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浅谈高速切削加工技术在模具制造中的应用
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3 q2 |% i, Q1 v; f, N作者:沈阳理工大学机械工程学院 郭玉泉3 e _6 f; t5 R7 `6 g4 U. G+ I' n" T7 S/ I
一、引言
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随着科技进步和工业的飞速发展,模具已经成为当今工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备。模具作为重要的工艺装备,在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%,精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达500亿元的规模,我国模具制造市场潜力巨大。模具是一种专用工具,用于成形(型)各种金属或非金属材料所需要零件的形状制品,这种专用工具统称模具。模具是工业生产中最基础的设备,是实现少切削和无切削的不可缺少的工具。模具已广泛用于工业生产中的各个领域,如汽车、摩托车、家用电器、仪器、仪表、电子等,它们中60%~80%的零件都需要模具来进行制造;高效大批量生产的塑料件、螺钉、螺母和垫圈等标准件也需要模具来生产;工程塑料、粉末冶金、橡胶、合金压铸、玻璃成型等更需要用模具来成型。 . ^4 g& ^2 t) e
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正因为模具应用如此广泛,与之相关的模具制造技术也有了很大的发展。目前,采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势。在国外一些模具生产厂家,高速机床大面积取代电火花机床,高速切削生产模具已经逐渐成为模具制造的大趋势。 ( d8 D0 s, U; \2 E' _6 l
# s" j5 J5 \' _# b二、高速切削加工技术概述
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高速切削(High Speed Cutting,HSC)是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发展。
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( \0 w* @8 R& l/ U2 }6 L$ f1、高速切削加工机床的关键技术
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为了适应粗精加工、轻重切削和快速移动,同时保证高精度(定位精度±0.005mm),性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。图1(a)、(b)所示为高速切削加工中心,其关键技术有以下几项:
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(1)高速主轴 # ^; G* n* u$ s0 N" m3 e; w8 p3 o
6 x. v# g" S5 @, ?9 g: q2 x高速主轴是高速切削加工机床的核心部件,随着对主轴转速要求的不断提高,传统的齿轮——皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因已不能适应要求,取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴,它将主轴电机与机床主轴合二为一,实现了主轴电机与机床主轴的一体化。电主轴采用了电子传感器来控制温度,自带水冷或油冷循环系统,使主轴在高速旋转时保持恒温,一般可控制在20℃~25℃范围内某一设定温度,精度为±0.7℃,同时使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使主轴免维护、长寿命、高精度。
; }' t" j( x' o+ |. d& b- Z7 Z; _% y为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的伺服系统,这不仅是为了提高生产效率,也是维持高速切削中刀具正常工作的必要条件,否则会造成刀具的急剧磨损与升温,破坏工件加工的表面质量。
& w, K! ~3 L" M2 [0 {& K①直线电机伺服系统 5 x" W# F$ w' |/ o& \: u z3 M+ q
直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置,将机床进给传动链的长度缩短为零,它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大,行程不受限制、噪音低、成本较高,在加速度大于1g的情况下,是伺服系统的唯一选择。
* A. J# r4 b+ P Z9 n. w3 R②滚珠丝杠驱动装置 % V' X$ j" m5 x) d! [
滚珠丝杠仍是高速伺服系统的主要驱动装置,用AC伺服电机直接驱动,并采用液压轴承,进给速度可达4060m/min,其加速度可超过0.6g,成本较低,仅为直线电机的1/2.5。 ( O; e& M. b3 n, C9 D* g
(3)高精度快速进给系统
+ V2 }$ b" ]1 s+ ` A7 H/ w提高高速切削进给速度是提升加工效率所必须的。目前高速切削加工中心的切削进给速度一般为20m/s~40m/s。要实现并准确控制这样高的进给速度,对高速切削加工中心导轨、滚珠丝杠、伺服系统、工作台结构等提出了新的要求。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。先进的直线电动机驱动使CNC机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题,加快了伺服响应速度,提高了伺服控制精度和机床加工精度。直线电机具有很高的加速和减速特性,加速度可达3g以上,为传统驱动装置的10倍~20倍,进给速度是传统的4倍~5倍。
* |- i, q2 |: }# U7 h1 Q(4)高性能控制系统 + l- W3 v5 O) q. M/ b* t6 q( d0 z
高速切削机床优良的力学性能,必须通过它优良的控制性能才能够充分发挥。高速主轴,高速伺服系统都与控制技术的发展密不可分。用于HSC的计算机数控(CNC)系统必须具有很高的运算速度和精度,以及快速响应的伺服控制。HSC机床的CNC系统在相同一段时间内需要计算处理的数据比普通数控机床的CNC系统多得多,就要求前者的计算处理容量和速度大大提高,其CNC系统的硬件,采用功能强大的个人计算机配置。例如奔腾芯片,64MB内存,1~10GB硬盘等,使程序块的执行时间降低到30.5μs。在此基础上配备空间螺旋线、抛物线和样条插补功能、速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能、加速和制动时的急动速度监控功能等等,使工件加工质量在高速切削时得到明显改善。相应地,伺服系统则发展为数字化、智能化和软件化,使伺服系统与CNC系统在A/D和D/A转换中不会有丢失或延迟现象,尤其是全数字交流伺服电机和控制技术已得到广泛应用,该技术的主要特点为具有优异的动力学特征、无漂移、极高的轮廓精度,从而保证了高进给速度加工的要求。 : ~$ I A) z* h- F
# t7 n3 Z3 y1 @! v% G2、高速切削加工技术的特点: * n( D& n+ D' M" _, i
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(1)高速切削的加工效率高。高速切削加工允许使用较大的进给率,比常规切削加工提高5~10倍,单位时间材料切除率可提高3~6倍,加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件,特别是对于航空工业具有十分重要的意义。
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: T4 k1 K( [, c* o(2)高速切削的切削力小。和常规切削相比,高速切削加工时切削力至少可降低30%,这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形,使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。 7 I3 K8 s; p' t
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(3)高速切削的切削热对工件的影响小。高速切削加工过程极为迅速,95%以上的切削热量极少,零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形。高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属(如镁),高速切削有一定意义。 x! o7 `& l, J5 v$ l! D
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(4)高速切削的加工精度高。因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的受迫振动,保证了较好的加工状态。由于切削力太小,切削热影响小,使得刀具、工件变形小,保持了尺寸的精确性,另外也使得刀具工件间的摩擦变小,切削破坏层变薄,残余应力小,实现了高精度、低粗糙度加工。
/ s4 `% G* B! r4 t3 o(5)高速切削使加工工序简化。
/ m# y/ p( F- {由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度,并且在一定的切削条件下,可以对硬表面进行加工,尤其是对硬度在HRC40~60之间的高硬度进行铣削,可以部分取代电火花加工,这一点对于模具加工具有十分重要的意义。 7 {7 g" e. T' S4 F( M2 x/ D: j
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