高速切削技术 篇1
高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术, 其切削速度、进给加速度相对于传统的切削加工成倍提高, 效率提高3～5倍以上, 可直接加工淬火钢模具, 实现了模具加工“一次过”的革命性进步。高速加工是制造科学的前沿。高速切削时, 工件材料将处于超常应变速率状态, 在瞬间发生剧变, 完全突破了传统切削理论和现有切削加工的概念, 高速切削机理发生了根本性的变化。与传统切削加工相比, 高速切削加工使切削力下降30%, 切削热的90%被切屑带走, 高速避开了机床的低频共振区, 使机床的效率、精度和柔性得到高度统一, 代表了机床工业发展的方向。在工业发达国家, 高速加工已在航空航天、汽车、高速机车和模具等行业广泛应用, 成为切削加工的发展趋势。高速机床和高速刀具逐步投入市场, 高速切削加工技术得以在德、美、日等工业发达国家进入工业应用阶段并迅速发展, 取得重大经济和社会效益。
高速切削机床是实现先进切削工艺、获得高效加工效益的载体, 也是进行高速切削试验研究的平台。高速切削的关键技术有高速切削机理、高速加工技术、高速加工用刀具技术、高速加工工艺技术以及高速加工测试技术等, 其中高速机床是实现高速加工的前提和基础条件。
1 高速主轴单元
高速主轴部件是高速机床最为关键的部件之一, 同时高速主轴单元的设计是实现高速加工的关键技术之一。高速主轴在离心力作用下产生振动和变形, 高速运转时产生的摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起温升和热变形, 将直接影响机床最终的加工性能, 因此必须对其进行严格控制。高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。不同类型的主轴输出功率相差较大。高速主轴要在极短的时间内完成升降速, 并在指定的位置快速准停, 这要求主轴具有很高的角加速度。主轴的驱动如果通过皮带等中间环节, 不仅会在高速状态打滑、产生振动和噪声, 而且增加了转动惯量, 机床主轴快速准停非常困难。高速加工机床主轴系统在结构上几乎都是采用交流伺服电机直接驱动的集成结构形式。集成化主轴有两种形式, 一种是通过联轴器把电机与主轴直接联接, 另一种是把电机转子和主轴做成一体。
目前, 多数高速机床主轴采用内装式电机主轴, 简称“电主轴”。电主轴采用无外壳电机, 将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内, 转子和机床主轴的旋转部件做成一体, 主轴的变速完全通过交流变频控制实现, 将变频电机和机床主轴合二为一。电主轴系统主要包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口等。
目前, 国外高速机床主轴系统一般选用的轴承有陶瓷球轴承、静压轴承、动静压轴承、气浮轴承、磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时, 这是高速切削技术应用的一大制约。国产陶瓷球轴承的转速仅达到20 000 r/min, 且只能承受轻负载。磁悬浮轴承支承的电主轴可以在5 000～80 000r/min的转速下运行上万小时, 但其主轴的支撑刚度较低, 难以应用于铣削加工。液体动静压轴承则拥有动压轴承和静压轴承的优点, 刚度和精度高, 其理论寿命为无限长, 有较大的应用潜力, 但目前设计预计的模型多是基于层流、不可压缩流体、等粘度假设, 有很大的局限性。高速主轴润滑轴承中流体的内摩擦功耗使温度上升。采用低粘度介质如水润滑, 使温升有所改善, 但其高速剪切下的热特性、水的腐蚀作用及高速紊流下气泡的产生对轴承稳定性的影响等问题有待深入解决, 才能形成设计制造技术。
在高速主轴单元中, 机床既要完成粗加工, 又要完成精加工, 因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度要求。高速机床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
2 高速进给系统
高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统, 这不仅是为了提高生产率, 也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件, 否则会造成刀具急剧磨损, 破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时, 为了保证零件的加工精度, 随着机床转速的提高, 进给速度也必须大幅度提高, 以便保证刀具每齿进给量不变;另一方面, 由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长, 一般只有几十毫米到几百毫米, 进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给, 除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副, 最近几年又出现了采用直线电机驱动和基于并联机构的新型高速进给方式, 从结构、性能到总体布局来看, 3种方式都有很大的差别, 形成了3种截然不同的高速进给系统。
(1) 滚珠丝杠副传动系统
从1958年美国K&T公司生产出世界上第一台加工中心以来, “旋转电动机+滚珠丝杠”至今仍然是加工中心和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动, 进给加速度可以达到1 g, 进给速度可以达到40～60 m/min, 定位精度可以达到20～25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统, 采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案, 因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制, 能够实现的进给速度和加速度比较小。
对于采用滚珠丝杠副的传动系统, 为了提高进给加速度, 可以采取以下措施。
a.加大滚珠丝杠直径以提高其刚度, 且丝杠内部做成空心结构, 这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。
高速滚珠丝杠在运转时, 由于摩擦产生温升, 造成丝杠的热变形, 将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术, 对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用。
b.选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机, 采用多头大导程滚珠丝杠。
c.对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。
另外, 为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度, 可以采用小直径的氮化硅陶瓷球, 并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来, 减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压, 减少丝杠的发热和引起的噪声。也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式, 避免高速运转受临界转速的限制。
改进后的滚珠丝杠其进给速度一般不超过60～80 m/min, 加速度小于1.5 g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。
采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比, 可以大幅度降低成本。日本精工已经研制出进给速度高达100 m/min的滚珠丝杠。采取的改进措施主要有, 采用16～32 mm大导程, 提高滚珠循环部分零件质量;采用多头螺纹以增加有效圈数, 改进滚道形状等。从而, 实现了进给系统的高速、高刚度以及高承载能力。
(2) 直线电机进给驱动系统
直线电机驱动实现了无接触直接驱动, 避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点, 可获得高精度的高速移动, 并具有极好的稳定性。
直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开, 然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固连, 定子则安装在机床床身上, 在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床进给传动链的长度缩短为零, 从而实现所谓的“零传动”。
从1845年Charles Wheastone发明世界上第一台直线电机以来, 直线电机在运输机械、仪器仪表、计算机外部设备以及磁悬浮列车等行业获得了广泛应用。国外第一个采用直线电机的数控机床是1993年德国Ex-cell-O公司在汉诺威机床博览会上展出的HSC240高速加工中心。该加工中心采用了德国Indramat公司开发成功的感应式直线驱动电机, 最高的进给速度可以达到60m/min, 进给加速度可以达到1 g。美国Ingersoll公司在其生产的HVM8加工中心的3个移动坐标轴的驱动上使用了永磁式直线电机, 进给最高速度达76.2 m/min, 进给加速度达1～1.5 g。意大利Vigolzone公司生产的高速卧式加工中心, 三轴采用直线电机, 三轴的进给速度均达到70m/min, 加速度达到1 g。在CIM’97上德国西门子公司曾作了120 m/min直线电机高速进给表演。该公司直线电机最大的进给速度可达200m/min, 最大推力可达6 600 N, 最大位移距离为504 mm。目前直线电机加速度可达2.5 g以上, 进给速度轻而易举就可以达到160 m/min以上, 定位精度高达0.5～0.05μm。
使用直线电机驱动具有以下优点。
a.高速响应性。由于系统取消了各种响应时间常数较大的机械传动件, 整个闭环控制系统动态响应性能大为提高, 反映异常灵敏快捷。
b.传动刚度高。系统避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象, 同时提高了其传动刚度。
c.定位高精度。系统从根本上取消了由于机械机构引起的传动误差, 减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。直线电机驱动系统一般以光栅尺作为位置测量元件, 采用闭环反馈控制系统, 工作台定位精度达0.1～0.01μm。
d.进给速度快、加减速度大。由于系统的高响应性, 其加减速过程大大缩短, 以实现启动瞬时达到高速, 高速运行又能瞬间停止, 可获得较高的加速度, 一般可以达到2～10 g。
e.行程长度不受限制。直线电机的次级连续铺在机床床身上, 次级铺到哪里, 初级 (工作台) 就可以运动到哪里, 使行程距离不受限制, 而且不管有多远, 对整个进给系统的刚度都没有任何影响。
直线电机的结构本身也存在着一些不利因素, 如直线电机的磁场是敞开的, 尤其是采用永磁式直线电机时, 要在机床床身上安装一排磁力强大的永久磁铁。因此必须采取适当的隔磁措施, 否则对其磁场周围的灰尘和切屑有吸收作用。与同容量的旋转电机相比, 直线电机的效率和功率因数要低, 尤其在低速时比较明显, 但从整个装置和系统来看, 由于采用直线电机后省去中间传动装置, 系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。另外, 直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大, 故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减小或消除这种影响。虽然采用直线电机驱动的数控机床需要解决如上问题, 但是目前在加速度大于1 g的情况下, 直线电机仍是唯一的选择。
(3) 基于并联机构的高速进给系统
传统机床的结构一般都是由床身、工作台、立柱、导轨、主轴箱等部件串联而成的非对称的布局, 因此机床结构不但要承受拉压载荷, 而且还要承受弯扭载荷。为了保证机床的整体刚度, 只有采用结构比较笨重的支承部件和运动部件, 这不但要消耗大量的材料和能源, 也制约了机床进给速度和加速度的进一步提高。刀具和工件之间的相对运动误差由各坐标轴运动误差线性叠加而成, 机床结构的非对称还导致受力和受热的不均匀, 这些都影响机床的加工精度。
为了克服传统机床布局上固有的缺陷, 满足高速加工的要求, 近年来出现了一种全新概念的机床进给机构——并联虚拟轴结构, 它的基本工作原理是建立在1964年由英国人Steward设计并获得专利的六杆结构的基础上, 一般称为Steward平台。具有这种进给机构的机床也被称为并联运动机床。1994年在芝加哥国际机床博览会上, 首次展出了由这种机构实现的多坐标进给运动的数控机床和加工中心, 引起国际机床界的轰动, 被认为是机床结构的重大革命。
和传统的串联式机床相比, 并联机床具有以下优点。
a.比刚度高。承受切削力的动平台由完全对称的多根杆件支撑, 杆件只承受拉压, 不承受弯扭应力。其结构简单、标准化程度高、生产成本低。
b.响应速度快。机床运动部件质量小, 对运动速度反映速度快, 能够实现高进给速度和高加速度的加工运动。
c.适应能力强。并联机床采用独特的简单杆系结构, 各杆的结构完全相同, 而其他部件均为外购的标准部件, 并且并联机床采用开放式控制系统, 只要更换平台上的工作部件就可以实现多种类型的加工。
并联机床是实现高速进给的一种崭新的运动机构, 有非常好的应用前景。但是由于并联机床结构上的限制, 其在应用过程中也存在一定的问题, 比如有效的工作空间比较小, 六轴完全并联的机床运动范围很小, 很难同时实现立卧加工, 做出的机床往往体积大而实用的工作空间小, 这是六杆机床发展初期普遍存在的问题。近年来各国都在大力发展混联机床, 这种结构机床可以在很大程度上解决工作空间小的问题。并联机床另一个比较严重的问题是加工精度不高, 其原因主要是杆件热变形以及铰关节制造精度的提高十分困难。研究开发结构尺寸小、承载能力强、精度高的复合滚动关节部件是发展并联机床的关键基础技术问题。并联机床的数控编程和误差补偿比较复杂, 并联机床的自动编程, 特别是自动补偿的难度和工作量都是比较重要和困难的工作。
3 高速CNC控制系统
高速加工机床主轴转速、进给速度和进给加减速非常高, 因此对高速加工机床的控制系统提出了更高的要求。用于高速切削的数控装置必须具备很高的运算速度和精度。采用快速响应的伺服控制, 以满足复杂型腔的高速度加工要求。目前, 主轴电机仍然是采用矢量控制技术的变频调速交流电机, 但必须优化现有的技术, 如采用性能更好的半导体器件和处理速度更高的处理器, 以及进一步优化矢量控制技术。
在高速机床中使用的主轴数字控制系统和数字伺服驱动系统, 应具有高速响应特征。对于主轴单元控制系统, 不仅要求控制主轴电机时有很高的快速响应特性, 而且要求主轴支承系统也应该有很好的动态响应特性。采用液压或磁悬浮轴承时, 要能够根据不同的加工材料、不同的刀具材料, 以及加工过程的动态变化自动调整相关参数, 加工精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的检测组件。
4 高性能的刀具系统
对于高速旋转类刀具来说, 刀具结构的安全性和动平衡精度是至关重要的。当主轴转速超过10 000r/m i n时, 一方面由于离心力的作用, 使主轴传统的7:24锥度产生扩张, 刀具的定位精度和连接刚性下降, 甚至发生连接部的咬合现象。另一方面常用的刀片夹紧机构的可靠性下降, 刀具整体不平衡量的影响加强。为了满足高速机床的加工要求, 德国开发出HSK连接方式、对刀具进行高等级平衡以及主轴自动平衡的系统技术。HSK连接方式能够保证在高旋转的情况下具有很高的接触刚度, 夹紧可靠且重复定位精度高。主轴自动平衡系统能把由刀具残余不平衡和配合误差引起的振动降低90%以上。
目前, 用于高速加工的刀具材料主要包括金刚石 (PCD) 、立方氮化硼 (PCBN) 、陶瓷刀具、TiC (N) 基硬质合金 (金属陶瓷) 、硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等, 它们各有特点, 适于加工的工件材料范围也不同。PCD刀具包括金刚石复合刀片和金刚石涂层刀具, 主要用于有色金属和非金属的超高速加工, 但由于价格昂贵又不能加工钢、铁等黑色金属致使其高速加工的应用受到很大的限制。立方氮化硼 (PCBN) 刀具可分为整体PCBN刀片、单面PCBN复合刀片和单刃PCBN复合刀片, 根据PCBN含量及粘结剂的不同, 可用于铸铁、淬硬钢、热喷涂材料、硬质合金以及某些高温合金的高速加工, 并可实现“以车代磨”、“以铣代抛”的高速干切削和硬切削, 是目前比较理想的高速切削刀具材料, 但PCBN刀具不适于加工铁素体材料, 成本也很高。陶瓷刀具主要有Al2O3基、Si3N4基以及Sialon三大类, 具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定性, 也是一种比较理想的高速硬切削刀具材料, 但其强度、韧性及抗热振性较差, 在高速加工中容易发生破损。针对陶瓷刀具的缺点, 目前国内外学者主要通过向陶瓷刀具材料基体中添加ZrO2、TiC、Ti (C, N) 、TiB2、SiC颗粒、SiC晶须等增韧补强相, 采用相变增韧、颗粒弥散增韧、晶须增韧以及几种增韧机制的协同增韧等方式来提高刀具材料的性能。TiC (N) 基硬质合金 (金属陶瓷) 刀具目前主要用于普通钢的高速切削加工, 但由于其硬度和耐磨性低于陶瓷刀具, 而不适于淬硬钢的高速加工。硬质合金涂层刀具的涂层工艺主要有物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD) , 涂层结构有单涂层、多涂层、纳米涂层以及梯度涂层等, 涂层材料主要包括Al2O3、Ti C、TiN、Ti (C, N) 、TiAlN等。由于硬质合金基体、涂层工艺、涂层结构、沉积温度等不同, 涂层刀具在实际生产的应用最为广泛, 几乎涵盖了所有金属材料。超细晶粒硬质合金刀具由于晶粒细化, 可大大提高刀具材料的强度和综合力学性能, 目前主要用做整体式刀具 (立铣刀、钻头) , 可以2 000 m/min以上的速度加工航空铝合金。但由于硬质合金涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具较低的耐热性、耐磨性以及硬度, 在加工广泛应用于化工、冶金、武器装备、航空发动机等领域的不锈钢、高强合金钢、镍基合金等难加工材料时, 加工效率及刀具寿命普遍较低。
5 机床支撑技术
机床支撑技术主要指机床支撑构件的设计及制造技术。高速机床设计的关键是如何在降低运动部件惯量的同时, 保持基础支撑部件的高静刚度、动刚度和热刚度。通过计算机辅助设计, 特别是应用有限元分析及优化设计理论, 能获得质量轻、刚度高的机床床身、立柱和工作台结构。
对精密高速机床, 国内外都有采用聚合物混凝土来制造床身和立柱的, 也有将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成, 还有采用钢板焊接件, 并将阻尼材料填充其内腔以提高抗振性, 均取得了很好的效果。
6 辅助单元技术
辅助单元技术包括快速工件装夹、安全装置、高效冷却润滑液过滤、切屑处理和工件清洁等技术。
7 高速切削加工理论
高速切削加工过程的热-力耦合不均匀强应力场中的能量转换机制、切削变形规律;切削加工过程中的力学与传热学行为, 热-力耦合不均匀强场模型;刀具与工件之间的摩擦学行为, 及其与刀具磨损、破损规律和刀具寿命之间的关系;加工表面质量的形成机理、加工精度及其与切削条件之间的关系;“机床-刀具-工件-夹具”高速切削系统的动力学特性与稳定性及其对加工变形以及直接影响刀具寿命和加工表面质量影响规律。
8 高速切削的应用
(1) 大批量生产领域
这一领域的代表是汽车工业。美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心, 其主轴功率达65 kW, 主轴转速为15 000r/min, 进给速度达76.2 m/min。进给系统中采用了永磁式直线电机, 使进给加速度达到1.5 g。
(2) 薄壁零件加工领域
在航空航天工业产品及其他产品中, 为了最大限度地减轻质量、增加可靠性, 常采用整体薄壁的构件。但这些零部件的刚度极差, 不允许采用较大的切削深度。为了提高生产率、降低生产成本、缩短制造周期, 其主要途径是采用高速切削。
(3) 难加工材料领域
工件材料的特性对加工方法的选择有重要的影响, 一些难加工的材料如镍基合金、钛合金和纤维增强塑料等, 在高速切削条件下变得易于切削, 不仅如此, 刀具的耐用度和工件表面质量都得到提高。
(4) 超精密微细加工领域
高速切削技术 篇2
1 高速切削的特点
高速切削加工技术与常规切削相比, 高速切削加工技术具有这些特点:
(1) 高速切削速度得到很大程度的提高, 在保持切削厚度不变条件下, 与之相应的进给速度可以提高5~10倍;切削速度和进给速度的大幅提高使材料切除率大大增加;空行程时间随着快速空行程速度的大幅提高而大大缩短, 机床的生产率获得了大幅提高。
(2) 在切削速度较低的情况下, 切削力随转速的增加而升高, 但达到某一临界速度值后, 随着转速继续增大, 切向切削分力反而下降, 不同刀具材料与工件材料在不同切削条件下有不同的临界切削速度。高速切削加工对于刚性差的薄壁细肋件的高速精密加工特别适合。
(3) 高速切削时, 单位时间内的材料去除率高, 切屑在极短时间内被切除, 产生的绝大部分切削热在短时间内来不及传给工件, 随着切屑被快速带走, 工件温度并不高, 工件热变形减少, 可避免热应力、热裂纹等表面缺陷, 这对于容易热变形零件的加工非常适合。
(4) 高速切削时, 机床主轴转速很高, 机床的激振频率远高于机床的固有频率, 因而工艺系统振动较小, 工作平稳, 提高了加工质量, 适合精密零件加工。
(5) 高速切削适合于难加工材料的加工。在常规切削时, 难加工材料的切削加工切削力大、切削温度高、加工硬化倾向大、刀具磨损严重, 不仅切削效率低, 而且刀具寿命短。高速切削加工其切削速度可提高到100~1000m/min, 能够在一定程度上改善难加工材料的切削加工性, 提高工件加工表面质量。
2 高速切削刀具技术
实现高速切削加工的关键技术之一是刀具技术, 如果刀具不合适, 甚至会致使复杂、昂贵的加工系统或机床完全失去作用。高速切削的切削速度快, 但是刀具限制了高速加工的线速度。目前, 在机床所能达到的高速范围内, 刀具的磨损随着速度提高而加快。因此, 高速切削要求刀具材料具有更高的性能, 除了普通刀具材料的一些基本性能必须具备之外, 高速切削刀具特别还应具备良好的高温力学性能、高的耐热性、抗热冲击性及高的可靠性。
2.1 高速切削刀具材料
高速切削加工主要要求材料具有以下一些性能:良好的高温化学性能、热物理性能、抗涂层破裂性、化学稳定性、抗热振性和抗粘接性。必须按加工特性和被加工工件材质选择高速切削加工刀具材料, 并与合理的切削条件相配合, 才能充分发挥切削性能。陶瓷、金属陶瓷及立方氮化硼刀具适合于钢、铸铁等黑色金属的切削加工, 切削加工铝、镁等有色金属时, 宜选用PCD和CVD等刀具材料。而未来高速切削的目标是:铣削铝合金的切削速度为10, 000m/min, 铸铁为5, 000m/min, 普通钢材为2, 500m/min, 而钻削铝合金、铸铁、普通钢的速度为30, 000m/in、20, 000m/min和10, 000m/min。在未来高速和超高速加工中, Ti C (N) 基硬质合金刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、超硬刀具材料 (如PCD、PCBN) 等刀具材料将发挥重要作用。
2.2 高速切削条件下旋转刀具的刀柄系统
高速切削时, 高速旋转刀具的刀体结构和可转位刀片的夹紧机构受到的离心力很大。在很大离心力的作用下, 要保持刀具的夹持力足够大。设计刀具的结构时, 要充分考虑到高速加工条件下的一些特殊因素。常规切削加工中, 数控机床普遍使用BT40 (7:24) 的实心长锥刀柄, 具有以下缺点:长锥刀柄与主轴的联接刚性差;安装刀具时采用ATC方式, 重复定位精度较低;主轴高速回转时, 在离心力作用下, 主轴前端会发生膨胀, 使主轴与刀柄锥面容易脱离, 安全性差。为了为解决传统刀柄仅仅依靠锥面定位导致的不利影响, 一些科研机构和刀具制造商研究开发了一种新型连接方式, 即两面约束过定位夹持系统, 它能使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位。该系统的接触刚度和重复定位精度都很高, 并且夹紧可靠。从高速切削加工的速度日趋提高的发展趋势来看, 发展前景更为广阔的是锥度为1:10的短锥刀柄。目前, 两面约束的短锥刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等几种, 其中HSK结构已列入国际标准。
2.3 高速切削刀具监测技术
高速切削加工时, 刀具的监测对于安全性十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测机床功率以间接获得刀具磨损信息;通过监测切削力以控制刀具磨损;监测刀具断裂 (破损) 等。目前国内外对高速切削刀具监测技术的研究及开发应用还不够充分。由于声发射信号对刀具载荷比较敏感, 因此Myeony Chang Kang等利用声发射对高速切削中的刀具状况和刀具磨损进行监测, 并取得了较好的效果。
3 结语
高速切削加工技术因其具有高效、高精度、工序简化等优点, 广泛应用于汽车、航空航天、模具等行业, 大幅度地提高机械加工效率和加工质量。随着先进制造技术及材料技术和纳米技术的发展, 新的功能材料、陶瓷刀具、超硬刀具、涂层刀具等将得到广泛应用, 高速切削刀具系统的日趋完善, 将推动高速数控切削加工的发展。
摘要：高速数控切削加工已成为机械制造的主流发展方向。阐述了高速切削加工技术的概念、特点, 研究适合于高速切削的刀具材料、刀具结构、刀具监控技术。
关键词：高速切削,数控,刀具
参考文献
[1]刘虹, 周玉蓉.高速切削技术在数控加工中的应用[J].制造业自动化, 2011 (2)
高速切削技术及其应用分析 篇3
关键词：高速切削；切削技术应用；应用分析；刀具材料
中图分类号：TG506
文献标识码：A
文章编号：1009-2374(2009)04-0086-02
高速切削加工技术是一种用比常规切削高得多的切削速度进行切削加工的高效新技术，通常将切削速度和进给速度达到常规机床5～10倍的切削加工称之为高速切削。也有将主轴转速达到10000r／min，快速进给速度40m／min以上，平均工作进给速度10m／min以上，最大工进速度30m／min以上，进给加速度0.3g以上的切削加工定义为高速切削。根据Salomon的高速切削理论，高速切削应为切削温度不再随切削速度的提高而上升，且以高切削速度、高切削精度、高进给速度与加速度为主要特征的切削加工。
一、高速切削的发展
高速切削的起源可追溯到20世纪20年代末期。德国的切削物理学家萨洛蒙博士于1929年进行了超高速切削模拟试验。1931年4月发表了著名的超高速切削理论。萨洛蒙指出：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，切削速度进一步提高，超过这个速度范围后切削温度反而降低。同时，切削力也会大幅度下降。1984年德国国家研究技术部组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所为首，包括41家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机床刀具、控制系统以及相关的工艺技术，对各种工件材料的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了好的经济效益。
日本于20世纪60年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现在超高速切削时，工件基本保持冷态，其切要比常规切热得多。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。进入20世纪90年代以来，以松浦、牧野、马扎克和新泻铁等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床。日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者。
二、高速切削机床
高速切削机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主轴，具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统，又是高速机床的关键所在。分述如下：
1．高速主轴。近年来，高速主轴技术得到了迅猛发展，电主轴和高速精密轴承的应用大大提高了主轴转速。
电主轴是为适应高速切削而研制的新颖功能部件。具有结构紧凑、重量轻、惯性小、响应快、振动小、噪声低等特点，因此可置于加工中心刀库中作为可更换刀具的主轴。现已有专业化生产厂，可按系列提供产品，最高转速已达180000r／min。
高速精密轴承是支撑主轴高速化的关键零部件，分为接触式轴承与非接触式轴承两大类。在高速接触式轴承中，最常用的润滑方案有两种。一种是将极少量的润滑油与大量的洁净空气分两路输出至轴承，油液用于润滑，空气用于冷却。另一种是在轴承处直接喷射经过冷却的高压润滑油；非接触式轴承有空气轴承，液体动、静压轴承，磁悬浮轴承等。其摩擦仅与流体自身的摩擦系数有关，因而比接触式轴承有高得多的最高允许转速。
2．直线电机进给驱动系统。要满足高速切削加工轴向直线进给的高速度和高加速度，只有采用直线电机驱动系统。直线电机驱动系统可直接驱动机床工作台，消除了中间传动环节，提高了驱动系统的进给速度、加速度、刚度和定位精度。
满足高速机床进给驱动要求的交流直线电机，按励磁方式分为永磁式直线电机和感应式直线电机两种。美国In-gersoll公司在HVM8加工中心的轴向进给系统中首先采用了永磁式直线电机，使进给速度达到76.2m/min，进给加速度达到1.5g。北美GE Fanuc Automation与其他公司联合开发的高速机床采用了直线电机进给驱动系统、全数字CNC控制系统和高分辨率反馈装置。其进给加速度达到1.5g，当进给速度为3g.1～76.2m／min时，其轮廓形状尺寸精度达到3～5μm。
三、高速切削刀具材料
高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，抗冲击，耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石等。
涂层硬质合金刀具因涂层的不同而具有切削多种材料的能力。如日本黛杰公司开发的JC110涂层刀具。切削碳钢的速度可达360m／min。而金刚石涂层刀具切削铝合金时，在进给速度为3m／min时，其最高切削速度可达2500m／min。
陶瓷刀具的强度、断裂韧性、搞冲击能力等都有很大的提高，且由于其优异的化学稳定性、热稳定性和良好的耐磨损等特性，能以比硬质合金更高的切削速度进行切削加工。立方氮化硼是高速切削淬硬钢、冷硬铸铁、钛合金等材料的最理想的刀具材料。聚晶金刚石刀具则是高速切削铝合金、镁合金、硅合金等有色金属和非金属等材料时的理想刀具材料。
四、高速切削的应用
高速切削是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。在航空、模具和汽车等行业中广泛应用。
高速切削的应用领域首先在航空工业轻合金的加工。飞机制造业是最早采用高速切削的行业。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大，这正是高速切削的用武之地。
模具制造业也是高速切削应用的重要领域。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小，浅腔大曲率半径的模具完全可用高速切削来代替电加工；对深腔小曲率的半径的模具，可用高速切削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高，周期缩短。
汽车工业是高速切削的又一应用领域。汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司，凡技术变化较快的汽车零件，如气缸盖的气门数目及参数经常变化，现一律用高速加工中心来加工。
五、结语
高速切削技术的特点 篇4
高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大的关系。一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍，铝合金1 500～5 500m/min;铜合金900～5 000m/min;钛合金100～1 000m/min;铸铁750～4 500m/min;钢600～800m/min。各种材料的高速切削进给速度范围为2～25m/min。
高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：
1.可提高生产效率
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。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。
2.降低了切削力
由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，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。
3.提高了加工质量
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，
由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅;转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生;因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。
4.加工能耗低，节省制造资源
由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。
5.简化了加工工艺流程
常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。
高速切削技术在数控加工中的应用 篇5
高速切削技术是指采用超硬材料的刀具,在保证加工质量和加工精度的前提下,用自动化高速切削设备,高效、高速切除材料的加工技术。高速切削加工相对于小进给、低转速、大扭矩的传统切削加工,具有高进给、高转速、小切削负荷的特点。随着高速、超高速切削机理、大功率高速主轴单元、高加/减速直线进给电动机、高速主轴轴承、超硬耐磨长寿命刀具材料和高性能的控制系统等一系列技术领域中的关键技术初步得到解决,已使得高速、超高速加工从理论研究进入到具体实施的阶段。
1 高速切削技术的特点
1.1 生产效率显著提高
由于主轴转速和进给的高速化,使单位时间内工件材料的切出率提高3~5倍,加工时间减少了50%,加工效率提高,从而缩短了产品的制造周期,提高了产品的市场竞争力。特别适合汽车、飞机、模具等的制造。
1.2 加工变形减小
由于切削力可减少30%以上,工件的加工变形减小,切削热还来不及传给工件,因而工件基本保持冷态,热变形小,有利于加工精度的提高。特别适合于加工细长易热变的工件。
1.3 改善表面粗糙度
在保证生产效率的同时,可采用较小的进给量,从而减小了加工表面的粗糙度值。又由于切削力的降低,转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,而工件的表面粗糙度对低阶频率最为敏感,由此降低了表面粗糙度值。高速切削加工获得的表面质量可达磨削水平,因此可省去铣削后的精加工工序。
1.4 提高精度,减少工夹具成本
高速切削可加工淬硬零件(可达HRC60),在一次装夹过程中可完成粗、半精及精加工工序,对复杂型面可直接加工达到零件的表面质量要求,这样,就可省略常规加工的电加工、手工修磨等工序,缩短了工艺路线,加工能耗低,节省制造资源。
2 高速切削的关键技术
高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高,它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。
2.1 高速切削机床
高速机床是实现高速加工的前提和基本条件,高速切削要求机床具有高主轴转速、高动态的进给驱动,大的功率,主轴和床身良好的刚性,优良的吸振特性和隔热性能,快速可靠的CNC控制性能,可靠的安全防护等。
2.1.1 高速主轴
高速主轴是高速切削机床的核心部件,在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。目前高速切削机床的主轴主要是电主轴,其主要特征是采用内装变频电动机的主轴部件,把电机转子与主轴连成一体,无需任何机械连接,改变供电频率,就可改变主轴转速,改变输入电流的相序,可改变主轴的旋向。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。同时使用精密陶瓷轴承、油气润滑、内部循环冷却的密封结构。
2.1.2 高速进给系统
为了实现高速切削加工,机床不但要有高速主轴,还要有高速的进给系统,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。高速进给系统除要求进给速度要高,还必须有很大的进给加/减速度,这是由于大多数高速机床加工零件的工作行程范围只有几十到几百mm,在这样短的行程中要提供极大的加/减速度来保证在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停,以实现平稳切削。
进给速度及进给加/减速度的提高,一种方法是采用中空甚至带有冷却的大导程滚珠丝杠副,从而使进给速度达到40~90m/min,进给加/减速度达到1-2g左右;另一种是采用直线电机技术来替代目前机床中常用的滚珠丝杠技术,将直线电动机所产生的力直接作用于移动部件,使机床的进给传动链的长度缩为零,以减少传动系统的惯性矩,提高系统的运动速度、加速度和精度,避免振动的产生,使进给速度达到150~200m/min,加速度达到2~10g。
2.1.3 高性能的CNC控制系统
为了在高速加工复杂零件时获得高精度,对CNC系统的要求主要是处理速度快、控制精度高。一是采用前馈控制,适当控制进给率和采用恰当的加减速曲线以减少加减速滞后所产生的误差,提高加工精度;二是采用加/减预插补,使机床具有很高的运算速度及数据存贮与传输的能力。三是采用开放的人机界面、开放的数控内核和控制逻辑,用户和机床生产厂可以二次开发自己的人机界面,设计高可靠性、高效的控制逻辑及补偿控制软件;四是采用多轴联动控制和足够高的分辨率的CNC控制系统。
2.1.4 高稳定性的机床支撑部件
高速切削加工机床在高速切削状态下,一方面,产生的切削力作用在床体上;另一方面,因速度很高,还会产生较大的附加惯性力作用在床体上。因而机床床尤其对动态特性有很高的要求。一些机床公司的研发部门在设计过程中,还采用模态分析和有限元结构计算,优化了结构,使机床支撑部件更加稳定可靠。如瑞士米克朗公司开发的5轴联动HSMU系列高速加工机床,采用了新型的人造大理石材料做床身,形成整体的封闭O形结构,使机床具有良好的吸振性和刚性。
2.1.5 高效的机床安全防护技术
高速切削机床普遍采用高强度透明材料制成的观察窗、全封闭式安全门罩等非常完备的安全保障措施,来保证机床操作者及机床现场人员的安全,避免机床、刀具等有关设施受到损伤。同时应用高速加工检测技术,对高速机床与系统状态进行实时主动的在线监测和控制,以识别可能引起重大事故的工况、避免机床、刀具及有关设施的损伤。
2.2 高速切削刀具
刀具技术是实现高速切削的重要保证。高速切削刀具是实现高速加工技术的关键,正确选择刀具材料和设计刀具系统对于提高加工质量、延长刀具寿命和降低加工成本都起着重要作用。
2.2.1 高速切削刀具材料
由于高速切削的切削速度快,而高速加工线速度主要受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前常用的高速切削的刀具材料主要有:陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、涂层刀具、立方氯化硼(CBN)刀具及聚晶金刚石(PCD)刀具、性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。
2.2.2 高速切削刀具系统
由于高速切削时,主轴、刀具、刀柄在高速旋转情况下,较小的偏心会产生较大的离心力,因此,高速加工刀具与机床的连接一般采用锥面和主轴端面同时接触的HSK空心刀柄,以确保高速旋转刀具的安全性和轴向加工精度。高速旋转时,刀具的不平衡会造成主轴系统产生一个附加的径向载荷,其大小与转速的平方成正比。因此,高速切削的刀具在使用前必须经过精密动平
第33卷第2期2011-2(上)【111】
衡测试,以免工作时发生振动。
2.3 高速切削工艺
高速切削工艺是进行高速切削加工的关键,常规切削的高效率来自低转速、缓进给、大切深、单行程;而高速切削则是高转速、快进给、中切深、多行程的加工工艺。因此,高速切削工艺和常规切削工艺相比较有很大不同。
2.3.1 高速切削加工的走刀方式
对于带有敞口型腔的区域,应尽量从材料的外面走刀,以实时分析材料的切削状况。对于没有型腔的封闭区域,宜采用螺旋进刀方式,在局部区域进行切入。高速切削加工中,由于机床加速的局限性,容易造成时间的浪费,急停或急动则会破坏表面精度,且有可能因为过切而产生拉刀或在外拐角处咬边。所以应尽量减少刀具的急速换向,选择单一路径切削模式进行顺铣,不中断切削过程和刀具路径,尽量减少刀具的切入切出次数,以获得相对稳定的切削过程。
2.3.2 专门的CAD/CAM编程策略
CAD/CAM编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷,把进结速率变化降到最低,使程序处理速度最大化。主要方法有:一是尽可能减少程序块,以提高程序处理的速度;二是在程序段中加人一些圆弧过渡段,以尽可能减少速度的急剧变化;三是粗加工不是进行简单的去除材料,而是注意保证本工序和后续工序加工余量均匀,以尽可能减少铣削负荷的变化;四是宜多采用分层顺铣方式;并且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;五是应充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。
3 高速切削技术应用
3.1 在航空工业的中的应用
飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本,将原来由多个铆接或焊接而成的部件,改用整体实心材料制造,即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件,其金属切除量相当大。采用高速切削加工技术,加工时间可缩短到原来的几分之一。
3.2 在模具加工中的应用
模具型腔加工过去一直为电加工所垄断,但其加工效率低。而高速加工切削力小,可铣淬硬60HRC的模具钢,加工表面粗糙度值又很小,浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电加工;对深腔小曲率的,可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工,电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高,周期缩短。
3.3 在汽车工业加工中的应用
汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机床加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司,凡技术变化较快的汽车零件,如:气缸盖的气门数目及参数经常变化,现一律用高速加工中心来加工。
3.4 Ni基高温合金
Ni基高温合金和Ti合金常用来制造发动机零件,因它们很难加工,一般采用很低的切削速度。如采用高速加工,则可大幅度提高生产效率、减小刀具磨损、提高零件的表面质量。
3.5 扩展应用领域
硬切削,常规切削加工不能加工淬火后的材料,而高速切削可以加工淬硬工件,使复杂曲面零件可以通过高速铣削一次装夹完成从粗加工到精加工的等全部工序,甚至能省略电加工和手工抛光工序,大大缩短制造周期。干式切削也是高速切削扩展的领域,高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法,是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺,它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响。此外,高速切削加工也可用于快速成形、光学精密零件和仪器仪表的加工。
4 结束语
高速切削技术是世界范围内倍受关注的前沿技术,它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。高速加工是一个系统工程,他要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革,但由于其具有传统加工无可比拟的优势,将是今后数控加工技术必然的发展方向。
摘要：高速切削加工是数控加工发展的一个重要方向,本文阐述了高速切削加工的特点、分析了高速切削加工的关键技术(包括机床、刀具、工艺),介绍了高速切削加工的应用领域。
关键词：高速切削,关键技术,数控加工
参考文献
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[3]周华,等.高速切削机床的关键技术及其应用[J].现代制造工程,2008,(8):124-127.
高速切削技术 篇6
GCr15轴承钢属于高硬度、高强度、耐磨难加工材料。这类工件经淬火或低温去应力退火后硬度高达HRC50-65, 广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件如轴承和齿轮等。淬硬钢的精加工通常采用传统的磨削方法加工, 随着新型刀具材料聚晶立方氮化硼PCBN的出现, 采用超硬材料PCBN刀具实现以车代磨的方法完成零件的精加工, 已成为一个新的加工途径[1]。
在切削过程中, 切削力直接决定着切削热的产生, 并影响刀具使用寿命、加工精度和已加工表面质量[2]。由于PCBN刀具的刃口具有负倒棱或钝圆的结构, 因此, 刀具挤压切削层金属时的挤压方式不同, 而造成切削规律有较大差异[3]。
2 切削试验
2.1 试验方法及条件
PCBN刀片CB7015刀片主要是针对淬硬钢零件加工时的高质量表面以及高生产率加工而开发的。表面带有涂层, 在连续和轻微断续条件下精加工, 可以用于高速切削。7015WH刀片切削刃是“T”型刀, 即负前角韧带;CB7015刀片属于“S”型切削刃, 即负前角韧带和ER钝化处理。其几何参数如表1所示, 工件材料为GCr15轴承钢, 通过热处理得到硬度HRC62-64的试验用料。在干式切削条件下, 通过系统改变切削用量 (切削速度、进给量和切削深度) 进行切削力的试验研究, 切削用量取切削速度Vc在160-225m/min, 切削深度ap在0.05-0.15mm, 进给量f在0.05-0.1mm/r, 通过单因素实验法, 研究高速切削状态下切削力的变化规律。
机床为CA6140, 配有变频调速装置, 用转速表进行切削速度的检测。采用应变式测力仪测量切削力。
2.2 切削力的特征
在硬态切削过程中, 切削力是衡量整个工艺系统稳定性和切削加工精度的主要因素。由于PCBN刀具材料脆性大, 因此使用前一般都要进行钝化 (R200-400-μm) 和倒棱处理[5]。在切削过程中, 由于切削深度和进给量均很小, 钝圆和负倒棱实际上成为刀具主要参与切削的部分。由PCBN刀具切削GCr15淬硬轴承钢时的切削力测量结果可知, 当v=200m/min, f=0.15mm/r, ap分别取0.05, 0.08, 0.1mm时, 随着切削深度的增加切削力明显增大, 当v=200m/min, ap=0.1mm, f分别取0.05, 0.1, 0.15时, 随着进给量的增加, 切削力明显增大。当ap=0.1, f=0.15, v分别取160, 200, 225m/min时, 随着切削速度的增加, 切削力有减小的趋势, 但T型刃切削力变化不很明显。
2.3 已加工表面质量
加工后的工件用便携式表面粗糙度测量仪TR240可检测工件的表面质量, 在相同切削用量下 (Vc=225m/min, ap=0.1mm, f=0.15mm) , 用CB7015WH刀片加工的工件1和CB7015刀片加工的工件2表面粗糙度如图1所示。测量结果表明:用倒棱刀具可获得比钝圆刀具更好的加工表面质量, 其加工精度可达到磨削的要求。这是因为负倒棱切削刀刃口锋利加上刀片涂层, 可增强PCBN刀具的耐磨性并保持较低的摩擦系数, 可有效降低切削力, 适于进行高速切削, 在微量进给和切深条件下, 可获得较好的加工表面质量。S型切削刃由于刃口经过钝化处理, 使切削过程中的犁耕作用比较明显, 切削变形加大影响加工表面质量。
3 硬态切削力的有限元建模
3.1 有限元模型的建立和边界条件
将高速硬切削过程简化为直角自由切削, 采用平面应变单元, 工件材料为GCr15, 并把工件材料看作弹塑性材料, 在模型中假定其为具有一定厚度的长方形。在仿真模型中假定其为刚体, 切削时不产生变形, 内部材料不参与计算, 整个模拟采用二维平面应变分析。
3.2 仿真切削力的特征
通过有限元软件Deform仿真试验参数下T型和S型切削刃的切削力, 其仿真如下:随着在切削速度Vc的增加切削力减小;切削深度ap和进给量f增加都会使切削力增加。与试验结果高速状态下切削力的变化趋势相同。
3.3 仿真应力分布
如图2所示, 在切削厚度都是0.05mm, 切削速度200m/min的切削条件下, 钝圆刀具比倒棱刀具对切削区的应力略大, 但是对切削区域的影响较大, 因此钝圆刀具比倒棱刀具的切削力要大。
4 结论
4.1 在高速硬切削过程中, 使用倒棱结构的切削力小于倒棱加钝圆, 切削力随着进给量和切削深度增加而增加, 随着切削速度的增加而呈减小的趋势。
4.2 高速硬切削试验结果表明倒棱可获得比倒棱加钝圆刀片更好的加工表面质量。
4.3 相同切削条件下, 在允许的误差范围内, 仿真结果与试验值具有较好的一致性。
4.4 仿真刀具与屑接触的最大有效应力倒棱加钝圆结构略高于倒棱结构的切削刃
参考文献
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高速切削技术 篇7
传统的齿轮加工中,通常使用切削液来冷却刀具和工件,减少磨损,将切屑从机床上冲走,因而需要配置油箱及油路系统,以及防护油变质、废油处理、工件清洗以及切屑的除油处理等费用。按照环保观点,切削油中要限制使用硫化物,禁止含有氯化物和异味,否则对生态环境及操作者的健康特别有害。从生态学和技术经济角度出发,废除切削液是大势所趋。因此,干式加工是金属切削加工的发展趋势之一。
目前,在工业发达国家,非常重视干式切削的研究与工程应用。为了贯彻环境保护政策,更是大力研究、开发和实施这种绿色制造方法。对于美国、日本、德国等环保法规严格、人工费用水平高的发达国家而言,采用干式切削的总成本是传统切削工艺的70%左右。据美国企业的统计,在集中冷却加工系统中,切削液占总成本的14%~16%,而刀具成本只占2%~4%。据测算,如果20%的切削加工采用干式加工,总的制造成本可降低1.6%。干切技术的优势还表现在零件表面质量的提高和几何精度的改善,这有助于产品性能的提升;国外资料表明,干切工艺的工件表面粗糙度值可以降低40%左右。可见,从保护环境、提高加工效率和加工精度以及减低制造成本的角度分析,在我国积极开展干式切削技术的研究与应用对于机械制造业的可持续发展具有重要的意义。
1 低温冷风切削法与高速干式切削法
使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是当前制造业面临的重大课题。为此干式切削若干关键技术已经达到实用化阶段,包括:机床总体布局设计技术、高速干式切削加工工艺技术。工业发达国家早在上世纪80年代即开始研究相关技术,但由于硬质合金材料的昂贵和刀具制造技术不过关,这项加工技术的应用一直没有突破性的进展,最近几年由于硬质合金材料的水平提高和表面涂层技术的发展,使得目前采用新一代数控加工设备生产厂多数都有干切工艺的应用,在生产效率大幅度提升、表面质量明显改善的同时,生产成本有所下降。目前,国外为了取消冷却液所开展的工作主要有两种方式:即低温冷风切削与高速干式切削。
1.1 低温冷风切削法
此切削方法是一种用-10℃~-100℃的冷风和非常微量的植物油代替冷却和润滑油剂冷却的加工方法。它由日本明治大学的横川和彦等最先提出。研究发现,在金属切削加工过程中,如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未氧化的植物油,加工点就会因高温而丧失润滑性。若给加工点提供冷风(-10℃~-100℃),就可以防止加工点的高温化,避免上述情况发生。冷风切削时切削性能大大提高。试验表明,冷风切削、磨削在性能方面比油剂切削、磨削提高了2倍以上。有、无植物油切削剂与冷风时的切削性能对比情况。可以看出,仅使用冷风切削就比使用植物的效果好,而冷风与微量植物油一起使用时,刀具的切削性能进一步加强。试验时的切削条件:工件直径:f92~f98mm,切削速度:45.1~48.0m/min,进给:0.5mm,切削刀具:刀尖半径R0.4,相当于SKH4高速钢,不重磨刀片。
1.2 高速干式切削法
此切削方法是在无冷却、润滑油剂的作用下,采用很高的切削速度进行切削加工。高速干式切削是一项综合技术,必须从刀具、机床和工件等各方面采取一系列合理、有效的措施,才能得以顺利实施。
干式切削必须选用适当的切削条件。首先,采用很高的切削速度,尽量缩短刀具与工件间的接触时间,再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑,以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用,机床刚性和动态性能不断提高,提高机床的切削速度并非难事。实践证明,当切削参数设置正确时,切削产生的热量80%可被切屑带走。高速干式切削法对刀具有严格的要求:1)切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小(最有效的方法是刀具表面涂层),并辅以排屑良好的刀具结构,减少热量堆积;2)刀具应具有优异的耐高温性能,可在无切削液条件下工作。新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等切削材料是干式切削刀具的首选材料;3)干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。
2 高速干式切削法在齿轮加工中的应用
齿轮是工程机械、摩托车、汽车等行业重要的基础传动元件。随着我国汽车行业上批量及上档次升级,对齿轮的需求量越来越多,因而齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产提出了更高的要求。二十一世纪的制造生产将日益走向全球化,国际制成品市场的竞争将愈加激烈,由此要求制造企业必须对市场现有需求和潜在需求做出快速响应,具备性能优良、价格低廉的产品和交货迅速的制造能力。这必将使制造加工技术朝着快速、低消耗和优质、高精度的方向发展。
近年来,在高速切削机理研究方面,成就比较突出的是美国洛克希德导弹和空间公司的科学家罗伯特·金(Robert I.King)和麦克唐纳(McDonald)。他们在20世纪70年代中期开始着手验证和发展沃汉(Vaughan)的研究结论,并提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理,从理论上证实了高速切削的可行性和优越性。他们的研究主要集中在切屑成型理论、金属断裂、突变滑移、绝热剪切及各种材料的切屑成型方面。早在60年代初,美国空军就开始了超高速切削机理的研究。1979年,美国国防高科技技术研究总署规划了超高速切削基础技术研究。美国福特公司的印第安那工厂,在世界上最先将干态高速滚齿成功地用于实际生产。该厂以难度较大的大螺旋角转向齿轮作为攻关对象,材料为SAE1045,硬度22Rc,采用硬质合金滚刀干滚,最终将生产时间压缩46%,生产成本降低29%,刀具寿命延长4倍,工件的几何精度和齿面粗糙度都得到了改善。
在德国,高速切削得到了国家研究技术部的高度重视,1984年拨款1160万马克组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所为首的41家单位进行联合研究,全面系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的高速加工技术,并分别对各种工件材料的高速切削性能进行了深入的研究和试验。德国在高速干式切削领域中处于领先地位,现有8%左右的企业采用干式切削,这预示着高速干式滚齿技术将是未来齿轮加工发展的一个方向。
日本也于60年代开始了超高速切削机理的研究,注意吸收各国的研究成果并将其应用到新产品的开发上,进入90年代,以松浦、牧野、马扎克等公司为代表的一些机床制造厂,已将一批高速加工机床推向市场。日本尖端技术研究会已把超高速切削列为五大现代制造技术之一。日本坚藤铁工所开发的KC250H型干式滚齿机,采用硬质合金滚刀、冷风冷却、微量润滑,进行高速滚齿,由于供给的是温度稳定的冷风,工件的热变形极小。它与传统的采用高速钢滚刀和二刃型湿式滚齿机相比,加工速度提高了3.2倍,齿轮精度也明显提高。
目前,我国对高速干式滚齿技术的研究还比较少,在这方面的研究成果也比较少,不过有关单位亦有不小进步。
高速干式齿轮加工与传统的齿轮加工相比具有显著优点:1)极高的切削速度使得大量的切削热(95%~98%)来不及传给工件就屑带走,工件表面受热变形小,适合加工容易热变形的零件。2)采用热硬性好的刀具材料,常常可以不用切削液进行干切削,减少了环境污染。3)从动力学的角度,高速干式滚齿加工过程中,随着切削速度的提高,切削力降低,而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源;转速的提高,使切削系统的工作频率远离机床低阶固有频率,而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感,因此高速干式滚齿可大大降低加工表面粗糙度。4)随着切削速度和进给速度的提高,单位时间的材料切除率大大增加,缩短了切削加工工时,提高了生产效率,降低了加工成本。5)由于采用了很高的切削速度和进给速度,允许采用较小的切削用量进行切削加工。切削力大幅度减少,切削热也随之下降,工艺系统变形减小。6)由于主轴转速很高,机床激振频率远远高于工艺系统的固有频率,工统振动很小,容易得到很好的表面质量,可作为机械加工的最终工序。同时切屑是在瞬时间被切离工件,工件表面的残余应力非常小。
3 实验数据与结果
3.1 空间和能量消耗
主要考虑三个方面:干切的加工时间是传统加工方法的25%,电机工作的时间只是原来的1/4;工作条件是高速大扭矩;干切加工过程不需要油泵、油雾收集等;
3.2 单件成本
按照17组刀盘计算,对于硬质合金刀具,在刀具的生命周期内所加工的零件总数:300×100=30000(每次刃磨可加工零件总数300件)单件成本:$32852/30000=$1.10。对于HSS刀具,在刀具的生命周期内所加工的零件总数:150×50(可以重磨50次)=7500(每次刃磨可加工零件总数1 5 0件)单件成本:$16198/7500=$2.16。可见:虽然硬质合金刀具本身比较贵,但是由于其可重磨次数增加和每次重磨后的加工零件数比较多,最终的反映在工件上的成本却是降低了;因此,对于干切来讲,若保持高效率无污染生产的同时仍有生产成本的下降。
3.3 所占面积
在优化的条件下,一台干切的加工设备可以取代4台传统的加工设备;另外因为干式切削设备可以省去油箱、铁屑传输、油雾收集和热交换装置,其占地面积可以减小到350sq.ft,而传统设备占地面积为500sq.ft。可见在同样生产纲领的条件下,只用原来18%的占地面积、25%的能量消耗和相同或更加低的刀具成本就能够完成正常的生产任务;另外还有前面提到的切削油的节省、环境的保护、降低了的对人体的伤害等等;这同时也体现在生产投资的减少方面,按照上面的测算,考虑在热前加工的切齿部分,包括设备投资、刀具消耗、电能消耗和占地面积的减少方面,实际的投资可以减少大约20%-30%左右。
3.4 加工时间
可见,采用干切工艺可使加工效率提高一倍。
通过实际在GLEASON 600HC设备上采用硬质合金刀条用端面滚切的干式加工方式对390mm汽车后桥锥齿轮进行了加工试验,小轮加工2min43s,大轮加工仅用4min20s;而用传统的加工方法湿切同样产品,小轮加工时间8.5min,大轮加工10.6min,生产效率相差一倍以上。
4 结束语
干式切削与传统切削相比,尤其对齿轮的加工,实现高速干式切削工艺过程,具有提高加工精度和表面质量,降低生产成本,提高生产效率,降低切削力并且可加工高硬材料等许多优点,创新意义在于综合优化干式切削工艺过程。将来能提供通过生产加工考核的包括专用刀具开发技术、齿坯切削性能改善技术和加工参数确定以及机床调整技术等方面的干式切削加工工艺规范。同时可以提升先进制造技术的研发水平并以实施汽车、航空、模具等制造业部分零部件的绿色制造,来推动国内机械制造业的绿色制造发展进程。
参考文献
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[7]朱从容,王魄.干式切削技术在铣削加工中的应用[J].机械工程师,2002(6):6-8.
刀具干切削技术的应用优势 篇8
随着高速机床、加工中心及加工技术迅猛发展，切削速度和切削功率急剧提高，使得单位时间内的金属切除量大量增加，机床加工过程使用切削液用量越来越大，其流量有时高达80～100L/min。但在高速切削时切削液实际上很难到达切削区，切削液很难起到冷却作用。因此，高速切削技术的发展推动了干切削技术的研究。
另外，在某些特殊的加工应用中，例如医学植入领域中为髋部植入一个球形关节，切削液可能弄脏零件或产生污染，因此，切削液在特殊的加工领域中是绝对不允许使用的。
干切削加工技术是一种在加工过程中不用或微量使用切削液的加工技术，是一种对环境污染源头进行控制的清洁环保制造工艺。它作为一种新型的绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关的装置，简化生产系统，能大幅度降低产品的生产成本，通时形成的切屑干净清洁，便于回收处理。干切削已成为目前绿色制造工艺研究的一个热点，并已经在实际加工中得到了成功应用，
干切削对刀具必须要有严格的性能要求：瑞士著名FRAISA高速刀具品牌独特的刀具形状和针对性专业涂层，特别能满足干切削对刀具性能的要求，具备以下优点：
①具有优良的热硬性和耐磨性。
干切削是的切削温度通常比湿切削时的高得多，热硬性高的刀具材料才能有效地承受切削过程的高温，保持良好的耐磨性。刀具材质的硬度为工件材料的4倍以上。
②较低的摩擦系数。
降低刀具与切屑、刀具与工件表面之间的摩擦系数，在一定程度上可替代切削液的润滑作用，抑制切削温度上升。
③较高的高温韧性。
干切削时切削力比湿切削要大，并且干切削的切削条件差，因此刀具具有较高的高温韧性。
④较高的热化学稳定性。
在干切削的高温下，刀具仍然保持较高的化学稳定性，减小高温对化学反应的催化作用，从而延长刀具寿命。
⑤具有合理的刀具结构和几何角度。
高速切削技术 篇9
高速加工 (High Speed Machining, HSM) 技术是一项先进的、具有广阔应用前景的制造工艺。高速切削作为一种先进切削加工技术, 近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势, 受到国内外越来越广泛的关注[1]。
淬硬钢 (硬度HRC55~HRC65) 是一类耐磨结构材料, 广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。淬硬钢经淬火或低温去应力退火后具有较高硬度, 通常采用磨削工艺进行半精加工和精加工, 不仅加工效率低, 而且粉尘和废液污染严重[2,3]。针对淬硬钢的高速切削过程仿真相较于实验的方法具有更好的应用性, 本文将详细探讨针对此种难加工材料的高速切削仿真。
1 34Cr Ni Mo6切削实验
本次实验采用直角自由切削, 工件材料选用外径为100mm、厚度为2.0mm的34Cr Ni Mo6材料。由于淬硬钢的加工特点, 选择CBN刀具进行实验。实验进行三组, 每组实验的切削参数如表1所示。
通过Kistler测力仪对三次试验进行测试, 得到三向的切削力结果如表2所示。
2 仿真结果同实验对比分析
2.1 主切削力的对比分析
34Cr Ni Mo6切削过程中的切削力的动态变化如图所示。由图1可以看出, 在刀具初始切入的瞬间, 切削力急剧增大, 并在极短的时间内, 切削进入了稳定阶段。稳定后的平均主切削力约为122N (在同等切削条件下, 实验切削力为127N) 。同实验中获得的切削力曲线对比发现, 仿真分析中获得的切削力曲线波动较大, 在切削力达到稳定的状态后, 仍然存在20N范围的波动, 这种现象产生的原因主要是由于工件材料的网格划分问题, 单元节点连续不断地分离。因此, 切削力总的趋势是不变的, 但因节点的不断分离而出现波动。这种波动的产生同实际的切削过程有所区别, 但是切削力的平均值与实验测量结果基本吻合, 说明此次仿真很好地反映了切削力的动态变化情况, 对工装和夹具的设计很有帮助。
2.2 切削应力分布
图2所示为工件材料上的应力分布情况, 由图可知, 在接触区内, 等效应力的最大值发生在第一变形区内, 该处的应力值达到1865MPa, 越远离第一变形区, 等效应力σ下降越激烈。从图可以看出, 刀具切削区的最大主应力分布在第二变形区内。
3 结论
车削过程中, 主切削力的三个几何分力逐渐由零到达相对平稳状态, 且相对平稳状态存在振荡现象, 这是由于软件在模拟过程中, 由于工件是通过网格的节点来传递作用力的, 而刀具在切削的过程中接触到刀具的节点是不断变化的, 这就导致了主切削力的振荡现象。
刀具的最大等效应力分别出现在前刀面主切削刃附近, 同时在后刀面靠近主切削刃的地方也出现了较大的等效应力, 这与实际切削过程基本相似。
参考文献
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高速切削技术 篇10
高速切削加工技术可以减少切削力和降低切削温度,具有高生产率,提高加工精度和表面质量,降低生产成本,并可加工高硬材料等优点,己广泛应用于汽车、船舶、模具、航空航天等行业中。
目前高速切削在加工实例和加工参数上还没有完整的依据,且由于高速切削在切屑的形态、刀具的受力情况以及刀具的失效形式等与传统的切削完全不同,在高速切削中刀具的失效形式是与加工条件和工件材料相关的,比如有刀杆折断、刀尖破碎等各种形式,并且材质不同的刀具加工不同的工件材料,产生的刀具失效效果也是不一样的,所以对高速切削来说,如何选择合适的刀具,延长刀具使用寿命,并且尽可能地发挥刀具的性能是十分重要的。
因此,本文使用ABAQUS有限元分析软件,对超高强度钢和不锈钢材料在铣削加工中的切削力进行有限元模拟和试验研究,分析切削参数对切削力的影响规律, 并总结三个方向切削力的关系,为实际加工和生产提供依据。
1切削过程有限元模拟仿真
1.1材料的本构模型
材料的本构模型表示的是材料变形过程中的动态响应,是任何有限元模型建模仿真过程的关键环节。本文使用Johnson-Cook材料模型模拟切屑形态,它适用于高速切削过程中的大应变(5~8)、高温升(>1400℃) 和高应变率(104~105/s)情况。模型使用下面的等效流动应力。
式中,为等效塑性应变为率,为应变率参量(通常为1.0/s),T0为参考温度(一般取室温),Tm为材料的熔点温度,A是初始屈服应力(MPa),B是硬化模量,C是依赖于应变率的系数(MPa),n是加工硬化指数,m是热软化系数,其中C表示应变率敏感性的参数,也称为应变率敏感系数 (MPa)。
1.2切屑分离准则
公式(1)只描述了切削加工过程的流动应力,只是涉及材料在这一过程中的塑性变形和弹性变形阶段。如果想要模拟断屑的形成,必须要有相应的断裂准则,以判断材料何时从工件本体上脱离。本文采用了JC剪切失效准则作为刀屑分离的准则,同时采用了ALE方法模拟了刀屑分离。
JC剪切失效模型是基于单元积分点的等效塑性应变。它的断裂失效准则是用等效塑性应变来衡量的。其表达式为[52]:
式中,为失效的等效塑性应变,p/q为无量纲的偏应力比值(p为压应力,q为米塞斯应力),d1~d5为材料失效参数。
JC模型的断裂失效模型中,当材料失效参数w大于1时,材料即为失效,若在所有积分点的材料都发生失效,那么该单元将从网格中删除[53]。失效参数的定义如下:
式中,为每一个增量步里等效塑性应变的增量,为失效应变值。
1.3刀具与工件材料参数
ABAQUS中材料参数赋予的准确与否将直接影响仿真结果的正确性。JC模型中的A, B, C, n和m等参数的值均是通过实验中测得的,在不考虑材料参数不完整而不使用Johnson-Cook时,通常要通过大量的材料性能实验并查阅材料手册才能得到系列的材料性能曲线,然后离散,以数据表格的形式来定义材料本构模型。
本文中使用的刀具是硬质合金材料的刀具,它的材料参数如表1所示。
由于在金属切削过程中,刀具的硬度要远大于工件的硬度,所以刀具的弹性变形可以忽略不计,从而将刀具假设为刚体。
本文仿真 的材料是 超高强度 钢 , 牌号是16Co14Ni10Cr2Mo E,其物理性能如表2所示。
线膨胀系数随温度的变化有所变化,如表3所示。
该钢的弹性模量为199GPa,切变模量为77GPa,泊松比为0.29。
1.4切削力仿真
在ABAQUS中,本文使用的是四齿的硬质合金立铣刀,螺旋角为30℃,刀具表面经过简化处理,刀具直径为Φ10mm。建立的工件尺寸为30×20×10,材料属于难加工材料,将待加工部分的网格划密。模拟切削加工的厚度是0.2mm,0.4mm,0.8mm,1mm,2mm。切削速度是500m/min。仿真过程如图1所示。
图2是轴向切深为0.5mm的三向力仿真结果,仿真过程中,由于被加工材料属于难加工材料,为了减小刀具磨损,其中主轴转速设定为400r/min,进给量为80mm/min。
将图2中的系列波峰的最大值求和取平均值作为铣削力的仿真值,其结果如表4所示。
2高速切削加工试验研究
为了验证仿真结果与试验结果是否具有一致性,本文设计并讲行了相关的单因素试验和多因素试验。试验的材料有16Co14Ni10Cr2Mo E和1Cr18Ni9Ti,使用美国HAAS-VF1立式加工中心,瓦尔特公司H4020017-10-1型号4刃立铣刀,材质为硬质合金。
本文测力系统由三向测力仪、(四通道)电荷放大器、数据采集仪、专用电缆和处理软件Vib'SYS等组成。
2.1超高强度钢单因素试验结果
试验中切削参数对切削力的影响规律,包括主轴转速n、进给量F、轴向切深Ap和径向切深Ae。试验工件厚度为10mm,将轴向铣削深度Ap均设为10mm,使用周齿切削材料全厚度,切削方式均采用顺铣。图3为铣削力随切削参数变化曲线。
2.2不锈钢单因素试验结果
本节主要研究不锈钢单因素实验中切削参数对切削力的影响规律,包括主轴转速、进给量、轴向切深和径向切深。试验工件厚度为10mm,将轴向切深设定为10mm,使用周齿切削材料全厚度,切削方式采用顺铣。试验采用的参数与超高强度钢所采用的参数完全相同。在对试验数据分析处理后,利用MATLAB做出加工不锈钢材料时各单因素与铣削力的变化曲线,如图4和图5所示。
2.3不锈钢多因素正交试验结果
单因素法可以直观地反映铣削参数对铣削力、铣削温度以及表面质量等物理量的影响。为分析主轴转速、 进给量、切削深度等对铣削力的影响,本文采用正交试验法来分析铣削力。
其结果如表5所示。
对试验结果的处理分析,用极差分析法,铣削力与水平数的对应关系如图6所示。
3铣削力的仿真结果与试验结果对比分析
3.1单因素条件下的结果对比分析
图7是对超高强度钢材料进行的仿真数据和试验数据的对比图,其中主轴转速为400r/min,径向切深为0.5mm,轴向切深为10mm,进给量为80mm/min。试验的采集频率为6006Hz。图7中铣削力的负值表示模型空间的坐标系与受力方向是相反的,图7(b)中横坐标代表的是试验采集的数据点数。
通过分析可知,仿真结果与试验结果的误差较小, 说明了建立的仿真模型是可以信服的,可以比较准确的预测铣削力的大小。
3.2多因素条件下的结果对比分析
不锈钢在多因素条件下的三向力仿真结果如表6所示。
根据表6的数据计算出每个影响因素的极差,其值如表7所示。
从表7可知,在仿真过程中,影响铣削力大小的主要因素是径向切深。这与试验过程中的结论是一致的。 所以在加工难加工材料时,尽量选择较低的径向切深和进给量。
4结束语
本文以超高强度钢和不锈钢高速切削为研究对象, 利用有限元分析软件ABAQUS对超高强度钢和不锈钢高速切削的切削力进行了比较系统而全面的研究,仿真中利用Johnson-Cook模型构建工件材料本构关系,用剪切失效准则实现切屑和工件分离,切屑和刀具的接触摩擦模型采用库仑摩擦定律,对于实际的切削过程具有指导作用,也为以后对铣削力的研究提供了可信的依据。
摘要：基于有限元软件ABAQUS和金属切削理论,以超高强度钢和不锈钢为研究对象,对铣削过程进行了模拟仿真,并通过单因素和多因素正交试验方法进行了铣削力综合试验。通过对仿真和实验结果分析比较,证明二者具有较好的一致性和变化趋势,文中介绍的有限元模拟方法可以为实际加工参数的选择提供依据和参考。
关键词：高速切削,有限元仿真,铣削力,回归分析
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