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刀锋出鞘 唯快不破 浅析高速切削工艺

切削工艺是机械加工大家族中的重要成员,顾名思义,它指的就是用刀具、磨具等切削工具,将工件上的多余部分切下,从而得到所需尺寸、形状和表面质量的加工过程。切削工艺的历史由来已久,可以上溯到石器时代原始人类对磨制刀具的使用。而现代切削工艺通常与机床等设备相结合,以发挥最大的功效。为提高生产效率,制造商们希望设备能够实现高速,甚至是超高速切削。那么,到底是哪些因素限制了切削速度的提升?切削速度又有没有一个极限呢?萨洛蒙假说与突破“死谷”决定切削速度的因素有很多,包括工件材质、切削工具材质、制作工艺以及切削设备的工作效率等等。除此之外,还与加工时的温度有直接关系。众所周知,切削过程会产生大量的热能,而无论是加工工件还是切削工具,其材质都对温度有一定的耐受极限,超过极限就会造成损坏。随着切削速度加快,摩擦变得更加剧烈,温度也随之升高。因此,每种材质都有其能够承受的切削速度范围,如果超过了这个范围,加工就无法进行,因此,这个区域被称为切削工艺的“死谷”。在相当长一段时间内,人们认为“死谷”是无法突破的,但是有一个萨洛蒙假说的提出却为突破“死谷”带来了一丝曙光。这一假说是由德国物理和机械学家卡尔·萨洛蒙在1931年提出的,他在参考了大量的切削实验结果之后认为,切削速度与温度构成的曲线并不是单调递增的,当速度达到某一特定值时,随着速度的增加,温度反而会递减。这样就有可能在高速运转的范围内,得到切削加工的理想温度,而不损坏工件和设备。中国西北工业大学和成都飞机工业集团的研究人员就曾用红外热像仪对铣削过程进行了温度动态监视和测量,得出了符合萨洛蒙假说的温度曲线。依据这一理论进行生产,可以极大地提高生产效率。高速切削工艺发展现状得益于萨洛蒙的研究成果,高速切削技术得到了质的飞跃。随着高速甚至是超高速机床设备和刀具等关键技术领域取得突破性进展,高速切削工艺的速度范围也在不断扩展,切削铝合金材料速度可达到每分钟5500米,铸铁材料为每分钟4500米,普通钢材料则为每分钟800米。甚至有人预言,未来,超高速切削速度将与音速相媲美。今天,美国、德国、日本、法国、意大利等国家在这一技术上保持领先地位,并已将其引入到机床生产和设备加工中来,主要应用在飞机、汽车及模具制造等领域。随着市场需求的日益增加,我国也已经意识到完善这一技术对发展国民经济的重要意义。上世纪90年代初,国家基金委、国家计委和航空工业总公司开始对高速切削工艺的研究提供支持。在“国家‘十五’重点领域技术预测研究”和“先进制造领域关键技术的分析论证”中,高速切削工艺均被列入了重大综合型项目和经济与社会发展急需高技术项目中的重要内容。然而,与国外先进水平相比,我们目前仍存在一定差距。现阶段研究重点和难点在进行高速、超高速切削作业时,由于摩擦产生的热量远远高于普通切削,因此对切削所用的刀具材料有特殊的要求。刀具要具备极高的硬度、韧性,以及极强的耐热性和耐磨性,刀具的化学性能要始终保持稳定,所以抗氧化性也非常重要。以上这些条件都符合的材料凤毛麟角,但可以采用先进的加工工艺,把不同材料的特性进行优化组合,例如,在韧度很强的合金材料刀具的基体之上辅以高热硬性和耐磨性镀层。作为一种新兴的切削方式,高速切削目前尚没有完整的加工参数表可供参考,尤其是对于黑色金属及难加工材料的高速切削加工机理尚在探索阶段,也是当前阶段研究的重点和难点。对各种不同的金属材料在高速切削过程中的切屑形成机理、切削力、切削热变化规律及刀具磨损对加工效率、加工精度和加工表面完整性会产生哪些影响,也在不断研究过程中。技术优势和未来发展趋势首先是大大提高了生产效率。不仅切削速度加快,还可以将传统工艺中的粗加工和精加工两道工序同时完成,从而缩短了工期,而且这种技术使机床结构也趋于简化,有利于设备的控制和维护。第二是加工精度更高。由于速度提高,切削中产生的热量传导到工件上将会更加分散,单位长度的工件吸收热量明显减少,这样就有效地减少了工件发生热变形的几率,提高了加工精度。目前,对于大型框架件、薄板件、薄壁槽形件等高精度高效率加工,超高速切削工艺是唯一可行的加工方法。第三是能获保持较好的表面完整性。由于应用这一技术切割速度有保障,因而可以适当减少进给量,从而降低单位切削力度和变化幅度。再加之切割频率较快,不易受机床自身震动的影响,所以加工出的工件具有良好的表面光滑度。第四是降低了能耗。高速切削时,单位功率能源达到的的金属切削效果明显高于传统切削工艺。以洛克希德飞机制造公司的铝合金超高速铣削为例,主轴转速从每分钟4000转提高到每分钟20000转,金属切除率提高了3倍,而单位时间能耗增加量却远远小于这一数字。由于重切削在我国大型设备制造业领域具有重要的地位,因此,我们的研究方向应倾向于重切削与高速切削相结合这一主题。在重切削工艺中进行高速切削,需要兼具高功率、大切深、重负荷、长时间等更高的标准和严格的要求。基于这一新技术的机床主轴单元、进给单元、支撑及辅助单元和驱动系统、控制系统及监测系统也需要得到进一步的完善。


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