当前位置>网站首页>行业资讯  资讯详细

资讯详细信息
简析钛合金和铝合金数控加工机床发展对比
中国钛白粉网 时间:2015年10月22日 01点22分 信息来源:www.chinatio2.net

【中国钛白粉网讯】据悉,许多机床制造大型铝合金等轻金属hem-hsm介绍高效高速加工数控机床,如果是用于高温合金等高强度钢,不锈钢制品加工,钛和航空航天等难加工金属材料具有高强度和高硬度达到hem-hsm加工显然是不合适的,虽然它也可以被切割的硬质合金材料,但其切削效率往往是不可接受的。主要原因是:
  正如前面所提到的硬质合金材料,钛和其他处理需要较大的切削力,或需要高扭矩主轴,高效高速数控机床主轴通常用于铝等轻金属hem-hsm切削扭矩多数小于100nm,一般不超过200nm,没有硬质合金高效加工钛和能力材料切割。
  如前所述,加工钛合金等硬合金材通常仅允许使用较低切削速度,即仅能使用较低主轴转速,而典型用于铝合金等轻合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速数控机床主轴转速范围和目前钛合金材加工工艺要求不相适应。
  因此,对用于钛合金材HEM-HSM加工的数控加工机床结构、刚性、动态特性、主轴与坐标驱动、冷却系统、刀具与刀具接口以及控制系统等许多关键数控部件的设计制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。
  高刚性与高动态响应性
  由于加工钛合金等难加工材时需要高功率高转矩主轴,因而除要求主轴本身具有高刚性外,还要求机床应比加工铝合金材时具有更高的刚性(包括高静刚性、高动刚性和高热刚性)和更高动态响应性(高定位/重复定位精度、高进给速度和高加速度)。同时要求机床坐标轴驱动具有足够高的驱动力,特别对带旋转坐标轴时,要求旋转轴应能提供足够高的驱动转矩,一般要求不低于1,000Nm,典型为2,000~5,000Nm,对大重型机床甚至需要数千到20,000 Nm。
  高可靠刀具接口
  使用高功率高转矩主轴切削加工,则要求机床主轴刀具接口装置具有足够大的拉紧力和能传递大扭矩的能力。同时,为抑制低频加工振荡,也要求刀具接口装置具有高刚性。因而,钛合金材高效高速数控加工机床一般配置HSK~A100,典型为HSK~A125,甚至使用HSK~A160。
  高功率高转矩主轴
  从金属切削加工基本原理可知,对金属材铣削加工时有:mrr = aeapzfZ n×10-3 = PS×MRF(cm3/min) (1)
  从式(1)与(2)可看出,为取得高金属切除率mrr,作为钛合金材HEM-HSM加工的数控机床之主轴首先应具有足够高的功率。目前,对钛合金材(Ti-6-4)主轴功率指数SPF典型为0.06kW/cm3?min-1,为典型铝合金材的4倍。在实际工业生产中,综合考虑到刀具使用寿命、机床特性、加工精度和加工质量等诸多因素的约束,目前铣削钛合金材(Ti-6-4)所能取得的金属切除率mrr约40~700cm3/min(典型100~400cm3/min),仅为铝合金材的5~10%。因而,加工钛合金材时所需的主轴功率可能反而比加工铝合金材时低,尽管其SPF高于铝合金材。加工如钛合金材时主轴功率为22.5kW,而加工如铝合金材时主轴功率为70 kW比较合适的。目前,用于钛合金材零件HEM-HSM切削加工的数控MC机床,其典型主轴功率为30~60kW,并呈现出逐年提高的趋势,目前最高已超过100kW。
  同时,由式(3)可看出:对确定主轴功率,为取得大切削力(高转矩),则应采用较低主轴转速(较低切削速度),或说要求主轴能提供足够高的额定功率/转速比,通常要求大于0.1。这就要求作为钛合金材HEM-HSM加工的数控机床之主轴额定转矩应不低于1,000Nm数量级。主轴特性曲线趋势放大
  通常,对钛合金材HEM加工时要求主轴转速低于1,000 r/min,典型为200~400 r/min,要求主轴转矩300~1,500Nm;HSM加工时典型主轴转速为3,000~8,000r/min,典型转矩为80~250Nm。高效加工(HEM)新型钛合金材(Ti-5-5-5-3)或航空高温合金材则要使用更低主轴转速,甚至低于100r/min,要求主轴能提供更大转矩,甚至超过2,000~3,000Nm。右图给出了目前用于钛合金材HEM-HSM加工时较理想的主轴功率/转矩-转速特性曲线趋势。显然,这是一种高功率高转矩宽低转速调控的主轴特性曲线,和用于铝合金材HEM-HSM加工的高功率高转速宽转速调控的主轴特性曲线有明显不同。正因为这种明显差别,有人形象地将铝合金材HEM-HSM加工机床比喻为F1赛车,而将钛合金材HEM-HSM加工机床比喻为重型推土机。
  低频加工稳定性
  如前所述,高效率加工钛合金或航空高温合金等难加工材整体构件时,仅允许使用较低的切削速度,即较低的主轴转速(可低于100r/min)。因此,取得低频加工稳定性是用于钛合金等硬合金材切削加工之数控机床所必须满足的基本要求之一。
  众所周知,数控加工机床都存在有一自然频率(也称固有频率,或剪切频率,或共振频率)。典型数控加工机床其自然频率一般为低于350Hz。同时,构成数控机床各部件的自然频率也是不同的。一般认为机床床身自然频率约20 Hz,立柱约95 Hz,主轴约320 Hz。当加工零件时,等效于刀具刀刃在周期性地敲击机床某结构部件,当这种敲击频率接近机床某结构部件自然频率范围时,就可能激发刀具产生颤振,进而可能发生灾难性后果。因此,为避免或抑制产生这种振荡,就需要在机床设计阶段改变机床结构设计,比如加厚床身,使立柱设计得更坚固,增加部件质量并使连接更牢固等等。但对最终用户而言,则通常仅能通过改变切削加工参数来避免这种情况产生。
  不同数控机床和主轴装置,其自然频率点的范围也是有差异的。目前,一些机床制造商开发了一种抑制加工刀具振荡的新技术:有源阻尼系统(active damping),并已将之应用在钛合金材高效高速数控加工机床上以确保实现低频加工稳定性。有关有源阻尼系统技术后文将有进一步介绍。
  高压大流量冷却系统
  尽管应用高速切削加工可实现干切削或可采用MQL技术,使得数控加工机床配置液压冷却润滑系统目前成为一个有争议的技术问题。但是,为了有效提升设备加工生产率,延长设备与刀具使用寿命,改善零件加工质量,绝大多数高速数控机床仍设计配置有完善的液压冷却润滑液系统,特别是用于钛合金等难加工材结构件的HEM-HSM加工的高速数控MC机床,通常设计有高压大流量(High Pressure High Volume,HPHV)液压冷却润滑系统。HPHV系统一般包括直接贯通主轴/刀具高压冷却系统(High Pressure Through Coolant,HPTC),通过多个外部喷嘴喷射的外喷式切削刀具和工件的高压冷却系统,以保持主轴良好运行性能,快速冷却刀具工件和冲排切屑,提高零件加工质量,增加刀具使用寿命。高速数控加工机床液压冷却润滑系统典型为200~800psi(1.38~5.5MPa),25~80L/min。而采用HPHV冷却润滑系统的高效高速数控机床,要求大于720psi(5MPa),常用工业标准为 1,000~2,000psi(7~14MPa),当压力为1,000psi时,一般要求流量不低于30L/min(8glm)。限于篇幅,本文对此不作进一步分析
讨论。
  高装备与制造工艺融合集成性
  使用较低切削速度,就意味着加工钛合金材构件需要较长的加工周期。通常对钛合金Ti-6-4零件加工时间典型为普通钢零件的2~4倍,是典型铝合金材的10~12倍,而加工Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 和Ti-10V-2Fe-3Al 新型钛合金材零件一般又比加工Ti-6-4钛合金材要长一倍时间。这就导致钛合金材整体结构件切削加工生产率低,加工成本较高。因此,为提高钛合金材零件切削加工生产率,降低加工成本,适应批量定制生产,许多数控机床制造商将托盘化加工,或多主轴加工,或多工作台(区)加工,或铣车复合加工,或轻硬合金材复合加工等制造工艺技术融合集成在钛合金材高效高速数控加工机床上,以提高加工生产率,降低加工成本。

中国钛白粉网版权与责任申明:
    "秉承公平、互利的宣传原则,凡是源于本站的原创文章,请注明来源于“中国钛白粉网(www.chinatio2.net)”;为尊重原创者的劳动成果,本站文章中标有作者姓名的,外部网站共享时也需如实转载;违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。本网转载其它媒体作品时,其目的在于信息互通,并不代表本网站观点和立场,本网站不对其真实性负责。如果作品内容、版权和其它问题存在潜在纠纷或触碰相关法律条款,请速联系本网站,我们将第一时间做出修改,联系电话(021-32513560)。
资讯评论

发表评论

  • 留言内容:
  •   昵称:
  •   匿名发表
  •  验证码:

友情链接