證券從業(yè) 《證券交易》 全書講義 復(fù)習(xí)總結(jié)

1、第 20 卷第 7 期2 0 0 3 年 7 月機(jī)械設(shè)計(jì)JOURNAL OF MACHIN E DESIGNVol. 20 No. 7 J ul.2003高速切削技術(shù)與數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢李立斌 ,謝麗麗(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系 ,天津 300131)摘要 :具有廣闊發(fā)展空間的高速切削技術(shù)在制造領(lǐng)域中逐漸得以認(rèn)同 。數(shù)控機(jī)床發(fā)展及其功能部件革新是使高速 切削技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵 。關(guān)鍵詞 :高速切削技術(shù) ;電主軸 ;直線電機(jī) ;開放性數(shù)控系統(tǒng) ;網(wǎng)絡(luò)控制中圖分類號 : T G5 ; T G659文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1001 - 2354 (2003) 07 - 0045 - 0320

2、世紀(jì)末興起的以高切削速度 、高進(jìn)給速度和高加工精度 為主要特征的高速切削技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的重 要發(fā)展方向之一 。汽車 、航天 、航空 、船舶 、模具制造及精密微 細(xì)加工等對高速切削的高要求 ,推動著高速切削技術(shù)在現(xiàn)代制 造領(lǐng)域內(nèi)得到迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用 。1高速切削的概念高速切削的概念是德國的切削物理學(xué)家 Carl Salomn 首先 提出的 ,他在著名的切削實(shí)驗(yàn)中得出如圖 1 所示的切削速度 ( V ) 與切削溫度 ( T) 的關(guān)系圖 。從圖 1 中可以看到 ,一定的材 料對應(yīng)一個臨界切削速度 ( V C) , 其切削溫度 ( TC ) 最高 。在常 規(guī)切削范圍內(nèi) (見圖 1a 區(qū)

3、) ,切削溫度隨著切削速度的增加而 增加 ,當(dāng)實(shí)際切削速度超越臨界切削速度后 ,切削速度繼續(xù)提 高 ,切削溫度反而下降 (見圖 1c 區(qū)) 。因而得出結(jié)論 :在高速切 削區(qū) ,可以用現(xiàn)有的刀具對金屬材料進(jìn)行切削加工 。圖 1 切削速度與切削溫度關(guān)系不同的材料和不同的加工方法的高速切削速度范圍各異 。 如碳素鋼為 5002 000 m/ min ,灰鑄鐵為 6003 000 m/ min , 鋁合金為 1 0007 000 m/ min ,銅為 9005 000 m/ min ;車削 為 7007 000 m/ min ,銑削為 2007 000 m/ min ,鉆削為 100 1 000 m/

4、 min ,磨削為 5 00012 000 m/ min 。一般而言 ,高速切 削的切削速度比常規(guī)切削速度高 510 倍 ,與之相對應(yīng)的進(jìn)給 速度一般為 225 m/ min。2高速切削產(chǎn)生的高效益 收稿日期 :2002 - 10 - 06 ;修訂日期 :2003 - 02 - 02由于高速切削的速度比常規(guī)切削速度幾乎高一個數(shù)量級 , 進(jìn)給速度也高 10 倍左右 ,切削機(jī)理發(fā)生變化 ,切削力減小 ,切 削熱降低 ,工藝系統(tǒng)振動減弱 ,對切削刀具材料的要求不甚苛 刻 。因此 ,高速切削加工為現(xiàn)代制造領(lǐng)域帶來了一系列高效 益 。2. 1 高生產(chǎn)率高速切削中 ,由于切削速度和進(jìn)給速度大幅度提高 ,使

5、得 單位時間內(nèi)的材料切除率比常規(guī)切削加工高 45 倍 ; 高速切 削可實(shí)現(xiàn)高度的工序集中加工 ,如粗加工 、半精加工 、精加工甚 至精細(xì)加工 ,可以集中在一道工序中進(jìn)行而不會降低加工精 度 ,有效地減少了裝卸 、搬運(yùn)工件的輔助工時 ;刀具耐用度可提 高 70 % ;數(shù)控加工中心換刀時間和工件托盤交換時間的縮短 , 進(jìn)一步減少刀具調(diào)整和工件安裝的時間 ,從而獲得更高的生產(chǎn) 效率 。2. 2 高加工精度 高速切削加工突破了傳統(tǒng)的切削加工的理念 ,其切削機(jī)理發(fā)生很大變化 ,在減少加工誤差 ,提高加工質(zhì)量方面也顯示出 其獨(dú)特的魅力 。首先 ,切削力的降低 ,使得工藝系統(tǒng)因受力變形而引起的 加工誤差減少

6、 。在高速切削中 ,由于切削速度很高 ,使剪切變 形區(qū)域變窄 ,剪切角變大 ,變形因子減小以及切屑流出速度加 快 ,從而使切削變形減少 , 切削力比常規(guī)切削時下降 30 % 90 %。相應(yīng)地 ,作用在刀具上的力以及工件所需的夾緊力都隨 之減少 ,從而使刀具使用壽命延長 ,工件由于夾壓變形而引起 的加工誤差也隨之減少 。因而 , 高速切削特別適合于長細(xì)桿 件 、薄板和薄壁筒件等剛性差的零件加工 。其次 ,高速切削的切削熱減少 ,而且 90 %以上的熱量被高 速流出的切屑帶走 ,傳給工件的熱量很小 ,工件表面的溫升不 會超過 3 ,所以因溫度變化而導(dǎo)致的加工誤差甚微 。特別適 合加工傳動絲杠等細(xì)長

7、的 、易因熱變形引起誤差的零件 。高速切削由于速度高 、切削力小 、切削熱低 、工藝系統(tǒng)振動 減弱和刀具耐用度提高等 ,為全面提高加工質(zhì)量創(chuàng)造了有利的 條件 。一般工件的尺寸精度可以提高 12 個精度等級 ,工件作者簡介 :李立斌(1943 - ) ,男 ,安徽霍邱人 ,天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電的系表副面教質(zhì)授量,專得業(yè)到方相向應(yīng):機(jī)的電改技善術(shù),應(yīng)如用工。件表面的物理機(jī)械性能變化 46機(jī) 械 設(shè) 計(jì)第 20 卷第 7 期很小 ,粗糙度降低 ,表面殘余應(yīng)力減少等等 。由于切削速度高 , 使切削過程的激振頻率 () 遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率 (。) 即 /。 > > 1 ,系統(tǒng)處在”

8、慣性區(qū)”工作 ,振幅下降 ,甚至振動消 失 ,加工過程平穩(wěn) ,可實(shí)現(xiàn)高精度 、低粗糙度的精密加工 ,為光 電產(chǎn)品的微細(xì)加工開辟了新途徑 。3 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢高速切削技術(shù)的應(yīng)用 ,關(guān)鍵在于開發(fā)具有高速度 、高精度 、 高穩(wěn)定性的高新技術(shù)設(shè)備 ,在現(xiàn)有加工設(shè)備中 ,只有數(shù)控機(jī)床 才有可能擔(dān)當(dāng)其重任 。然而 ,要實(shí)現(xiàn)真正意義上的高速切削加 工 ,數(shù)控機(jī)床還需向高速 、高精度 、柔性化 、控制系統(tǒng)開放性 、控 制系統(tǒng)支撐軟件和工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理方向邁進(jìn) ,才能適應(yīng)現(xiàn)代 制造業(yè)飛速發(fā)展的要求 。為此必須強(qiáng)化和優(yōu)化以下幾個方面 。 3. 1 電主軸主軸是高速機(jī)床的核心部件 。高速切削機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速 要比現(xiàn)

9、有機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高一個數(shù)量級 ,即每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn) ,傳統(tǒng)的主傳動系統(tǒng)和主軸部件結(jié)構(gòu)已不適應(yīng) ,取而代之的是一種結(jié) 構(gòu)形式新穎的主軸部件 電主軸 。電主軸是將機(jī)床主軸與裝置 。它可直接推動機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu) (工作臺或刀架) 實(shí)現(xiàn)“零 傳動”進(jìn)給 。使用直線電機(jī)驅(qū)動 ,不僅大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu) ,而 且整個伺服系統(tǒng)的高速響應(yīng)性能大大提高 、反應(yīng)異常敏捷 、傳 動剛度大為改善 、速度快 、加速度大 、噪音低和無污染 。實(shí)現(xiàn)了 高精度 、高效率傳動 。當(dāng)加速度大于 1 g 時 ,只能選用直線電機(jī) 驅(qū)動 。影響直線電機(jī)廣泛使用的主要因素是 :由于直線電機(jī)運(yùn)動 軸精確定位和抗干擾能力高度依賴其驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的

10、 控制性能 ,所以穩(wěn)定性稍差 ; 另外直線電機(jī)伺服系統(tǒng)必須配備 有效的冷卻系統(tǒng) , 使用摩擦因子很小的導(dǎo)軌副 ( 如磁懸浮導(dǎo) 軌) ,使其造價過高 (約為滾珠絲杠副的 23 倍) 。3. 3 先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床主體部件結(jié)構(gòu)需具有足夠的動靜剛度 、高的熱穩(wěn)定性和良好的阻尼特性 ,這是保證高速 、高精度加工的基礎(chǔ) 。 國外生產(chǎn)的高速加工中心結(jié)構(gòu)可以借鑒 。如瑞士的米凱朗 (MIKRON) 公司生產(chǎn)的 HSM 立式加工中心 ,其床身采用人造 大理石材料 ,整體龍門式框架結(jié)構(gòu) ,并帶有噴油霧及水冷兩套 潤滑冷卻系統(tǒng) ,達(dá)到了高剛度 、高抗振性和熱穩(wěn)定性的目標(biāo) 。 它在主軸轉(zhuǎn)速為 30 000

11、 r/ min/ ( 12. 5 kW) 、進(jìn) 給速度 40 m/2電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸合二而一 ,實(shí)現(xiàn)了變頻電機(jī)與機(jī)床主軸的一體min 、加速度 17 m/ s的情況下 ,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行 ;日本安田公司生化 ,使結(jié)構(gòu)更加緊湊 。機(jī)械振動和噪音減少 ,主軸運(yùn)轉(zhuǎn)更加平 穩(wěn) 。電主軸備有自冷式油冷循環(huán)系統(tǒng) ,并采用電子傳感器控制 溫度變化 ,使主軸在高速旋轉(zhuǎn)下保持恒溫 ,溫差不超過 1. 5 。 電主軸采用性能優(yōu)異 、技術(shù)先進(jìn)的新穎主軸軸承支承和油霧潤 滑等新技術(shù) ,使主軸實(shí)現(xiàn)了免維修 、長壽命和高精度 。高速主軸的工作精度 、負(fù)載容量和壽命主要取決于主軸軸 承 。當(dāng)前高速主軸可以使用的軸承有磁懸浮軸承 、

12、混合陶瓷軸 承和液體動靜壓軸承等三種形式 。磁懸浮軸承是運(yùn)用電磁原理開發(fā)出來的無機(jī)械接觸的磁 力懸浮軸承 。這種主軸軸承允許轉(zhuǎn)速為 45 000 r/ min ,而且高 速性能好 ,精度高 、易實(shí)現(xiàn)實(shí)時診斷和在線控制 。是高速主軸 理想的先進(jìn)的支承元件 ,但其造價較高 ?；旌咸沾奢S承是用氮化硅的滾珠與鋼質(zhì)軌道制成的滾動 軸承 。這種 軸承最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 150 000 r/ min , 功率可達(dá) 80 kW 。由于它具有剛性好 、溫升低 、壽命長 、價格低 、標(biāo)準(zhǔn)化程度 高 、對機(jī)床結(jié)構(gòu)改動小和便于維修等優(yōu)點(diǎn) ,是目前高速主軸使 用最多的一種軸承 。動靜壓軸承是采用流體動壓和流體靜壓相結(jié)合的方法

13、制 造的先進(jìn)軸承 ,它用油膜將主軸軸頸支承起來 ,也是一種無機(jī) 械接觸旋轉(zhuǎn)軸承 。動靜壓軸承具有運(yùn)動精度高 、剛性好而且阻 尼特性好和壽命長等優(yōu)點(diǎn) 。但這種軸承必須根據(jù)具體機(jī)床專 門設(shè)計(jì) 、生產(chǎn) ,維護(hù)保養(yǎng)較困難 。3. 2 高速響應(yīng)的伺服單元為了與高的切削速度相匹配 ,數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度需要相 應(yīng)提高 ,同時還必須具備高的進(jìn)給加 (減) 速度 ,以確保高加工 質(zhì)量和高生產(chǎn)率 。滾珠絲杠副和直線電機(jī)是高速伺服系統(tǒng)的 主要驅(qū)動裝置 。由高速 AC 伺服電機(jī)直接驅(qū)動的滾珠絲杠副伺服單元 ,在 先進(jìn)的液壓絲杠軸承支承下 ,實(shí)現(xiàn)了高剛度 、低阻尼傳動 ,其加 (減) 速度可達(dá)到 1 g 左右 ,進(jìn)給速

14、度可達(dá)到 50 m/ min 左右 。直線電機(jī)是將電能直接轉(zhuǎn)變成直線機(jī)械運(yùn)動的一種推力產(chǎn)的 YBM950V 型立式加工中心 ,采用龍門框架式結(jié)構(gòu)的整體立柱 ,主軸電機(jī)與主軸之間采用具有吸振功能的聯(lián)軸器連接 , 起到隔熱 、隔振作用 。在機(jī)床的立柱 、橫梁及主軸的空腔中灌 注循環(huán)冷卻液 ,以減少機(jī)床各部分相對溫差 ,達(dá)到熱穩(wěn)定目的 , 同時還可吸振 。因此 ,其主軸在 20 00030 000 r/ min 高速運(yùn) 轉(zhuǎn)時 ,仍十分平穩(wěn) ,銑削平面的粗糙度 Ra 達(dá) 0. 4 m ;日本牧野 公司采用傳感器控制 ,協(xié)調(diào)機(jī)床主軸與床身 、立柱的溫升 ,以減 少系統(tǒng)的熱變形對加工精度的影響 。3. 4

15、 高速切削刀具與配套工具 高速切削的應(yīng)用必須有相應(yīng)的刀具 、刀桿和刀套等配套工具 。由于高速切削加工的切削溫度并不比常規(guī)切削時高 , 所 以 ,目前常用的刀具材料 (如硬質(zhì)合金涂層 、陶瓷 、聚晶金剛石 和立方氮化硼等) 都可用作高速切削刀具 。刀具的幾何角度略 有變化 ,如高速切削比常規(guī)切削的刀具前角約小 10°,后角約大 5°8°。而切削不同材料時的前后角增減規(guī)律與常規(guī)切削的規(guī) 律相同 。但是 ,高速切削所用刀桿 、刀套的制造和裝配要求更加精 細(xì) ?？招亩体F刀柄 (減少質(zhì)量) ,采用短錐和端面與主軸同時接 觸 ,實(shí)現(xiàn)過定位安裝 ,以提高定位精度和接觸剛度 ,最

16、大限度 地減少質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心的偏移 ,以控制和減小高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn) 生的離心力對加工精度的影響 。4 數(shù)控系統(tǒng)的新進(jìn)展4. 1 高速 、高性能的 CNC 系統(tǒng)高速切削的 CNC 控制系統(tǒng)采用了多個 32 位甚至 64 位 CPU ,配置功能強(qiáng)大的后置處理軟件 ,以保證高的運(yùn)算速度和 精度 。如幾何插補(bǔ) 、前饋控制 、鐘形加減速 、精確矢量補(bǔ)償和最 佳拐角減速度控制等功能 。同時 ,伺服系統(tǒng)向數(shù)字化 、智能化 和軟件化發(fā)展 ,使伺服系統(tǒng)與 CNC 在 A/ D - D/ A 轉(zhuǎn)換中不會 出現(xiàn)丟失或延遲現(xiàn)象 ;特別是具有優(yōu)異的動力學(xué)特征的全數(shù)字2003 年 7 月李立斌 ,等 :高速切削技術(shù)與數(shù)控機(jī)

17、床發(fā)展趨勢47交流伺服電機(jī)和控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用 ,保證了高速進(jìn)給加工的 要求 。近年來 ,包括美國 、日本和德國在內(nèi)的世界上許多著名系 統(tǒng)生產(chǎn)廠商都在積極開發(fā)第六代數(shù)控系統(tǒng) ,這種基于 PC 的先 進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)采用了 PC 硬件和操作系統(tǒng) ,使數(shù)控系統(tǒng)的存儲 容量擴(kuò)大到 20 G 左右 。并能通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)在加工之前將 CAD/ CAM 計(jì)算的加工信息一次傳輸?shù)接脖P上 ,使數(shù)據(jù)傳輸速 度提高了幾千倍 ,同時保證了程序傳輸?shù)目煽啃?,既解決了大 程序量的高速高精度加工問題 ,也不需要曲面和樣條插補(bǔ) ,可 方便地與現(xiàn)有的 CAD/ CAM 系統(tǒng)集成 。4. 2 開放性數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)開放化是數(shù)控技

18、術(shù)發(fā)展的必然 。歐洲 、美國和日本等國已于 20 世紀(jì) 90 年代就成立了開放性數(shù)控系統(tǒng)研究機(jī) 構(gòu) ,各自的發(fā)展計(jì)劃代號分別為 OSACA(Open System Architec2 ture for Control within Automation) 、OMAC ( Open Modular Ar2 chitecture Controller) 和 OSE(Open System Environment) 。開放 性數(shù)控系統(tǒng)具有能夠最大限度地利用 PC 軟硬件技術(shù) 、模塊化 結(jié)構(gòu) 、動態(tài)配置系統(tǒng) 、可移植和可擴(kuò)展性等特點(diǎn) ,是機(jī)械設(shè)備自 動化控制的最佳選擇 ,故吸引了許多產(chǎn)業(yè)界參與開發(fā) 。

19、OSACA 已開發(fā)了第一批示范性的應(yīng)用軟件模塊 OS2 ACA API ,可適用于數(shù)控系統(tǒng) 、機(jī)器人 、可編程邏輯控制器和單 元控制器 。1997 年歐共體開發(fā)了一種遵從 SIEP 標(biāo)準(zhǔn) 、面向?qū)?象的數(shù)據(jù)模型 ,提出了 STEP - NC 的概念 ,將產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換標(biāo)準(zhǔn) STEP( Standard for the Exchange of Producl model data) 擴(kuò)展至 CNC 領(lǐng)域 , 重新規(guī)定了 CAD/ CAM 與 CNC 之間的接 口 ,該項(xiàng)目已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展 。據(jù)美國 STEPTOOL S 公司的 預(yù)測 ,STEP - NC 控制器將在 2010 年以前問世

20、,屆時人們會目 睹自動化制造的全新景象 。由 80 多家科研機(jī)構(gòu) 、9 家 OEM 、16 家用戶參加的 OMAC 組織 ,已定義了 OMAC API ,利用 Win2 dows OS 現(xiàn)有的個人計(jì)算機(jī)資源 ,以實(shí)時操作系統(tǒng)為核心 ,提供 高性能的控制功能 ,利用實(shí)時數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效和便捷 化 。OSE 于 1995 年 、1996 年先后公布了”O(jiān)SEC - ”、”O(jiān)SEC- ”,創(chuàng)建了開放性數(shù)控系統(tǒng)的參照模型和安裝模型 ,開發(fā)了 基于 PC 的人機(jī)接口系統(tǒng)和新的 NC 語言 OSEL 。4. 3 智能化網(wǎng)絡(luò)控制21 世紀(jì)中國制造業(yè)將跨入一個嶄新的發(fā)展時期 ,互聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)進(jìn)入制造業(yè)工廠

21、、車間已是指日可待 。在數(shù)控系統(tǒng)中安裝網(wǎng) 絡(luò)通信以及相配套的軟件設(shè)施 ,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控是現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 發(fā)展的必然趨勢 。(上接第 25 頁)結(jié)果表明雙三次 B 樣條極其自然的解決了曲面之間的連 接問題 。4 結(jié)論智能化網(wǎng)絡(luò)大大提高了 NC 程序管理的效率 。通過 TCP/ IP 通信協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)是目前最為普及的聯(lián)網(wǎng)方 式 。智能化網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橹圃焐烫峁┏稣浊覕?shù)據(jù)信息一致的 生產(chǎn)方案 ,使不同的 CNC 控制程序 、編程加工位置及刀具定位 點(diǎn)等數(shù)據(jù)信息得以統(tǒng)一 ,數(shù)據(jù)傳遞的速度比通過介質(zhì) (數(shù)控帶 、 磁帶等) 傳輸提高數(shù)千倍 。通過連接調(diào)解器與通信軟件 ,還可 以對 CNC 機(jī)床進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時故障診斷 ,并能直接發(fā)出指令 ,及 時排除 ,最大限度地減少停機(jī)維修時間 。網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù) 共享并為網(wǎng)絡(luò)化制造模型和網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)創(chuàng)造了條件 。應(yīng)當(dāng)指出 ,采用 TCP/ IP 通信協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時 ,機(jī)床 數(shù)控系統(tǒng)的操作平臺基于 Windows 平臺最為理想 ,而 PC 數(shù)控 系統(tǒng)恰好能滿足這一要求 。5結(jié)束語高速切削技術(shù)是制造業(yè)的一項(xiàng)具有戰(zhàn)略性的前沿技術(shù) ,圍 繞著高速切削技術(shù)的研究和應(yīng)用 ,將帶動高速精密加工設(shè)備和