如何定義高速加工的範疇?

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tags:    時間:2014-03-12 01:08:08
如何定義高速加工的範疇?簡介
     雖然有許多人在談論高速加工(HSM),許多機床在廣告中宣稱是高速加工機床,並且還有許多會議專門研討高速加工,但對這一術語卻並沒有統一的定義。有些……
如何定義高速加工的範疇?正文
    

雖然有許多人在談論高速加工(HSM),許多機床在廣告中宣稱是高速加工機床,並且還有許多會議專門研討高速加工,但對這一術語卻並沒有統一的定義。有些定義關注表面加工速度,另一些定義強調主軸軸承轉速,還有一些定義則只考慮主軸轉速。不過,一種比較好的方法可能是根據「穩定現象」來定義高速加工。

一種常見的高速加工定義是基於表面加工速度——即刀具與工件之間的相對速度。從本質上看,這是一種對熱量的限制,因為許多刀具磨損機制都取決於切削溫度。用表面加工速度來定義高速加工頗受刀具製造商和研究人員的青睞。在國際生產工程學會(CIRP)1992年的年會上,H.Schulz和T.Moriwaki在一篇名為「高速加工」的經典論文中,基於表面加工速度,製作了一個圖表,顯示了常規加工、過渡區和高速加工的速度範圍。表面加工速度v(m/min)由公式v=πdn確定(其中:d為或工件的直徑,n為主軸轉速)。例如,一把直徑25mm的銑刀,以15,000rpm的轉速旋轉,其表面加工速度則為1,177.5m/min。

第二種常見的高速加工定義是基於預載入荷主軸軸承的旋轉能力。主軸製造商和機床設計者通常喜歡用DN數來表示高速加工。D代表主軸承孔的直徑(mm),N代表最高主軸轉速(rpm)。例如,對於主軸承孔直徑為60mm的主軸和20,000rpm的主軸最高轉速,其DN數為120萬。

雖然實驗用的主軸已經達到了高得多的DN數,但若干年來,商業化高速主軸的DN數一直保持在200萬以下。主要原因之一是軸承發熱問題。為了提高軸承的剛度和精度,需要對其預載入荷(使軸承中的滾珠始終處於壓縮狀態)。這種預載入荷方法必須與滾珠高速旋轉所引起的離心力作鬥爭。由於陶瓷球剛性好、重量輕,性能優於鋼球,因此通常成為首選滾珠材料。當滾珠在軸承滾道內旋轉時,它們會被擠壓和卸載,並出現發熱現象。

還有一部分熱量來源於整體式主軸的轉子和非整體式主軸的動力傳動裝置。因此,預載入荷方法必須在保持預載的同時,考慮熱量的增加——這對於主軸的設計是一個很大的挑戰。

在定義高速加工時,製造商往往只考慮主軸轉速。在一定的主軸轉速以下,刀柄和刀具被認為是安全的,而這意味著,刀具和刀柄應結合為一體,所有的機械連接都應保持完美無缺。這種評定方式通常意味著,刀具或刀柄的最高轉速已經達到額定轉速的兩倍。

另一種定義高速加工的方法與「穩定現象」的出現有關。當刀齒頻率變化到固有主頻率的很大一部分時,就會出現「穩定波形」。在低速加工時,主軸轉速的選擇並不會明顯改變機床的動態性能。穩定性的極限值——當切深超過該值時就會發生顫振——似乎是一個常數。當刀齒頻率變化到占固有主頻率相當大的一部分(比如說1/4、1/3、1/2或1/1)時,通過選擇正確的主軸轉速,就能輕鬆地將金屬去除率提高2倍或更多。

例如,當用一把雙刃銑刀以靈活性最大的固有主頻率(1,200Hz)銑削鋁合金時,在主軸轉速為1,200×60÷2=36,000rpm時,「穩定波形」效應最強。其他主要的穩定區將出現在轉速分別為18,000rpm、12,000rpm和9,000rpm時。

對於具有較低的固有主頻率的刀具系統,出現「穩定波形」效應的主軸轉速可能會大大降低。當用一把6刃銑刀以250Hz的固有主頻率銑削鈦合金時,最穩定的加工區將出現在主軸轉速為250×60÷6=2,500rpm時,按照動力學的觀點,這一轉速仍然屬於高速加工的範疇。

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