1 引言
隨著社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,為適應(yīng)市場的需求,
數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了六代。自1952年第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床在美國問世后,數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的專用計算機(jī)硬件邏輯控制、計算機(jī)直接控制、微型計算機(jī)控制到開放式數(shù)控。目前研究已經(jīng)超越了開放式數(shù)控的內(nèi)涵,
數(shù)控系統(tǒng)正向著高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。高速加工(High Speed Machining,HSM)是20世紀(jì)數(shù)控技術(shù)之后的又一次革命性的技術(shù)發(fā)展。
2 高速加工的發(fā)展現(xiàn)狀
近十年來,在經(jīng)濟(jì)全球化的推動下,發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移的速度空前加快,我國的制造業(yè)得到了高速發(fā)展。隨著外資的大規(guī)模進(jìn)入,對我國本土制造業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了重要的推動作用。在強(qiáng)勁需求的帶動下,我國汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、造船工業(yè)和通用機(jī)械工業(yè)等紛紛加大了引進(jìn)國外技術(shù)和裝備的規(guī)模和速度。我國傳統(tǒng)的機(jī)床工具技術(shù)和裝備,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)“優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、低耗和環(huán)保”的新需求了。我國制造業(yè)高速發(fā)展的強(qiáng)勁態(tài)勢和切削加工技術(shù)的相對落后,切削加工技術(shù)成為了我國
機(jī)械制造業(yè)高速發(fā)展的瓶頸。因此,必須分析當(dāng)前的現(xiàn)狀,提出相應(yīng)的對策,才能適應(yīng)新的形勢。
高速加工(HSM)是當(dāng)今制造業(yè)中一項快速發(fā)展的新技術(shù),在工業(yè)發(fā)達(dá)國家,高速切削正成為一種新的切削加工理念。它于1931年由德國物理學(xué)家薩羅蒙率先提出,20世紀(jì)60年代以后,美國科技界和工業(yè)界在高速加工的機(jī)理研究和應(yīng)用方面做了許多研究。20世紀(jì)80年代高速加工進(jìn)入實(shí)用化階段后,在美、德、日等西方發(fā)達(dá)國家得到了普及和應(yīng)用,并迅速開創(chuàng)了高速加工時代。近幾年高速加工也在國內(nèi)制造業(yè)中得到了響應(yīng),已受到越來越多國內(nèi)企業(yè)的青睞和重視。高速切削加工技術(shù)是高速加工系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng),是指刀刃相對于零件表面的切削運(yùn)動(移動)速度超過普通切削5~10倍,主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、工作及快退3個環(huán)節(jié)上。其優(yōu)勢為:在高速加工過程中,能使被加工塑性金屬材料在切除中的剪切滑移速度達(dá)到或超過某一域限值,開始趨向最佳切除條件,使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具磨損、加工表面質(zhì)量等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標(biāo),而加工效率則大大高于傳統(tǒng)切削速度下的加工效率。它的基本特征是切削速度高(為常規(guī)切削速度的5~10倍),進(jìn)給速度快(40~180m/min),加減速度大(1~2g)。高速加工(HSC)技術(shù)將成為提高生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量、加工精度和縮短生產(chǎn)周期及降低加工成本的重要手段,為產(chǎn)品占領(lǐng)市場份額奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。
高速加工的基本出發(fā)點(diǎn)是高速低負(fù)荷狀態(tài)下的切削可較低速高負(fù)荷狀態(tài)下切削更快地切除材料。低負(fù)荷切削意味著可減小切削力,從而減少切削過程中的振動和變形。使用合適的刀具,在高速狀態(tài)下可切削高硬質(zhì)的難加工材料。同時,高速切削可使大部分的切削熱通過切屑帶走,從而減少零件的熱變形。高速加工與常規(guī)切削相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn):加工時間可減小約60%;進(jìn)給速度提高5~10倍;材料去除率提高3~5倍;刀具耐用度提高70%;切削力減小約30%;加工面表面粗糙度可達(dá)Ra=8~101μm;由于切削過程的切削熱90%被切屑帶走,工件溫升低,熱變形、熱膨脹小。
上述這些優(yōu)點(diǎn)僅在加工策略合適的情況下才能實(shí)現(xiàn)。如果加工策略不適當(dāng),輕則會縮短刀具的壽命,重則可能導(dǎo)致更加可怕的結(jié)果。高速加工并不是簡單地使用現(xiàn)有刀具路徑,通過提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率實(shí)現(xiàn)。因此,盡管對高速加工的研究已有多年,也在汽車、航天航空、船舶等行業(yè)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,但還有許多問題有待于解決,如高速
機(jī)床的動態(tài)、熱態(tài)特性;刀具材料、幾何角度和耐用度問題;機(jī)床與刀具間的接口技術(shù)(刀具的動平衡、扭矩傳輸);冷卻潤滑液的選擇;CAD/CAM的程序后置處理問題;高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題;安全性問題。
3 實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速加工亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)
要實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削加工所需研究的核心內(nèi)容包含高速切削加工理論、高速主軸單元、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC系統(tǒng)、高性能的刀具系統(tǒng)、機(jī)床支撐技術(shù)驅(qū)動系統(tǒng)及輔助單元技術(shù)。
3.1 高速切削機(jī)理
高速切削機(jī)理是高速切削技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的理論基礎(chǔ),在高速切削技術(shù)應(yīng)用中起著指導(dǎo)作用,占有十分重要的地位。
目前,高速切削加工機(jī)理有3種學(xué)說:
(1)Dr.Salomon理論。1929年德國的切削物理學(xué)家薩洛蒙(CarlSalomon)博士開始進(jìn)行超高速模擬實(shí)驗,并于1931年發(fā)表了著名的超高速切削理論,提出了高速切削假設(shè),并在德國申請了專利。該假設(shè)認(rèn)為:在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi),切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對于不同的工件材料,存在一個速度范圍,當(dāng)切削速度超過了這個速度范圍以后,隨著切削速度的增大切削力會大幅度下降,切削溫度也會降低。按照這一假設(shè),在具有一定速度的高速區(qū)進(jìn)行切削加工,會有比較低的切削溫度和比較小的切削力,不僅有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行超高速切削,大幅度地縮短切削時間,成倍地提高
機(jī)床的生產(chǎn)率,而且還將給切削過程帶來一系列的優(yōu)良特性。該假設(shè)為進(jìn)入“死谷”召區(qū)后,由于切削溫度太高,任何刀具都無法承受,切削加工不可進(jìn)行;假設(shè)理論如圖1所示,在常規(guī)切削速度范圍A區(qū),切削溫度隨切削速度的增加而升高;當(dāng)切削速度超過B區(qū)進(jìn)入高速C區(qū),切削溫度隨切削速度的增加而降低,可明顯縮短切削加工時間,提高機(jī)床生產(chǎn)率。
圖1 切削過程中刀具的溫度與速度的關(guān)系
(2)后來的學(xué)者根據(jù)高速切削實(shí)驗結(jié)果對Salomon理論提出了質(zhì)疑,認(rèn)為在高速切削鑄鐵、鋼及難加工材料時,即使在很高的切削速度范圍內(nèi)也不存在B區(qū)這樣的死谷,刀具耐用度總是隨著切削速度的增加而降低的。
(3)20世紀(jì)70年代中期,美國洛克希德導(dǎo)彈和空間公司的科學(xué)家羅伯特.金(Bobet I.King)和麥克唐納(Mcdonald.J)開始著手驗證和發(fā)展沃漢(Vauglan)的研究結(jié)論,提出了一個比較完整和可靠的高速切削機(jī)理,從理論上證實(shí)了高速切削的可行性和優(yōu)越性。他們的研究主要在切屑成型理論、金屬斷裂、突變滑移、絕熱剪切以及各種材料的切屑成型方面。一系列切削試驗表明,與常規(guī)切削相比,高速加工切削力可降低30%左右,刀具耐用度可提高70%左右,但目前還沒有成熟的高速切削理論解釋這些試驗結(jié)果。
我國在高速切削基本方法和理論方面研究起步較晚、水平較低。目前,南京航空航天大學(xué)推導(dǎo)出了在高速切削時集中剪切滑移條件下的切削方程式,為進(jìn)一步發(fā)展高速切削工藝技術(shù)建立了理論基礎(chǔ);山東大學(xué)主要探討了高速切削時切削參數(shù)的選擇和表面質(zhì)量的控制;哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)等單位研究了高速切削時刀具的磨損情況等。通過對高速切削加工中切削力、切削熱、切屑形成機(jī)理、刀具磨損、表面質(zhì)量等技術(shù)的研究,可以為開發(fā)高速機(jī)床和高速加工刀具、工藝和測試技術(shù)改革提供理論指導(dǎo)。國內(nèi)學(xué)者主要是進(jìn)行局部理論的研究,都沒有真真運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中,國內(nèi)的高速切削
數(shù)控機(jī)床大都是進(jìn)口的,幾乎沒有國產(chǎn)機(jī)床的市場。國內(nèi)制造業(yè)想要突破產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展與切削加工技術(shù)落后的瓶頸,只有做到如下幾點(diǎn):
(1)進(jìn)一步完善高速切削機(jī)理;
(2)進(jìn)行高速切削實(shí)驗,建立完整的高速切削數(shù)據(jù)庫和工藝參數(shù)專家系統(tǒng);
(3)根據(jù)(2)中的數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的高速切削加工過程的虛擬仿真軟件。
3.2 高速主軸單元
傳統(tǒng)的機(jī)床是通過齒輪、皮帶等中間環(huán)節(jié)連接把動力從電機(jī)傳遞到主軸,從而控制機(jī)床主軸的運(yùn)動。由于傳統(tǒng)的主軸運(yùn)動的精度受很多因素的影響,特別是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時候無法達(dá)到所需的精度,已經(jīng)無法適應(yīng)高速加工的要求。高速加工機(jī)床的主軸部件,要求采用耐高溫、高速、能承受大的負(fù)荷的軸承,同時主軸動平衡性能好,有良好的熱穩(wěn)定性,能夠傳遞足夠的力矩和功率且能承受高的離心力,主軸的剛性要好、有恒定的力矩并帶有檢測過熱裝置和冷卻裝置。因此具備相應(yīng)的高轉(zhuǎn)速和高精度、高速精密和高效率特性的數(shù)控機(jī)床電主軸應(yīng)運(yùn)而生。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電主軸的主軸形式是將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件的內(nèi)部,即把高速電機(jī)置于精密主軸內(nèi)部,電主軸的電機(jī)轉(zhuǎn)子就是主軸,主軸的殼體就是電機(jī)的機(jī)座,實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速電機(jī)和主軸一體,電機(jī)直接驅(qū)動主軸,形成電主軸。電主軸取消了中間的傳動環(huán)節(jié),傳動鏈長度為0,可以實(shí)現(xiàn)真真意義上的機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動”,避免了中間環(huán)節(jié)對精度的影響。
電主軸是一套組件,它包括電主軸本身及其相應(yīng)的部件:電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等。電主軸實(shí)現(xiàn)高速化,從機(jī)械方面考慮的主要是軸承發(fā)熱和振動的問題;從電機(jī)設(shè)計方面考慮的主要是定子、轉(zhuǎn)子功率密度和繞組發(fā)熱問題;從驅(qū)動和控制角度考慮的主要是調(diào)速性能問題。
針對上述3個方面的問題,可采取如下措施:
(1)高速精密主軸上大量采用高速、高剛度的軸承,如一般情況采用陶瓷軸承和液體動靜壓軸承,特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承;軸承的潤滑采用定時定量的油氣潤滑而不是油脂潤滑。
(2)主軸電機(jī)主要采用矢量控制的交流異步機(jī)。
(3)電主軸的內(nèi)置高速電機(jī)采用高頻變頻裝置來驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,變頻器的輸出頻率甚至要達(dá)到幾千Hz。
3.3 高速驅(qū)動系統(tǒng)
迄今為止的驅(qū)動系統(tǒng)都是由旋轉(zhuǎn)電動機(jī)、齒輪箱或聯(lián)軸器、絲杠和驅(qū)動螺母、絲杠支座軸承等構(gòu)成,而它們都影響甚至限制了
機(jī)床的性能。例如:電動機(jī)本身有最大轉(zhuǎn)速的限制,隨著速度增加,電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降;在高的加速度下電動機(jī)軸會產(chǎn)生扭曲甚至變形和位置誤差;齒輪箱則會增加系統(tǒng)慣性,產(chǎn)生間隙;若電動機(jī)與絲杠直接連接,則會產(chǎn)生扭曲變形、間隙及滯后;絲杠本身受臨界轉(zhuǎn)速、間隙、扭曲、螺距誤差、摩擦等影響,且其振動衰減時間很長。
直線電機(jī)則是將傳統(tǒng)圓筒型電機(jī)的初級展開拉直,使得初級的封閉磁場變?yōu)殚_放磁場,旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的初級,旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分變?yōu)橹本€電機(jī)的次級。在電機(jī)的三相繞組中通人三相對稱正弦電流后,在初級和次級間產(chǎn)生氣隙磁場,氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似,沿展開的直線方向呈正弦分布。當(dāng)三相電流隨時間變化時,氣隙磁場按定向相序沿直線移動,這個氣隙磁場成為行波磁場。當(dāng)次級固定不動時,次級就能沿著行波磁場運(yùn)動的方向做直線運(yùn)動,即可實(shí)現(xiàn)高速機(jī)床的直線電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給方式。把直線電機(jī)的初級和次級分別安裝在高速機(jī)床的工作臺與床身上,由于這種進(jìn)給傳動方式的傳動鏈縮短為0,因此稱為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動”。
同“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”傳動方式相比較,直線電機(jī)直接驅(qū)動有以下優(yōu)點(diǎn):(1)高速度,目前最大進(jìn)給速度可達(dá)100~200m/min;(2)高加速度,可達(dá)2~10g(g=9.8m/s); (3)定位精度高,由于只能采用閉環(huán)控制,其理論定位精度可以為0,但由于存在檢測元件安裝、測量誤差,實(shí)際定位精度不可能為0,最高定位精度可達(dá)0.1~0.01m;(4)行程不受限制,由于直線電機(jī)的次級(定子)可以一段一段地鋪在機(jī)床床身上,不論有多遠(yuǎn),對系統(tǒng)的剛度不會產(chǎn)生影響。
直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是一種能將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的機(jī)械能,而不需要任何中間傳動環(huán)節(jié)的驅(qū)動裝置。它的應(yīng)用將傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動,因此機(jī)床的速度、加速度、剛度、動態(tài)性能可得到完全改觀,通過采用數(shù)字控制技術(shù),直線電機(jī)可以利用大增益,提高控制效果,使得高速移動的伺服滯后量減小,從而獲得高的定位精度,有效地克服了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時,機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)傳動鏈較長、體積大、效率低、能耗高、精度差等缺點(diǎn)。
3.4 高性能刀具系統(tǒng)
在高速切削中,其失效形式根據(jù)加工的條件及工件材料不同而完全不同。比如有刀尖破碎,前、后刀面同時磨損,刀桿折斷等各種形式,并且不同的刀具與不同的工件材料組合產(chǎn)生的效果也不一樣。如何選擇合理的高速切削刀具,盡可能延長刀具使用壽命,以及最大限度地發(fā)揮刀具的性能,對高速切削應(yīng)用來說是一項十分關(guān)鍵的技術(shù)。為了適應(yīng)高速切削,刀具材料耐磨性能要好,在干式切削高溫條件下切削性能穩(wěn)定。目前高速切削刀具材料主要有涂層硬質(zhì)合金、金屬基陶瓷、氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼等。
在機(jī)床主軸—夾頭—刀具系統(tǒng)中,刀具和夾具的不對稱形狀、系統(tǒng)構(gòu)件的連接間隙和夾緊的不精確、主軸的圓跳動和磨損、主軸刀具拉緊機(jī)構(gòu)中拉桿—碟形彈簧的偏移、冷卻潤滑液的影響等都會造成刀具系統(tǒng)的不平衡。在高速加工過程中,刀具的一點(diǎn)點(diǎn)不平衡都會產(chǎn)生較大的離心力,嚴(yán)重影響主軸的正常運(yùn)行。
針對這種情況,需采取以下措施:(1)制定動平衡標(biāo)準(zhǔn)。目前已有國際標(biāo)準(zhǔn)IS01940規(guī)定了動平衡的技術(shù)指標(biāo),各廠家可以根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和工廠實(shí)際情況指定相應(yīng)的產(chǎn)品的動平衡標(biāo)準(zhǔn)。(2)對刀具系統(tǒng)進(jìn)行動平衡,對刀具、夾頭和主軸進(jìn)行動平衡。(3)對夾頭連同刀具整體進(jìn)行一次動平衡。(4)刀具系統(tǒng)裝夾到主軸上是會因夾緊產(chǎn)生誤差,對于高速加工應(yīng)采用自動平衡系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在線動平衡。美國肯納金屬公司所開發(fā)的TABS(動態(tài)動平衡全自動調(diào)整系統(tǒng))可安裝在機(jī)床上,當(dāng)?shù)毒咴趧討B(tài)高速旋轉(zhuǎn)時,2s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對刀具的動態(tài)動平衡全自動調(diào)整,有效地解決了高速加工中刀具系統(tǒng)動平衡快速調(diào)整的問題。
3.5 高速CNC系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)(數(shù)字控制系統(tǒng))是指實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)相關(guān)功能的軟硬件模塊有機(jī)集成系統(tǒng)。它是數(shù)控技術(shù)的載體。數(shù)字控制系統(tǒng)中的信息是數(shù)字量,是相對于模擬控制而言的。
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)從最初的由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的硬線數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了以計算機(jī)為核心的計算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control,CNC)系統(tǒng)。相對于硬線
數(shù)控系統(tǒng)而言,CNC系統(tǒng)的控制功能主要由軟件實(shí)現(xiàn),并可處理邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息,因而具有較高的柔性和更高的性能。
高速加工對CNC的最基本要求:以足夠快的速度處理NC數(shù)據(jù)、為各進(jìn)給軸加減速產(chǎn)生無沖擊的理論值。高速加工CNC功能模塊,它與普通CNC相比,擴(kuò)展有后置處理器,離線預(yù)處理功能和樣條譯碼功能。高速加工CNC的核心技術(shù)是樣條實(shí)時插補(bǔ)和無沖擊的加速器。樣條不應(yīng)該線性化,應(yīng)該直接插補(bǔ),以免降低精度。機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有高動態(tài)性能,為機(jī)床進(jìn)給軸加減速產(chǎn)生無沖擊的理論值——斜坡函數(shù),即機(jī)床進(jìn)給軸加速度—時間曲線不允許有突跳,只有這樣才能保證高速加工的高精度和足夠高的進(jìn)給速度。
數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程,一個優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、自動刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡優(yōu)化功能和加工殘余分析功能等。高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn),這會直接影響到加工質(zhì)量和
機(jī)床主軸等零件的壽命;最后,要盡量使刀具載荷均勻,這會直接影響到刀具的壽命。
普通NC程序信息量低,在執(zhí)行NC程序之前要進(jìn)行預(yù)處理,以離線方式進(jìn)行。預(yù)處理內(nèi)容:將ASCII轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式,語法檢查及與操作者進(jìn)行交互,分解固定循環(huán)和子程序,參數(shù)計算和公式計算。編程主要是基于IS06983標(biāo)準(zhǔn),但I(xiàn)S06983不支持五軸銑削和曲線加工的高速切削。目前的數(shù)控軟件都以IS06983(G,M代碼)為標(biāo)準(zhǔn),針對高速加工(HSM),只能在原CNC基礎(chǔ)上,對刀具中心軌跡進(jìn)行編程,程序量大,針對不同的高速加工中心,還需專用的后置處理器。STEP-NC(1S014649)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(1SO)所開發(fā),用來為數(shù)控(NC)設(shè)備定義數(shù)據(jù)而擴(kuò)充的STEP標(biāo)準(zhǔn)。采用了EXPRESS語言和面向特征的編程原理,將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP擴(kuò)展至CNC領(lǐng)域,重新規(guī)定了CAD/CAM和CNC間的接口,形成了新型NC編程數(shù)據(jù)接口國際標(biāo)準(zhǔn)(1S014649)。STEP-NC可大幅度地減少傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)加工零件的時間,消除了在加工制造過程中所需的后處理器,并且能夠支持將在今后出現(xiàn)的更快、更安全、更加智能的加工設(shè)備。
3.6 高速機(jī)床支撐系統(tǒng)
高速加工過程中機(jī)床的動態(tài)特性至關(guān)重要,而獲得高動態(tài)性能的基礎(chǔ)是機(jī)床的各個部件應(yīng)該具有最佳的阻尼特性,整個系統(tǒng)有很高的穩(wěn)定性。這些特性可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和選擇合適的機(jī)床材料來獲得,如可以采用高度穩(wěn)定的龍門結(jié)構(gòu)和經(jīng)優(yōu)化的高剛度床身。
大多數(shù)的高動態(tài)性能機(jī)床的制造商都用混凝土作為各種非移動結(jié)構(gòu)部件的材料,比如用于機(jī)床床身和橫梁。高動態(tài)特性的機(jī)床部件移動所產(chǎn)生的沖擊力被混凝土床身完全吸收了。相比之下,當(dāng)制造像主軸箱這樣的移動部件時,鑄鐵材料的耐壓和耐拉強(qiáng)度就更有優(yōu)勢一些。鑄鐵材料可以用于制造具有優(yōu)異強(qiáng)度和穩(wěn)定性的較輕的部件。高速加工過程中同時也要求機(jī)床具備良好的加減速功能,即必須要保持合理的加加速和加加速度控制(Jerk control)。進(jìn)給率在高速加工時可能不斷轉(zhuǎn)變,會產(chǎn)生變化的加減速度即加加速度,同時出現(xiàn)機(jī)械的沖擊和振動,因此要控制過大加減速度的變化。
如果加加速過大(突變),可在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加速,但同時會造成機(jī)床的振動,從而使所加工表面出現(xiàn)條紋,降低了表面質(zhì)量。如果加加速過小,可以實(shí)現(xiàn)高的表面質(zhì)量,但很難實(shí)現(xiàn)快加速功能。因此,為了保證在高速情況下加工出高質(zhì)量表面,合理的機(jī)床加加速非常重要。
3.7 輔助單元技術(shù)
高速切削過程會產(chǎn)生大量的高溫?zé)崆行?,必須及時將其從工作臺上清除掉,避免使機(jī)床、刀具和工件產(chǎn)生熱變型。高壓大流量的切削液不但可以冷卻機(jī)床的加工區(qū),而且也是一種有效的清理切屑的方法。當(dāng)前,許多機(jī)床都配置了高速加工所必需的高壓冷卻液泵。高速切削機(jī)理研究表明,基本剪切區(qū)的高溫有助于加速塑性變形和切屑的形成。在高速切削條件下大量使用冷卻液,雖然可顯著提高刀具耐用度,但卻大大降低了工件的塑性流動速度,反而降低總的生產(chǎn)效率。合理地選擇冷卻潤滑方式,是保證加工質(zhì)量的先決條件。對于條件最為惡劣的主軸軸承的潤滑方式有油脂潤滑、油池潤滑、噴霧潤滑、油氣潤滑等。一種新型氣體軸承還采用強(qiáng)制供氣潤滑。
采用于式切削方式,會從根本上改善切削的環(huán)境狀態(tài),節(jié)省對切削液的直接投資和廢液處理及環(huán)保費(fèi)用。高速切削加工中為了保護(hù)環(huán)境與人身安全、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率及保證加工質(zhì)量,應(yīng)用干切削技術(shù)是高速切削加工的必然要求。因此,應(yīng)開發(fā)出更加節(jié)省能源的機(jī)床,開發(fā)出更加實(shí)用的干式切削加工技術(shù)。如采用低溫氣體冷卻,使工件、刀具和機(jī)床的溫升降低,同時配備抽吸系統(tǒng)進(jìn)行防塵和排屑,保證加工區(qū)的清潔。在一些機(jī)械加工中,純粹的干切削是難以實(shí)現(xiàn)的,可以采用最小量潤滑技術(shù)又稱準(zhǔn)干切削。也可以采用通過對加工表面局部加熱(如激光加熱、導(dǎo)電加熱等)輔助加熱的干切削技術(shù),以改善材料的可加工性,降低切削力,有助于干切削的實(shí)現(xiàn)。
4 結(jié)束語
自20世紀(jì)80年代以來,電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)的發(fā)展使新一代
數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高,促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。同時,高速加工技術(shù)也從基于傳統(tǒng)金屬(非金屬)切削加工技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù),逐步發(fā)展成為綜合性系統(tǒng)工程技術(shù)。數(shù)控機(jī)床性能在高速度、高精度、高可靠性和復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了很大的進(jìn)展。現(xiàn)代制造業(yè)迎來了一場新的技術(shù)革命,數(shù)控高速加工技術(shù)將引領(lǐng)制造業(yè)的高速發(fā)展。