高效微型切削对制造工艺提出更高要求

无情泪

由于工业部件微型化数量地不断增加，机械制造领域里迄今为止的生产方法应当被重新考虑。这种微型化不是一个新的趋势，但是几乎没有限制的形状和材料的选择使得微型切削与传统缩微技术相比越来越受到重视，不断地被优先选择。这种方法能够在很多情况下进行非常经济的制造。
- a" i) x9 |( t- o切削制造的优点在于它几乎不受形状的限制，特别是在使用5轴机床时，每一种切削材料哪怕一次只生产几件，也能够很经济地进行加工。但是为了保证工艺的安全，必须满足一系列的条件。对于零件的基本要求是将尺寸偏差保持在几微米范围之内，而且表面粗糙度很低。
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% g5 T9 W( ^! l$ t* b  q: o4 A图1 大动力的重要先决条件是紧凑的结构和小的活动质量块。
大动力、优质的调节质量和绝对的精确性是成功加工的先决条件成就大动力的条件
大动力的重要的先决条件是紧凑的结构和小的活动质量块。大动力、优质的调节质量和绝对的精确性则是成功加工的先决条件。需要达到发动机调节与数字化自动同步发送机组合的直接地点测量系统的特性，自动同步发送机的最低信号周期为1024min-1，而且可以同时传递到多台机器。经常使用的是2极发动机，相对于极数较高的发动机，它的缺点是调节性能差。首先是零值周围的推进范围内的位置调节，这个速度范围对于精密加工非常重要，例如用细如发丝的刀具加工孔图。用传统的直流伺服发动机驱动也能达到同样的质量要求，决定性的参数是总系统在控制、驱动和机械方面的特性。
刀具必须高要求
那些直径和长度比例不合理的刀具必须满足一些要求，直径0.5mm和长度10mm的铣刀在铣削加工中并不罕见，这种刀具目前使用比较稳定。供货商提供了一系列硬质合金刀具，他们的下一个目标是细颗粒“Micro-Grain”， 在碳化钨—钴的基础上研发的硬金属品种，需要优化切削边的“锋利性”。对于现行的材料，可将大小为0.5~1μm的碳化钨颗粒加入到相对软的钴合金中，用这种硬金属可以生产出切削边倒角很小的刀具，从而明显地降低切削力。这类硬金属刀具的性价比很好，适用于NE金属和有色金属的加工。未加涂层的刀具有一部分已经达到了极限，对于高合金、硬化钢、钨合金铜和石墨，使用涂层刀具往往是不可避免的。尽管这些涂层会造成刀具切削边倒角的缺陷，但是却改进了刀具切削边的耐用时间和耐热性，目前对于这种涂层在价格上还没有更加合适的选择。这种刀具及其切削工艺对机床提出了最高的要求，除了很高的绝对精确性和动力外，还必须有很好的钢性和阻尼性。只有这样才能达到优质的表面质量和很长的刀具耐用周期。
在选择铣削主轴时（图2）必须考虑转数范围适合于小直径的刀具。在使用未涂层硬金属刀具加工NE金属和有色金属时，切削速度可以不用校准值，而是从60m/min开始。刀具直径0.5mm，转数38 200r/min。为了经济地加工，就要选择相应地主轴，并且自动化更换刀具是必须考虑的。这种系列主轴转数可达70 000r/min，而且有相应小的扭矩（只用于小刀具）。也有一些主轴，其转数范围在300~40000r/min，在低转数范围内（大约12 000r/min以下）有较高的扭矩，可以抵消过高的转数。这些主轴提供了一个在小刀具和高转数、高切削量（即高扭矩）之间最优化的折中方案。
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9 |  O! K$ c" F$ K图2 微型切削主轴的转数范围必须适合直径很小的刀具
+ C6 \, R) z$ i  a% A7 Y增加转数的铣削主轴长度补偿
& ?' m4 B! u9 ]- W. `1 G( \通过滚珠轴承里的离心力可以得到增加转数的主轴动力长度补偿。主轴的热量产生了补偿的长度。加工时在单个刀具之间产生很大的转数差，因此在实际加工中低转数时使用“短”主轴，而在高转数时使用“长”主轴。这种差别因厂家和主轴型号的不同在25~120μm之间，是不可避免的，但是在零件公差很小时却是无法承受。为了能在实际工作中解决问题，Primacon公司已经从1998年开始通过使用由一位著名测量专家研发的主轴长度补偿方法来解决主轴增长的问题（图3），通过这种补偿可以将刀具的有效长度控制在2μm的公差范围内。
: a9 n- X( q2 S图3 机床加工中心的铣削主轴上有一个长度补偿高度循环的刀具接口
1 s6 R/ Q! i8 S一个能够自动更换刀具、满足循环和重复精确度的高要求刀具接口，对于经济加工微铣削零件来说是必不可少的。Primacon公司决定采用一个带有直径32mm夹紧槽的椎体HSK25，即HSK F32（图4）。这种椎体由于结构短、无直柄键槽、锥度小、组合支撑良好，而显示出出色的动力质量和循环性能。这个具有夹紧钳和HF夹紧螺母的组合刀具架不用其他优化就可以在40000r/min时动力质量达到G=2.5，这是零件表面高质量和尺寸精确的重要保证。将其有针对性地装入到主轴中能够保持良好的循环性能，在这个基础上还可以通过使用相应的动力技术继续完善。对于夹紧盘有收缩夹紧盘和Rego-Fix的动力夹紧盘的变型。夹紧盘在系统中减少了刀具夹紧元件的数量，降低了系统中出现的循环误差或不平衡的可能性，在控制方面同样也注意到了这些。要在微型领域里生产出令人满意的零件，仅有很短的组合加工时间是不够的，应将更多的注意力放在调节参数上，如定位窗、滞后误差和轴的起振比等，这些参数对于零件的高度精确性和边缘的锋利性有着决定性的意义。由于任意平面的NC数据组大都是在CAM系统上生成的，并且由很短的线性程序段组成，所以要强制使用Look-ahead功能，这种功能在所有的重要控制中都进行了集成式的植入，但其功能却区别很大。如上所述，因为微型零件要求特别高的轮廓保真性和尺寸精密性，在使用Look-ahead功能时也必须保证，轨道的高速度不能成为零件轮廓保真性的负担。Heidenhain的CNC iTNC530能够满足这些要求。
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# O0 v* }; r# Q2 p8 f2 ~+ K图4 刀具夹具HSK F32在结构短、无直柄键槽、小锥度和支撑良好的基础上，
具有出色的动力质量和循环性能高度精确的夹紧系统
0 R) j7 Q% i" p! V通过查询轮廓误差的允许公差值，使操作者可以通过简单的方式适应机器粗加工和精加工的不同要求。建设微型化零件连续生产线的重要投资在于自动化更换零件功能（图5）。
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- q3 X* n  N) |' z图5 自动化装料加工中心适用于微型切削在很多情况下，通过多重夹紧装置已经可以做到机器无人操作运行，但在微型切削时还要为一些“特殊情况”费心，其前提条件是零件夹紧系统的精确性必须符合零件的要求。在加工和对更换托盘进行功能性清洁时要非常注意保护参考面和接触面的洁净，只有这样才能在实践中达到零件更换的准确性在2μm范围之内，这个值是加工安全的保证。
监控参考系统零点位置
参考系统零点位置要能够在生产过程中有规律地进行自动监控。对此带有IR数据传输的3D检测系统，能够用可换的零点标准进行有规律的监控，并且在出现偏差时中断生产。只有各方面都能最优化地组合并且发挥作用，才能保证一个功能可靠的生产系统。为了能够把优化的机器配置组合起来，Primacon采用了模件式生产，这样可以满足用户的个性化需求，而且可以顺利地找到合适的解决方案。因为单项选择是可以进行再次配置的，而且还可以在再次研发时更加注意其兼容性。
文章关键词： 切削、刀具