1、高速切削技术及其在模具工业中的应用科技情报开发与经济SCI/TECHINFORMATIONDEVELOPMENTECONOMY2003 年第 l3 卷第8 期文章编号:10056033(2003)08 029902 收稿日期:2003 0401高速切削技术及其在模具工业中的应用解杰民摘要:介绍了高速切削技术的工艺特点及应用领域, 着重讨论了高速切削技术在模具工业中的应用情况,并分析了目前高速切削应用中尚待解决的问题.关键词:高速切削;高速加工:模具加工中图分类号:TG506.1 文献标识码:A1 高速切削技术简介对于不同的加工方式,不同的工件材料,高速切削的速度是不同的.通常高速切削的切削速度
2、比常规切削速度高出 510 倍以上,其中以德国 Darmstadt 大学 H.Sehulz 教授提出的铣削速度范围比较具有代表性:铝合金 1000m/rain 一 7000m/min,黄铜,青铜 900m/rain5000m/min,铸铁 800m/min 一 3000m/min,钢 500m/rain 一 5000m/min,钛合金100m/rain 一 1000m/min,镍基合金 50m/rain 一 500m/mir.高速切削的定义,学术界没有一个统一的说法.目前沿用的定义主要有以下几种:一是从主轴设计的观点来看,以被设计者沿用多年的“DN“值作为调整的衡量标准.“DN“值是指最大主轴
3、转速(r/min)乘以轴承孔径(mm),对于高速主轴,其 DN 值为 51o5200010.二是从实用的角度出发,以特定的主轴转速下的功率要求进行定义.因为功率受到主轴转速的限制,对于转速高的主轴一般功率很小,而主轴功率很小时转速可以达到很高,但这样的高速没有多大的实用意义.因此衡量高速的标准是功率与主轴转速的比率,在高速切削中,其典型值是0.O037kW/(r/mln)或更低, 也就是说,在转速 10000rrain 时功率为37kW,15000r/min 时功率为 22kW.三是在特定的转速下所采用的锥度规格,如转速为 10000r/min 一 15000r/min 时,采用#501S0
4、锥度; 转速为2000Or/min 一 32000r/min,采用#40ISO 锥度.四是从刀具和主轴的动力学角度定义,这种定义取决于刀具振动的主模式频率,它在 AVSI/ASME 标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围.还有从金属切除率和刀具夹持达到平衡时的速度等方面来考虑的.高速切削中的“高速“ 不是一个技术指标 ,而应是一个经济指标 .它不仅仅是一个技术上可以实现的切削速度,而且必须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度.2 高速切削技术的特点高速切削之所以成为技术热点,得到广泛的工业应用,是因为它相对传统加工具有显着的优越性,具体来说高速切削具有以下优点.2.1 加工效率高高速切削
5、加工允许使用较大的进给率,比常规切削加工提高 510倍,单位时间材料切除率可提高 36 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:业具有十分重要的意义.比如机翼的加工,大多采用整体加工法,需要切除的材料占9o%以上 .2.2 切削力藏小和常规切削相比,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,使一些薄弱壁类精细工件的切削加工成为可能.2.3 切削热对工作影响减少高速切削加工过程极为迅速,95%以上的切削热量被切屑带离工件,工件积聚量极少,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
6、于加工熔点较低,易氧化的金属(如镁),高速切削具有十分重要的意义.2.4 加工精度膏因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率,不会造成工艺系统的受迫振动,保证了较好的加工状态.由于切削力小,切削影响小,使得刀具,工件变形小,保持了尺寸的精确性,另外也使得刀具与工件间的摩擦减小,切削破坏层变薄,残余应力小,实现了高精度,低粗糙度加工.2.5 工序集约化由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗髓度,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HRC4060 之问的高硬度金属进行铣削,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,使加工工序集约化
7、,取得良好的技术经济效益.由于高速工切削是一项新技术,在很多方面都有待于研究和存在尚待解决的问题,比如,刀具磨损快,需要特殊昂贵的专用机床和先进的主轴,控制器,夹具,对刀夹平衡系统要求很高,主轴容易损坏等.还有很重要的一点是需要先进的刀具材料,刀具费用昂贵.3 高速切削技术在模具工业中的应用高速切削所具有的一系列特色和生产效益方面的巨大潜力,早已成为德,美,Ft 等国家竞相研究的重要技术领域.如今美国波音公司,法国达索采用数控高速切削加工技术超高速铣削铝合金,钛合金整体薄壁结构件.德国自 1984 年开始,由国家研究技术部(DFG)支助 Darmstadt 大学和 4l 家公司对超高速切削机床
8、,刀具等相关技术进行了系统的研究 .日本先端技术研究会把高速切削列为五大现代制造技术之一.如今,美,德,日,法,瑞士,意大利生产的不同规格各种商业化高速机床已经进入市场,应用于飞机,汽车及模具制造领域.随着高速加工(HishSpeedMachining,HSM)技术引进模具工业,对传统的模具加工工艺流程形成了巨大的挑战.由于模具型面一般都是十分复杂的自由曲面,并且硬度很高,采用常规的切削加工方法难以满足精度和形状要求.常规的加工方法是在退火后进行铣削加工,然后进行热处理,磨削或电火花加工,最后手工打磨,抛光,这样使得加工周期很长.特别是手工加工期阀,要占整个加工周期的很大一部分.HSM 可以达
9、到模具加工的精度要求,减少甚至取消了手工加工,并且由于新型刀具材料(如 PCD,CBN,金属陶瓷等 )的出现,HSM 可以加工硬度到 HRC60,甚至硬度更高的工件材料,可以加工淬硬后的模具,取代电火花加工和磨削加工.高速铣削加工在模具制造中具有高效高精度以及可加工高硬材料的优点,在工业发达国家已经得到广泛的应用.目前我国的切削技术还停留在较低的水平,机床所用的切削速度比先进工业国家约低一个数量级,生产效率很低,经济效益不好.高速切削技术在模具工业中的应用更是凤毛麟角,因此大力发展高速切削,对我国的制造业具有十分重要的意义.高速切削加工技术引进模具工业,主要应用于以下几个方面:一是淬硬模具型腔
10、的直接加工.利用高速切削可加工硬材料的特点直接加工淬硬后的模具型腔,提高了模具加工的质量和效率,可取代电火花加科技慵报开发与经济SCI/TECHINFORMATIONDEVELOPMENTECONOMY2003 年第 l3 卷第8 期文章编号:10056033(2003)08 03000l塑料加强帽在煤矿许用型电赵艳美蠢_答田昌收稿日期:20030708中的应用摘要:从生产实际出发,探讨了在煤矿许用型电雷管生产中以高压聚乙烯加强帽替代金属加强帽,从而简化工序,降低成本,以利于安全生产和产品质量的可行性.关键词:高压聚乙烯;塑料加强帽;煤矿许用型电雷管中围分类号:TD235.222;TQ565.
11、3 文献标识码:A到目前为止,国内煤矿许用型电雷管的生产中,绝大部分仍在使用金属加强帽,一般有紫铜帽,覆铜帽,镀铜帽,镀锌帽等,而电雷管壳多为覆铜钢壳或发蓝铁壳.这样帽体与管壳均为钢性材料,在扣压加强帽时易产生硬性摩擦,导致管壁附着的敏感程度高的起爆药点火起爆,进而引爆整板条的火雷管半成品(50 发),造成爆炸事故.针对上述情况,我公司借鉴兄弟企业的生产经营,改进雷管生产工艺,采用高压聚乙烯塑料加强帽,替代金属加强帽.通过一年多的试用,使用实践,证明这一工艺是完全可行的.1 加强帽在雷管中的作用加强帽在雷管中具有以下两个作用:一是封闭雷管所装炸药 ,防止漏失,减少外界因素对装药的影响,确保雷管
12、产品质量;二是防止起爆药柱上层爆炸产物向反方向和旁侧散失.加快从燃烧向爆轰的转化,从而降低极限药量.(下转封底)工.二是 EDM 电极加工.应用高速切削技术加工电极对提高电火花加工效率起到了很大作用.高速切削电极提高了电极的表面质量和精度,减少了后续加工工序.三是快速样件制造.利用高速切削加工效率高的特点,可用于加工塑料和铝合金模型,通过 CAD 设计后可快速生成 3D 实体模型.比快速原型制造技术效率高,质量好.据 P.FallbohmerT.Ahan 等人的研究表明,到 1996 年为止,已有44%的德国模具公司在使用 HSM 技术,而 59%的公司打算投资,日本和美国大约有 30%的公司
13、有这方面的使用经验,大多敬公司都认为 HSM是未来很有吸引力的一项技术.4 尚待解决的问题4.I 缺乏合理的加工参数选择方案高速切削作为一种全新的切削方式,目前尚没有完整的加工参数表可供选择,也没许多加工实例可供参考.在高速加工时,大多数依然是依靠以往的经验,或者进行大量的试切来选择参数,达到最佳的切削效果,提高生产率是目前高速切削应用的一个首要问题.4.2 缺乏合适的刀具选择方法刀具是高速切削推广应用中的一个关键问题.由于高速切削的切削机理与传统的切削完全不同,加工的磨损机制与失效形式,刀具的受力状况,形成的切屑形态等都不同.传统的铣削加工,刀具的主要失效形式是后面磨损,而在高速切削中,其失
14、效形式根据加工的条件以及工件材料不同而完全不同,比如有刀尖的破碎.前,后刀面磨损,刀杆折断等各种形式,并且不同的刀具与不同的工件材料组合产生的效果也不一样.如何选择合理的高效切削工具,尽可能延长刀具使用寿命,以及最大限度地发挥刀具的性能,对高速切削来说是一项十分关键的技术.4.3 大多数 CMS 软件没有考虑到高速切削问曩由于高速切削是一种新的加工理念,众多的 CAM 软件都没有考虑到高速切削问题.例如,高速切削加工复杂轮廓时,要求保持一种有规律的匀速,不允许有明显的滞后现象,否则,将会烧坏刀具,而一般的 CAM在处理轮廓的 NC 程序时.在曲率变化大的部分,为了保证插补精度 .会有明显的滞后
15、现象.目前由于缺乏相应软件,沿用的仍是过去的 CAM.输人的控制程序仍是标准的 ISONc 代码,没有考虑到高速切削的特点,高速切削的优越性没有完全发挥出来.应该采用一种新的编程方式,使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线.4.4 刀位路径规划没有考虑高速切削的特点高速切削要求快速形成刀具路径,此路径应尽可能圆滑,少转折点.无尖转折点,程序算法应保证高精度.碰到干扰能迅速调整,保证合理的进给速度,避免刀具振动等.目前的 CAM 中,刀位路径规划方法没有考虑高速切削的特殊性,因此对传统的刀位轨迹必须进行优化以适合高速切削.4.5 当前的曲面插补器限翻了高速,膏精度的发展目前插补器中计算量与插补精度
16、是一对无法调和的矛盾,一方面为了提高精度必须细化插补步长,而插补步长的细化又带来了极大的计算工作量,限制了程序运行周期,降低了运行速度.由于零件程序中的每一离散直线段在加工时都要经过加速和减速过程,使实际加工的平均进给速度大大低于编程进给速度.目前的直线与圆弧插补器无法满足高速高精度的要求,必须开发新型的 CNA 插补器.第一作者简介:解杰民,男,1965 年 7 月生,山西省河津市人 ,1989 年毕业于西安公路学院,工程师,中铝山西分公司氧化铝一分厂.山西省河津市,043304.High-speedCuttingTechniqueandItsApplicationinDieandMoldI
17、ndustryXIEJieminABSTRACT:Thispaperintroducesthetechnicalfeaturesandapplicationfieldsofhishspeedcuttingtechnique,dis-cussesemphaticallyontheapplicationofhighspeedcuttingtechniqueindieandmoldindustry,andanalysesonsomeproblemsthatremaintobesolvedintheapplicationofhighspeedcuttingtechniqueatpresent.KEYWORDS:high-speedcutting;high-speedprocessing;moldprocessing30o
