20世纪80年代后半期,理化学研究所板桥分所导入了一台高速CNC铣床,由此开启了我们对高速铣削技术及铣床的研究。该铣床由新潟铁工所株式会社(现名为新潟铁工所工作机械株式会社)制造,其主轴转速高达10×104 r/min,性能惊人。遗憾的是,由于当时相关技术尚未与高速铣削设备同步发展,因此,高速铣削加工技术没能普及。尽管在5年后的机床展览会上,各机床制造企业已纷纷展出主轴转速高达每分数万转的加工中心,但高速加工专用的技术要素却是在20世纪90年代后半期才逐步得以完备的,正是CNC、CAM、刀柄、刀具等这些关联要素的逐步完备,才推动了加工中心向高速化发展的进程。 近年来,加工中心的高速化倾向愈发显著。但仅依靠提高主轴转速和进给速度很难实现高品质的高速铣削,幸好刀具、刀柄、CAD/CAM等关联要素技术也在同步提升,使得高速铣削技术逐渐得以稳健发展。 我们所说的高速铣削是以浅切深、高进给为前提的,并最大限度地减少刀具所受负荷的断续切削。通过小径球刀的高速旋转及高速进给,实现所需形状工件的加工,通过控制加工所需刀具的种类,减少CAM的工作量。提高主轴转速与进给速度可以提高生产效率,因此,高速铣削的诞生和发展有其必然性。 通过切削方式对模具进行3维形状加工时,一般使用球刀。为实现切削加工,刀具要在其运动方向和与运动方向相垂直的方向分别进给,刀具沿工件中心轴方向(即刀具的运动方向)的切削距离称为轴向切深(ap),沿垂直于中心轴方向的切削距离称为径向切深(ae)。轴向切深由机床与刀具的刚度决定,且轴向切深量不可大于容屑槽的宽度(排出切屑的空间)。轴向切深对于切削余量形状的影响不及径向切深。利用球刀加工后,加工面的粗糙度可近似用ae/8R表示(R为刀具半径),增大刀具半径或减小径向切深均可降低切削后加工面的粗糙度。但是,若要尽可能利用少量刀具完成加工,自然应选用最终精加工所需刀具进行切削。由此可见,减小径向切深是降低表面粗糙度的最佳手段。加工后表面粗糙度的降低,有利于减少后续研磨和精加工的工作量(根据工件样式减少不必要的工序),也会缩短开发周期。但是需要注意,若减小径向切深,加工时间将会延长。为缩短加工时间,较好的方式是加快刀具进给,然而如果在转速不变的情况下加快进给,轴向切深将会变大,导致作用在刀具上的负荷也将增大。为减小刀具承受的负荷,较好的方式是增大转速并减小轴向切深。由此可见,提高主轴转速和进给速度是实现高速铣削的必然选择。 以上简要叙述了我们开启高速铣削加工实验的缘由,接下来介绍一下在理化学研究所展开的高速铣削加工方面的研究。
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由日本机械加工领域的知名专家松冈甫篁、安斋正博进行组稿编写,书稿着重介绍了高速、高精度切削加工技术和作为新兴切削技术代表的精密、微细切削加工技术以及3D打印与信息化时代相关加工技术。富士康工业互联网董事长李军旗先生作序。