7模具高速铣削加工2

第4章SKY数控系统的模具高速铣削加工本章要点4.1高速铣削加工技术概述（重点）4.2SKDK5060高速数控铣床简介4.3SKDK5060高速数控铣床的操作4.4数控铣削编程（重点）第4.1节高速铣削加工技术概述本节要点4.1.1高速加工的基本概念4.1.2高速加工的特点4.1.3高速加工的应用4.1.4高速铣削的工艺特点及在模具制造中的应用4.1.5高速铣削的关键技术高速加工（尚无统一定义）：采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料的切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000r/min。4.1.1高速加工的概念与特征高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异一.高速加工切削速度的范围◎铝合金(AluminumAlloy)：1000-7000m/min◎铜(Cu)：900-5000m/min◎钢(Steel)：500-2000m/min◎灰铸铁(Graycastiron)：800-3000m/min◎钛(Ti)：100-1000m/min高速与超高速切削速度范围10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金◎车削(Turing)：700-7000m/min◎铣削(Milling)：300-6000m/min◎钻削(Drilling)：200-1100m/min◎镗削（Boring）：35-75m/min◎磨削(Grinding)：50-300m/s（3000－16000m/min）高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同1.高速加工切削速度的范围高速加工已成为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。人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的关键技术。（1）加工效率高随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，进给率提高5～10倍，切削效率提高3～6倍。加工成本可降低20％-40％。4.1.2.高速加工的特点4.1.2.高速加工的特点（2）切削力小切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30％，有利于减小工件变形，可高质量地加工出薄壁零件和细长零件。A为高速切削加工时的热传导过程B为传统加工的热传导过程（3）切削热少，热变形小温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走，使工件的热变形相对较小；4.1.2.高速加工的特点（4）加工精度高切削激振频率远高于机床系统固有频率，不宜产生振动，加工平稳；加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制,大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高1～2等级。热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量。（5）工序集约化工件加工可在一道工序中完成。高速切削可加工硬度HRC45～65的淬硬钢铁件，如高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求，加快产品开发周期，大大降低制造成本。HSM600U型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士Mikron主轴转速：最高42000rpm主轴功率：13KW进给速度：最高40m/min定位精度：0.008mm重复定位精度：0.005mm4.1.3高速加工的应用HSM系列高速五轴联动小型立式加工中心高速切削加工应用（1）航空航天领域大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。波音公司的F15战斗机的起动减速板镍合金钛合金零件铝合金整体零件：整体零件“掏空”，切除量大零件有薄壁，要求小切削力小直径刀具较长的刀具悬伸高速铣削典型工件高速加工薄壁样件（壁厚0.1mm，高度20mm）高速加工薄壁样件（厚度0.1mm）（米克朗公司）（2）汽车工业专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）（3）模具制造采用高速铣削代替传统的电火花成型加工，可使模具制造效率提高3～5倍。对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修b）高速模具加工的过程两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。高速切削加工的工件材料包括钢、铸铁、有色金属及其合金、高温耐热合金以及碳纤维增强塑料等合材料的加工，其中以铝合金和铸铁的高速加工最为普遍。几乎所有传统切削能加工的材料高速切削都能加工，甚至传统切削很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将变得易于切削。（6）超精密微细切削加工领域粗铣整体铝板；•精铣；•钻680个直径为3mm的小孔。时间为32min。高速切削加工医用药盒（5）仪器仪表精密光学零件加工镜面加工一.模具的高速铣削加工与传统铣削加工的比较1.高速铣削加工与传统的数控加工方法无什么本质区别2.有相同的工艺参数－进给量、切削速度和切削深度。（切削三要素）3.需要切削刀具4.需要数控（NC）程序工艺参数－进给速度、切削速度和切削深度的数值不同。4.1.4高速铣削的工艺特点•相同：•不同：1.高速铣削加工的工艺特点：高进给速度和小切削参数（1）主轴转速（切削速度）高（2）进给速度快（3）切削深度小（减小切削力、切削热）（4）切削行距小（降低表面粗糙度）4.1.4高速铣削的工艺特点一.模具的高速铣削加工与传统铣削加工的比较浅2.高速铣削加工的优点：（1）加工质量好（2）刀具使用寿命长（3）工作效率高（4）加工总成本低（5）直接加工淬硬模具（6）加工高质量的模型和样件4.1.4高速铣削的工艺特点一.模具的高速铣削加工与传统铣削加工的比较高速铣削加工对机床主轴系统、进给系统、切削刀具系统、计算机数控系统、伺服进给系统和数控编程方法的要求与传统加工方式不同。4.1.4高速铣削的工艺特点二.模具的高速铣削加工与电火花加工的比较电火花一统天下高速铣削加工相辅相成比较平坦的浅型腔加工深型腔内尖模具型腔表面有花纹和图案的模具适合不适合形状不受限制4.1.4高速铣削的工艺特点二.模具的高速铣削加工与电火花加工的比较分类电火花加工高速铣削加工材料所有导电材料所有切削材料（硬度可达62HRC）几何形状任意受深度和刀具半径限制内部尖角半径可达0.1mm底部圆角可达到0.3mm，壁圆角半径1.0mm深槽取决于电极的制造长径比小于10表面质量总是需要再加工某些应用不需要再加工再加工费用高低表面光洁度高高结构变化微裂受压几何精度好优去屑能力更适合大的成型表面适合于小成型面、点接触预加工电火花粗加工效率高，无需预加工刀具特殊加工（电极）标准刀具实时监控与安全保障系统图3高速加工技术体系及关键技术高速加工体系结构及关键技术高速加工刀具工件高速加工工艺工件材料定位夹紧动平衡高速加工机床机床整体结构机床主轴系统机床进给系统冷却系统安全防护装置数控系统实时监控系统切削力切削热切屑形态切削振动切削方式路径规划加工参数选取工序、工步优化设计刀具材料与结构设计刀具使用寿命磨损、破损机理与在线检测动平衡刀具刃磨与修整高速切削与磨削机理4.1.5高速铣削加工的关键技术4.1.5高速铣削加工的关键技术1.高速主轴系统一.高速铣削对机床的要求高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。目前主轴转速在15000-30000rpm的加工中心越来越普及，已经有转速高达100000-150000rpm的加工中心。将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。轴承是决定主轴寿命和负荷容量的关键部件。为了适应高速切削加工，高速切削机床的主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。目前高速主轴主要采用：陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承等。主轴轴承润滑对主轴转速的提高起着重要作用，高速主轴一般采用油、空气润滑或喷油润滑。陶瓷球轴承密封圈旋转变压器（检测装置）电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口陶瓷轴承高速主轴结构前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器磁悬浮轴承高速主轴结构要求不仅仅能够达到高速运动（目前切削进给速度一般为30－60m/min，最高达120m/min），而且要求瞬时达到高速、瞬时准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度。高速进给系统包括进给伺服驱动技术、滚动元件导向技术、高速测量与反馈控制技术和其他周边技术，如冷却和润滑、防尘、防切屑、降噪及安全技术等。目前常用的高速进给系统有三种主要的驱动方式：高速滚珠丝杠、直线电动机和虚拟轴机构。和高速进给系统相关联的还有工作台（拖板）、导轨的设计制造技术等等。（2）高速进给系统2.快速进给系统传统进给方式伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副直线电动机系统直流直线电动机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直3基座4磁性轨道5直线电机6直线导轨7直线光栅8平台9接口电缆10防护罩直线电动机的进给系统3.高性能的CNC控制系统•CNC控制系统必须在高速移动中保持精确的刀具轨迹；•走刀间距小，加工程序庞大，控制系统要用多位处理器；•高速插补能力•超前处理能力预防刀具轨迹偏移和避免高速下突发事故4.待加工轨迹监控系统•待加工轨迹监控是指计算机数控系统在控制加工的同时扫描待加工的数控代码，其目的是发现刀具路径是否有方向上的突然改变。•如果发现某一加工区域刀具路径方向有较大的改变，则要验证当以编程速度进给时，在这些区域是否会产生过切或残留（欠切）5.高速机床切屑处理和冷却系统——通常采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作。6.高速切削加工的安全防护与实时监控系统高速切削加工的速度相当高，当主轴转速达40000rpm时，若有刀片崩裂，掉下来的刀具碎片就象出膛的子弹。因此，对高速切削加工引起的安全问题必须充分重视。从总体上讲，高速切削加工的安全保障包括以下诸方面：机床操作者及机床周围现场人员的安全保障；避免机床、刀具、工件及有关设施的损伤；识别和避免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面，机床设有安全保护墙和门窗。要作极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测以控制刀具磨损，机床功率监测亦可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监测以判别切削参数与进给系统间关系；刀具破损监测；主轴轴承状况监测；电器控制系统过程稳定性监测等。二.高速铣削对刀具系统的要求：磨损小，寿命长1.高速切削加工对刀具材料的要求由于高速切削加工的切削速度是常规切削的5~10倍，对刀具材料以及刀具结构、几何参数等都提出了新的要求。刀具材料的选择对加工效率、加工质量以及成本和刀具的寿命等有着重要的影响。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还对刀具材料有更高的要求，主要包括：(1)高的硬度和耐磨性(2)高的强度和韧性(3)良好的热稳定性和热硬性（抗热疲劳）(4)良好的高温力学性能（高温强度、高温硬度、高温韧性高等以及材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强）(5)较小的化学亲和力（刀具与加工的模具材料）4.1.5高速铣削加工的关键技术2.高速切削加工刀具材料的种类要实现高速切削.刀具材料是关键。日前国内外用于高速切削的刀具主要有：聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具、涂层刀具、聚晶金刚石