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小直徑銑刀工具高速銑削加工的研究加 藤 榮 春 新 谷 弘 巖 田 一 夫 杉 田 宏 明機(jī) 械 工 程 系 金 澤 技 術(shù) 學(xué) 院日 本 921 8501 7 1 河 北 郡 津 幡 町 石 川日 本 愛 知 縣 442 8533 1 15 加 賀 市 OSG 公 司 豐 川摘要 最 近 人 們 對 部 分 小 型 便 攜 式 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn) 需 求 有 所 增 加 因 此 有 必 要 開 發(fā)一 種 微 型 機(jī) 床 使 高 速 切 削 成 為 可 能 使 用 裝 備 有 小 直 徑 銑 刀 的 高 速 切 削 機(jī) 床 可 以 高效 率 的 加 工 較 小 零 件 在 科 研 成 果 中 一 種 裝 備 了 小 直 徑 立 銑 刀 的 立 式 微 型 機(jī) 床 的 研 究 解 決 了 高 速 條 件 下 小 零 件 的 設(shè) 計 與 生 產(chǎn) 問 題 所 研 制 的 機(jī) 床 的 尺 寸 是 300mm 400mm 340mm 其 重 量 為 50KG 本 機(jī) 在 裝 配 了 1 7mm 直 徑 的 小 直 徑 立 銑 刀 時 其可 以 達(dá) 到 的 切 削 速 度 為 25 0m s 研 究 結(jié) 果 證 實 這 種 機(jī) 床 在 以 0 6 mRz 的 表 面 粗糙 度 加 工 零 件 時 其 加 工 速 度 可 達(dá) 25 0m s 通 過 加 工 速 度 達(dá) 到 25m s 的 微 型 機(jī) 床 與加 工 速 度 2 5m s 的 加 工 中 心 做 比 較 證 實 了 在 25 0m s 速 度 下 工 件 變 形 層 的 厚 度 為0 6 m 關(guān)鍵詞 立 式 微 型 機(jī) 床 小 直 徑 立 銑 刀 高 速 銑 削 加 工 形 變 層 厚 度 表 面 粗 糙 度 1 簡介 近 年 來 隨 著 消 費(fèi) 者 需 求 的 多 樣 化 產(chǎn) 品 種 類 和 數(shù) 量 的 頻 繁 變 化 使 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 變得 靈 活 多 變 1 2 因 此 不 僅 需 要 更 有 效 的 生 產(chǎn) 而 且 需 要 提 升 加 工 速 度 另 一方 面 就 是 人 們 對 毫 米 級 便 攜 式 產(chǎn) 品 的 需 求 增 加 此 外 人 們 對 產(chǎn) 品 的 小 型 化 輕 量化 和 實 用 性 的 要 求 有 所 提 升 3 4 因 此 必 須 要 提 高 加 工 的 效 率 和 精 度 來 應(yīng) 對 人 們對 小 型 化 產(chǎn) 品 的 大 量 需 求 這 也 使 研 發(fā) 一 種 高 精 度 小 型 化 的 機(jī) 床 成 為 必 然 然 而 當(dāng) 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 在 傳 統(tǒng) 的 主 軸 轉(zhuǎn) 速 約 為 4000 轉(zhuǎn) 分 鐘 的 高 速 機(jī) 床 上 加 工 小 型 產(chǎn)品 并 增 加 切 削 速 度 是 難 以 實 現(xiàn) 的 因 此 在 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 時 必 須 要 使 用 超 高 轉(zhuǎn) 速 的 主 軸 來 增 加 切 割 速 度 另 一 方 面 傳 統(tǒng) 機(jī) 床 的 重 大 缺 陷 就 是 尺 寸 大 能 源 利 用率 低 傳 統(tǒng) 高 速 機(jī) 床 的 加 工 范 圍 遠(yuǎn) 大 于 小 產(chǎn) 品 的 需 求 此 外 傳 統(tǒng) 機(jī) 床 的 主 軸 及 其他 機(jī) 械 元 件 都 相 當(dāng) 之 大 耗 費(fèi) 能 量 也 相 當(dāng) 之 多 因 此 研 究 一 種 裝 備 了 小 直 徑 立 銑刀 的 立 式 微 型 機(jī) 床 用 來 實 現(xiàn) 高 速 加 工 和 節(jié) 約 能 源 尤 為 重 要 5 在 這 項 研 究 中 立 式 微 型 機(jī) 床 的 設(shè) 計 與 制 作 可 以 實 現(xiàn) 高 速 切 削 加 工 和 節(jié) 約 能 源 它 讓 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 加 工 小 型 零 件 成 為 可 能 表1 微型機(jī)床說明書 圖1 微型機(jī)床照片 圖2 主體照片2 微型機(jī)床規(guī)格表 1 為 立 式 微 型 機(jī) 床 的 規(guī) 格 為 了 減 輕 其 重 量 在 車 床 支 架 材 料 中 采 用 了 基陶 瓷 材 料 所 用 的 材 料 是 鑄 鐵 比 重 的 一 半 此 外 它 的 優(yōu) 點 很 多 擁 有 普 通 材 料 雙倍 的 抗 拉 強(qiáng) 度 約 為 3倍 的 楊 氏 模 量 和 低 1 3的 線 性 膨 脹 系 數(shù) 6 機(jī) 器 重 量 為 50kg 機(jī) 器 的 尺 寸 是 300 400 342mm 雙 風(fēng) 水 輪 機(jī) 主 軸 類 型 A 型 轉(zhuǎn) 數(shù) 320000 轉(zhuǎn) min和 B型 200000 轉(zhuǎn) min 可 以 使 用 直 徑 較 小 的 刀 具 以 實 現(xiàn) 高 速 切 割 軸 又 輕 又 材 質(zhì) 材 質(zhì) Si N 陶 瓷機(jī) 器 尺 寸 x y z 300 400 342mm機(jī) 器 重 量 50kg規(guī) 格 驅(qū) 動 方 法 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動全 行 程 X 50mm Y 50mm Z 16mm分 辨 率 0 1 m主 軸 主 軸 空 氣 渦 輪 主 軸旋 轉(zhuǎn) 數(shù) 320000 轉(zhuǎn) 分 鐘 小 可 在 無 潤 滑 油 條 件 下 使 用 因 此 主 軸 冷 卻 系 統(tǒng) 是 沒 有 必 要 的 空 氣 渦 輪 主 軸采 用 100V 壓 縮 機(jī) 來 壓 縮 空 氣 X軸 和 Y軸 采 用 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動 精 確 到 0 1 m 的 定位 可 加 工 高 精 度 的 小 工 件 X軸 y 軸 和 z 軸 的 長 度 分 別 為 50mm 50mm 和 16mm 微 型 機(jī) 床 安 裝 在 一 個 盒 子 里 用 來 控 制 加 工 期 間 產(chǎn) 生 的 氣 體 圖 1 為 上 述 規(guī) 格 的 微 型 機(jī) 床 的 示 意 圖 利 用 個 人 計 算 機(jī) 進(jìn) 行 了 主 軸 控 制 單 元 的控 制 圖 2顯 示 了 主 體 結(jié) 構(gòu) 空 氣 渦 輪 軸 已 手 動 安 裝 在 z 軸 上 實 現(xiàn) 了 精 度 達(dá) 到 0 5微 米 圖 中 的 箭 頭 顯 示 每 個 鍵 的 傳 遞 方 向 軸 圖 3 顯 示 控 制 系 統(tǒng) 的 X 軸 和 Y 軸 控制 單 元 采 用 一 個 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 利 用 高 定 位 精 度 位 置 實 現(xiàn) 了 速 度 和 電 流 的 反 饋 機(jī) 制 個人 電 腦 程 序 使 用 直 觀 視 覺 進(jìn) 行 定 位 如 圖 4 所 示 為 電 能 消 耗 顯 示 了 微 型 機(jī) 床 和 現(xiàn)有 的 高 速 加 工 中 心 M C 之 間 的 比 較 該 設(shè) 備 的 電 力 消 耗 僅 為 M C 的 十 分 之 一 確 定 了 微 型 機(jī) 床 在 能 源 效 率 上 的 優(yōu) 越 性 圖3 微型機(jī)床控制系統(tǒng)示意說明 圖4 微型機(jī)床與加工中心耗電量比較 圖5 路程與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系 圖6 X軸與 Y軸的微小影響 3 微型機(jī)床制造的基礎(chǔ)3 1 空氣渦輪機(jī)軸的特征空 氣 渦 輪 主 軸 可 以 實 現(xiàn) 高 轉(zhuǎn) 速 但 它 低 扭 矩 低 在 這 部 分 研 究 了 空 氣 渦 輪 主 軸的 受 力 對 其 轉(zhuǎn) 數(shù) 的 影 響 在 主 軸 上 安 裝 了 測 試 棒 將 負(fù) 載 添 加 到 測 試 棒 的 頂 端 長度 9毫 米 直 徑 1 7 毫 米 使 主 軸 在 水 平 方 向 旋 轉(zhuǎn) 使 用 激 光 轉(zhuǎn) 速 表 測 量 旋 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 數(shù) 圖 5顯 示 了 主 軸 轉(zhuǎn) 速 的 測 量 結(jié) 果 A和 B 在 這 個 圖 里 兩 軸 旋 轉(zhuǎn) 數(shù) 量 直 線 下 降 增 加 負(fù)載 可 以 看 出 在 主 軸 以 25m s 的 速 度 移 動 并 施 加 水 平 負(fù) 載 0 3 牛 的 情 況 下 轉(zhuǎn) 速 為320000 轉(zhuǎn) 分 在 主 軸 以 16 7m s 的 速 度 移 動 并 施 加 水 平 負(fù) 載 0 6 牛 的 情 況 下 轉(zhuǎn)速 為 200000 轉(zhuǎn) 分 3 2x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸的定位在 微 型 機(jī) 床 的 x 軸 和 y 軸 是 用 直 線 電 機(jī) 驅(qū) 動 兩 軸 的 定 位 精 度 檢 查 的 方 式 是 每次 以 40mm 5 m s的 速 度 進(jìn) 給 分 3次 完 成 的 命 令 的 定 位 精 度 是 使 用 位 移 傳 感器 測 量 激 光 打 出 的 10 納 米 得 光 得 到 的 對 兩 軸 分 析 的 結(jié) 果 如 圖 6所 示 在 圖 中 很 明顯 看 出 兩 軸 有 準(zhǔn) 確 的 輸 入 值 然 而 能 夠 證 實 瞬 態(tài) 特 點 存 在 于 X 軸 從 Y 軸 到 X軸 存 在 一 個 有 Y 軸 方 向 的 質(zhì) 量 4 5千 克 產(chǎn) 生 的 慣 性 力 3 3 機(jī)架的特點我 們 需 要 測 量 固 有 頻 率 阻 尼 比 并 檢 查 弱 化 特 征 框 架 7 圖 7 為 振 動 測 量 設(shè) 備的 示 意 圖 和 實 驗 方 法 用 壓 電 加 速 度 傳 感 器 檢 測 到 的 機(jī) 架 震 動 是 由 z 軸 的 上 部 框 架 產(chǎn) 生 的 其 輸 出 值 是 通 過 放 大 器 快 速 輸 入 到 傅 立 葉 變 換 FFT 分 析 器 可 以 得 到 固有 頻 率 和 阻 尼 比 表 2 很 直 觀 的 顯 示 了 x 軸 和 y 軸 方 向 上 頻 率 和 阻 尼 比 的 測 量 結(jié) 果 在 表 中 證 實 x 軸 的 固 有 頻 率 525 赫 茲 Y 軸 的 固 有 頻 率 是 532 赫 茲 從 結(jié) 果 中 可 以看 出 機(jī) 架 震 動 的 固 有 頻 率 約 為 530 赫 茲 這 臺 機(jī) 器 的 阻 尼 比 是 0 119 空 氣 汽 輪機(jī) 主 軸 的 頻 率 是 5333 和 3333 赫 茲 從 測 量 結(jié) 果 可 以 看 出 微 型 機(jī) 床 的 固 有 頻 率 并沒 有 產(chǎn) 生 共 鳴 圖7 實驗方式和震動測量裝置 表2 阻尼測量結(jié)果表3 化學(xué)成分和 S45C的布氏硬度化 學(xué) 成 分 含 量 布 氏 硬 度C Si Mn P S Fe0 45 0 29 0 71 0 027 0 018 剩 余 部 分 180 圖8 主要工件的圍觀顯示 圖9 刀具的幾何結(jié)構(gòu) 3 的硝酸酒精溶液處理 60秒 4 使用小端銑刀高速加工工具的優(yōu)勢4 1實驗的過程 影 響方 向 測 量 項 目 測 量 結(jié) 果X 軸 自 然 頻 率 n 525Hz相 位 120 度Y 軸 自 然 頻 率 n 532Hz相 位 49 度阻 尼 比 0 119 我 們 采 用 的 工 件 材 料 是 碳 鋼 JIS S45C 工 件 材 料 經(jīng) 過 退 火 表 3 顯 示 了 工 件材 料 的 化 學(xué) 成 分 和 布 氏 硬 度 圖 8 所 示 位 這 種 材 料 的 微 觀 結(jié) 構(gòu) 工 件 材 料 的 幾 何 形狀 是 15 10 20 毫 米 矩 形 管 使 用 A 鈦 鋁 N 涂 層 的 雙 槽 小 立 銑 刀 工 具 基 板材 料 為 硬 質(zhì) 合 金 涂 層 厚 度 約 為 3 0 m 圖 9 顯 示 了 刀 具 的 幾 何 形 狀 圖 10 顯 示了 小 端 銑 刀 工 具 的 尖 端 切 削 刃 實 際 的 使 用 的 是 螺 旋 端 銑 刀 刀 具 其 角 度 大 約 為 零 度 左 右 刀 補(bǔ) 大 約 為 50 m 圖10 微型銑刀的切割邊緣 圖11 切割長度和表面粗糙度的關(guān)系 圖12 多個切割速度下工件表面的比較在 銑 削 實 驗 中 優(yōu) 良 的 切 削 條 件 如 下 在 實 驗 中 進(jìn) 給 速 度 SZ 為 4 3 m 齒 軸 向 切 削 深 度 AA 為 50微 米 切 割 的 徑 向 深 度 AR 30 微 米 切 割 速 度 V 為 2 5 米 秒 16 7米 秒 和 25 0米 秒 為 了 檢 查 切 削 速 度 對 切 削 性 的 影 響我 們 采 用 了 三 種 類 型 的 主 軸 由 于 每 個 刀 刃 的 旋 轉(zhuǎn) 數(shù) 不 能 自 由 地 控 制 使 用 一 個320 000轉(zhuǎn) min 的 空 氣 渦 輪 軸 A型 200 000 轉(zhuǎn) min的 空 氣 渦 輪 主 軸 B 型 和 30000 轉(zhuǎn) min 的 直 流 電 動 機(jī) 主 軸 C 型 采 用 給 切 割 點 施 加 0 2MPa 的 壓 力 和 干 燥空 氣 的 切 割 方 法 使 用 電 子 顯 微 鏡 和 藍(lán) 色 激 光 顯 微 鏡 進(jìn) 行 機(jī) 加 工 的 表 面 的 觀 察 4 2實驗結(jié)果與討論對 小 立 銑 刀 工 具 S45C 在 高 速 加 工 時 的 優(yōu) 勢 進(jìn) 行 了 研 究 圖 11 看 出 了 在 幾 個 切割 速 度 下 切 削 面 所 增 加 的 的 最 大 高 度 變 化 在 該 圖 中 給 分 散 性 和 表 面 的 平 均 粗 糙 度做 出 標(biāo) 記 在 高 速 切 割 時 切 割 面 的 最 大 高 度 增 量 維 持 在 2 m 檢 測 到 的 數(shù) 值 分 散性 較 小 相 反 可 以 很 明 顯 的 看 出 波 動 和 分 散 在 低 切 削 速 度 下 非 常 大 圖 12 比 較 了幾 個 用 于 加 工 表 面 的 切 割 速 度 可 觀 測 到 加 工 表 面 切 削 速 度 最 低 2 5 米 秒 產(chǎn) 生 了撕 裂 部 分 在 高 切 削 速 度 16 7米 s和 25 0米 秒 即 使 切 割 距 離 增 加 有 人 沒 有 觀 察 到 撕 裂 部 分 從 主 軸 偏 轉(zhuǎn) 的 測 量 結(jié) 果 看 出 使 用 的 直 流 電 動 機(jī) 主 軸 在 低 切 削 速度 下 的 偏 轉(zhuǎn) 約 為 9 微 米 這 結(jié) 果 在 與 使 用 空 氣 渦 輪 轉(zhuǎn) 軸 時 相 差 較 大 因 此 類 似 的 實驗 試 圖 顯 示 了 使 用 現(xiàn) 有 的 高 速 加 工 中 心 偏 轉(zhuǎn) 圍 1 0 m 和 使 用 直 流 電 機(jī) 主 軸 獲 得 的結(jié) 果 是 一 樣 的 接 著 在 兩 個 切 割 速 度 2 5米 秒 和 25 0米 秒 下 對 加 工 表 面 上 方 的 變 形 層進(jìn) 行 了 觀 察 圖 13顯 示 了 用 3 的 硝 酸 和 酒 精 溶 液 蝕 刻 后 的 切 削 面 在 不 同 切 削 速 度時 的 比 較 如 在 圖 中 可 以 確 認(rèn) 在 變 形 層 厚 度 為 1 3 m 時 切 削 速 度 約 為 2 5 米 秒 在 變 形 層 厚 度 為 0 6 微 米 時 的 切 削 速 度 約 為 25 0 米 秒 因 此 得 出 在 高 速 切 削 的 情況 下 可 以 減 少 變 形 層 的 厚 度 以 提 高 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 方 面 具 有 優(yōu) 越 性 圖 14 顯 示 了 切 削 屑 圖132 5m s和 25m s形變層的比較 圖14Ln 10m時 2 5m s和 25m s 3 的硝酸酒精溶液處理60 秒 切削屑的比較 3 的硝酸酒精溶液處理 60秒 厚 度 隨 切 削 速 度 增 大 而 減 小 隨 著 切 削 速 度 降 低 大 約 一 半 證 實 切 削 屑 的 塑 性 流 動 角度 減 少 因 此 減 小 高 速 切 削 的 切 削 深 度 并 使 用 直 徑 較 小 的 刀 具 可 以 提 高 加 工 表 面 精 度 因 此 可 以 預(yù) 期 高 速 加 工 使 用 小 直 徑 立 銑 刀 工 具 的 優(yōu) 勢 5 結(jié)論通 過 對 安 裝 了 高 速 小 端 面 銑 刀 的 微 型 機(jī) 床 的 研 究 設(shè) 計 和 生 產(chǎn) 實 現(xiàn) 了 提 高 工 效和 節(jié) 省 能 源 所 得 到 的 結(jié) 果 如 下 1 立 式 微 型 機(jī) 床 設(shè) 計 該 機(jī) 床 是 由 空 氣 渦 輪 主 軸 320000轉(zhuǎn) 分 鐘 型 或 200000轉(zhuǎn) 分 型 基 于 定 位 精 度 為 0 1 m 的 氮 化 硅 陶 瓷 框 架 和 一 個 線 性 馬 達(dá) 組 成 的 2 該 機(jī) 床 的 功 耗 僅 為 現(xiàn) 有 的 高 速 加 工 中 心 的 1 10 3 證 實 了 320000 轉(zhuǎn) 分 鐘 的 主 軸 可 以 在 25 0 米 秒 的 高 速 和 0 3N 的 水 平 載 荷下 使 用 4 該 微 型 機(jī) 床 阻 尼 比 為 0 119 固 有 頻 率 為 530Hz 5 可 以 保 持 表 面 粗 糙 度 2 0 mRz 較 高 的 切 削 速 度 25 0m s 和 在 較 長 切 削長 度 下 切 確 的 數(shù) 值 分 散 性 較 小 在 這 些 條 件 下 獲 得 無 撕 裂 部 件 的 加 工 面 6 變 形 層 厚 度 在 2 5 米 秒 切 削 速 度 下 約 為 1 3 微 米 在 25 米 秒 的 切 割 速 度下 約 為 0 6 微 米 7 切 削 屑 的 塑 性 流 動 角 在 高 切 削 速 度 降 低 25m s 參考文獻(xiàn) 1 KA KINO Y IHA RA Y MORIGUCHI H et al High speed Machining Technologiesfor A gile Manufacturing IMS 2001 89 92 in Japanese 2 IDETA M FUKUSHIGE M et al Toyota Tech Rev 1995 45 1 92 97 in Japanese 3 JA MES M Miniaturization Tech Pap Soc Manuf Eng 1999 1 64 REDFORD A Small Parts Feeding A ssem A utom 1999 11 4 8 115 A SA DA N KURIHA RA G MORITA N et al Development of Numerical ControlledMicro Milling Machine Micro Cube j of JSA T 2003 47 7 373 378 in Japanese 6 MISHIMA N Characteristics of Materials for Machine Tool Structure 1 streport Purpose of the Study and Damping Characteristics Report ofMechanical Engineering Laboratory 1995 49 5 193 200 in Japanese 7 ISO 10791 2 Test conditions for machining centers Part2 Geometric testsfor machines with vertical spindle or universal heads with vertical primaryrotary axis vertical Z axis 2001