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      提高數控鉆床切削效率
      發布時間: 2018-7-23 9:12:04

      提高數控鉆床切削效率、降低加工成本是金屬切削技術長期追求的發展目標。一般來講,提高切削效率、降低加工成本主要有三個途徑:提高切削速度、提高進給速度和提高切削深度。

        1.高速切削

        切削速度的提高反映了機械制造整體技術水平的進步,為機械制造業帶來了巨大的經濟效益。從切削加工的發展歷史來看,通常是通過開發和改進切削刀具材料來大幅度提升切削速度,從而達到提高切削效率、降低生產成本的目的。20世紀80年代以來,歐美刀具制造業經過大量的試驗研究,對切削機理的認識有了新的突破,認為當切削速度的提高超過某個臨界值(因材料而異)后,刀具的磨損并非按照泰勒曲線的規律急劇增加,而是在以后的某個區間內隨切削速度的提高而有所減少,并在經歷一個谷底后再重新上升。雖然對這一現象尚未得到一致的理論解釋,但并不妨礙根據這一規律在此谷底附近區間進行高速加工技術的應用。目前,工業發達國家的航空、汽車、動力機械、模具、軸承、數控鉆床等行業依據這個理論發展高速切削,使上述行業的產品質量明顯提高,加工成本大幅度降低,獲得了市場競爭優勢。

        理論分析和實踐證明,高速切削是一個系統工程。從技術的層面上看,高速切削涉及高速主軸單元、快速進給和高加(減)速度的驅動系統、高性能的快速cnc控制系統、高剛性的數控鉆床結構、數據的快速處理和傳送、動平衡控制、超硬刀具材料和鍍層工藝技術等各個方面;從管理的層面上看,高速切削涉及高速加工理念、新的管理方法等。作為系統的一部分,各個環節只有互相協調,才能發揮其應有的效益。如在加工模具的曲面時,如果其它環節都符合高速加工的要求,但其cam的數據處理只使用直線插補而不是圓弧插補或樣條曲線插補來模擬工件表面的曲線,數控鉆床的進給系統總是處在不停的加減速過程中,就無法達到預定的進給速度,從而限制了切削效率的提高和生產成本的降低。同樣,如果在高速銑削中選用普通結構的三刃立銑刀,由于其通常采用一齒過中心的結構,動平衡性能先天不足,同樣也不能達到預定的轉速,不能獲得預期的加工效率。

        在高速切削加工中,首先應充分重視刀具安全性問題。銑削是目前高速切削應用的主要工藝,銑刀(包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀)是主要的高速切削刀具。這類刀具在高速旋轉時各部分都要承受很大的離心力,由于其作用遠遠超過切削力的作用(過大的離心力足以導致刀體破碎),因此成為刀具的主要載荷。德國在20世紀90年代初就開始了對高速銑刀安全性技術的研究,并在機器制造商協會的支持下,組成了由大學研究機構、刀具制造廠、研究所和刀具用戶參加的工作組,從事高速銑刀安全性技術的研究。經過近十年的工作,取得了一系列階段性成果,制定了德國國家標準并被采納為歐洲標準,推動了世界范圍內高速切削技術的發展。在此過程中,瓦爾特公司與工作組一起就高速銑刀的強度計算進行了研究。通過專門用于高速銑刀的有限元計算方法,分別開發了刀體、刀座、刀片、夾緊螺釘的計算模塊,還可模擬刀片在刀座里的滑動、螺釘頭在擰緊和工作載荷下的變形等。研究計算顯示,當轉速達到某臨界速度時,螺釘達到臨界應力而出現拉伸變形。而在達到臨界速度之前,螺釘首先產生彎曲,實際長度變長,夾緊力下降,造成刀片產生位移。

        為了保證切削加工的安全,德國標準規定刀具產品應在至少超過廠家標稱的高轉速60%的情況下才能發生位移,在至少超過廠家標稱的高轉速100%的情況下才能發生解體或整體刀具的折斷?! ?/p>

        高速加工時,除了刀具本身的安全性,刀具夾持系統的安全性和安裝后的整體動平衡性能也必須充分重視。瓦爾特推薦在高速切削中使用hsk空心短錐柄作為刀具與數控鉆床的接口,刀柄與刀具的接口采用液壓式、熱膨脹式,而將標準的圓柱柄(不帶削平結構)作為刀具柄部的主要形式。在非常高的轉速下,除刀具和夾持系統本身的平衡是必要的前提條件外,刀具安裝后仍需要進行整體的平衡。因此,用于加工鋁合金的大尺寸銑刀必須能進行平衡調整。一般說來,高速切削條件下的盤類刀具至少應進行靜平衡,而桿類刀具則必須進行動平衡。由于我國企業較少在引進高速數控鉆床的同時引進平衡設備,因此希望能引起刀具用戶的重視。同時,筆者認為國內刀具供應商也必須加強高速刀具安全性的研究,以促進我國高速切削技術的發展。

        由于高轉速帶來高的金屬切除率,因此,即使是加工鋁合金也會對數控鉆床的功率提出很高要求。計算表明,用直徑30mm的3齒玉米銑刀加工寬30mm、深度也為30mm的槽,如采用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的進給量,功率可能達到57.6kw。因此,瓦爾特公司推薦用戶采用的高速切削策略是:高的切削速度、中等的進給量和小的切削深度。對于大余量加工,建議采用分層切削。

        2.高進給切削

        按傳統方式進行精加工時,由于對工件表面粗糙度有一定的要求,刀具的進給量較小。例如車削表面粗糙度要求為ra0.4μm的圓柱表面,當刀尖圓角為0.8mm時,其進給量fz應不超過0.10mm/r。為了滿足高效切削的要求,目前刀具制造業已開始向用戶推薦高進給的wiper刀片。wiper車刀片一般是按設計的主偏角在副切削刃上制造出一個直線形的修光刃(也有用大直徑圓弧作修光刃的)。在理論上,如果不考慮系統剛性和修光刃本身的微觀缺陷,只要進給量不超過刀具修光刃的寬度,則工件的表面粗糙度僅受工件材料晶粒大小的影響(這個影響是微乎其微的)。在實踐中,某汽車零部件制造企業使用瓦爾特的wiper車刀片采用了0.3mm/r的進給量,比原有加工效率提高三倍多,而工件表面粗糙度仍達到ra0.4μm。

        與此同時,瓦爾特也致力于大進給銑刀的開發。今年,瓦爾特的大進給銑刀f2330已經問世。這種銑刀具有變化的主偏角(小處為0°,外徑處的主偏角約15°),切深一般不超過2mm,而大進給量可以達到每齒3.5mm。以工作直徑52mm的瓦爾特f2330銑刀為例,由于該銑刀具有3個刀齒,故刀具每轉進給量大可超過10mm。

        3.大余量切削

        國內一般將大余量切削稱為重切削。在筆者看來,大余量切削雖然也是高效切削的一個方面,但總體上并不能稱為新技術。過去國外只有幾家刀具制造商生產采用立裝刀片結構的重切削銑刀,近年來,包括瓦爾特公司在內的一些國外主要刀具制造商都可供應多種重切削銑刀。

      (本文摘自網絡,僅供參考)


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