代号为MAC H21,力争解决一些共性问题,早日将其应用于生产[11]。

4.4廉价稳定生产的刀具的开发

目前,PCBN刀具、PCD刀具单价很高,是硬质合金涂层刀具的几十倍,使用成本很高,影响了推广应用。所以科技界和工程界一直在开发新的刀具材料、新的涂层材料和涂层技术,使刀具适合高速加工,切削速度向PCBN刀具、PCD刀具靠近。超硬涂层材料及其涂层方法已研究成功并投入使用,显示出良好的发展前景。近期,DLC(Dia2 mond L i ke C arbon)涂层已引起普遍关注(7)。另外,还要在切削机理及工艺数据库、机床结构、机床定位精度、加工过程监控、加工安全性、节能和环保、难加工材料的高速加工等方面展开研究。

4.5复合加工方法的研究与采用

如前所述,高速加工还将在几个领域与电火花加工、激光加工、激光烧结等方法竞争,这也可通过与这些方法的复合来解决,互为补充,以利用高速加工的高效率和这些方法的高精度及特殊加工的性能,更好地发挥设备功效和特点。

5结束语

随着进一步的深入研究、制约高速加工的关键技术的一一解决或完善,高速加工的应用必将越来越普及,并将在信息技术的带动下向智能化、网络化和集成化方向发展。

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(责任编辑:蒋华)

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