高速加工原理及特点
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高速加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术,是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题,通过高速加工的应用得到了解决。
其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工,以级数级提高,切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比,高速加工发生了本质性的飞跃,其单位功率的金属切除率提高了30%~40%, 切削力降低了30%,刀具的切削寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅度降低,低阶切削振动几乎消失。
随着切削速度的提高,单位时间毛坯材料的去除率增加,切削时间减少,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。同时,高速加工的小量快进使切削力减少,切屑的高速排除,减少了工件的切削力和热应力变形,提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。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。
在模具的高淬硬钢件(hrc45~65)的加工过程中,采用高速可以取代电加工和磨削抛光的工序,避免了电极的制造和费时的电加工时间,大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件,高速铣削可顺利完成。而且在高速铣削cnc加工中心上,模具一次装夹可完成多工步加工。这些优点在资金回转要求快、交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。
高速加工系统主要由可满足高速的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速刀具、安全可靠的高速cam软件系统等构成,因此,高速加工实质上是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步,高速加工已可以应用于加工合金钢(hrc>30),广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。例如,高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min,而这一速度在加工铝合金时为常规采用的顺铣速度。
随着高速加工的应用范围扩大,对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。而且,切削过程的计算机辅助模拟技术也出现了,这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面,研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3,而高速铣可正好用来缩短研制周期,降低加工费用。
高速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:
(一)生产效率有效提高。
高速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。
(二)至少降低30%的切削力。
由于高速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。
(三)加工质量得到提高。
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;因此高速可大大降低加工表面粗糙度,提高加工质量。
(四)降低加工能耗,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。
(五)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。
其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工,以级数级提高,切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比,高速加工发生了本质性的飞跃,其单位功率的金属切除率提高了30%~40%, 切削力降低了30%,刀具的切削寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅度降低,低阶切削振动几乎消失。
随着切削速度的提高,单位时间毛坯材料的去除率增加,切削时间减少,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。同时,高速加工的小量快进使切削力减少,切屑的高速排除,减少了工件的切削力和热应力变形,提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。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。
在模具的高淬硬钢件(hrc45~65)的加工过程中,采用高速可以取代电加工和磨削抛光的工序,避免了电极的制造和费时的电加工时间,大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件,高速铣削可顺利完成。而且在高速铣削cnc加工中心上,模具一次装夹可完成多工步加工。这些优点在资金回转要求快、交货时间紧急、产品竞争激烈的模具等行业是非常适宜的。
高速加工系统主要由可满足高速的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速刀具、安全可靠的高速cam软件系统等构成,因此,高速加工实质上是一项大的系统工程。随着切削刀具技术的进步,高速加工已可以应用于加工合金钢(hrc>30),广泛地应用于汽车和电子元件产品中的冲压模、注塑模具等零件的加工。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。例如,高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min,而这一速度在加工铝合金时为常规采用的顺铣速度。
随着高速加工的应用范围扩大,对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等也有所提高。而且,切削过程的计算机辅助模拟技术也出现了,这项技术对预测刀具温度、应力、延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模、热压模和注塑模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面,研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3,而高速铣可正好用来缩短研制周期,降低加工费用。
高速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:
(一)生产效率有效提高。
高速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。
(二)至少降低30%的切削力。
由于高速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。
(三)加工质量得到提高。
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;因此高速可大大降低加工表面粗糙度,提高加工质量。
(四)降低加工能耗,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。
(五)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。
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