外文翻译--小直径铣刀工具高速铣削加工的研究 中文版

小直径铣刀工具高速铣削加工的研究加藤荣春，新谷弘，岩田一夫，杉田宏明机械工程系，金泽技术学院日本，921-8501，7-1河北郡，津幡町，石川日本，爱知县，442-8533,1-15加贺市，OSG公司，丰川 摘要：最近，人们对部分小型便携式产品的生产需求有所增加。因此，有必要开发一种微型机床使高速切削成为可能。使用装备有小直径铣刀的高速切削机床可以高效率的加工较小零件。在科研成果中，一种装备了小直径立铣刀的立式微型机床的研究解决了高速条件下小零件的设计与生产问题。所研制的机床的尺寸是300mm×400mm×340mm，其重量为50KG。本机在装配了1.7mm直径的小直径立铣刀时其可以达到的切削速度为25.0m/s。研究结果证实，这种机床在以0.6mRz的表面粗糙度加工零件时，其加工速度可达25.0m/s。通过加工速度达到25m/s的微型机床与加工速度2.5m/s的加工中心做比较，证实了在25.0m/s速度下工件变形层的厚度为0.6µm。关键词：立式微型机床；小直径立铣刀；高速铣削加工；形变层厚度；表面粗糙度。1.简介 近年来，随着消费者需求的多样化，产品种类和数量的频繁变化使生产系统变得灵活多变12。因此，不仅需要更有效的生产，而且需要提升加工速度。另一方面就是人们对毫米级便携式产品的需求增加。此外，人们对产品的小型化、轻量化和实用性的要求有所提升34。因此必须要提高加工的效率和精度来应对人们对小型化产品的大量需求。这也使研发一种高精度小型化的机床成为必然。然而，当使用小直径立铣刀在传统的主轴转速约为4000转/分钟的高速机床上加工小型产品并增加切削速度是难以实现的。因此，在使用小直径立铣刀时必须要使用超高转速的主轴来增加切割速度。另一方面，传统机床的重大缺陷就是尺寸大、能源利用率低。传统高速机床的加工范围远大于小产品的需求。此外，传统机床的主轴及其他机械元件都相当之大，耗费能量也相当之多。因此，研究一种装备了小直径立铣刀的立式微型机床用来实现高速加工和节约能源尤为重要5。 在这项研究中，立式微型机床的设计与制作可以实现高速切削加工和节约能源。它让使用小直径立铣刀加工小型零件成为可能。表1 微型机床说明书材质材质Si N 陶瓷机器尺寸（x*y*z）300×400×342mm机器重量50kg规格驱动方法直线电机驱动全行程X：50mm，Y：50mm，Z：16mm分辨率0.1µm主轴主轴空气涡轮主轴旋转数320000转/分钟 图1 微型机床照片 图2 主体照片2. 微型机床规格表1为立式微型机床的规格。为了减轻其重量，在车床支架材料中采用了基陶瓷材料 ，所用的材料是铸铁比重的一半。此外，它的优点很多，拥有普通材料双倍的抗拉强度、约为3倍的杨氏模量和低1/3的线性膨胀系数6。机器重量为50kg，机器的尺寸是300×400×342mm。双风水轮机主轴（类型：A型：转数320000转/min和B型：200000转/min）可以使用直径较小的刀具以实现高速切割，轴又轻又小，可在无润滑油条件下使用。因此，主轴冷却系统是没有必要的，空气涡轮主轴采用100V压缩机来压缩空气。X轴和Y轴采用直线电机驱动，精确到0.1µm的定位可加工高精度的小工件。X轴、y轴和z轴的长度分别为50mm，,50mm,和16mm。微型机床安装在一个盒子里，用来控制加工期间产生的气体。图1为上述规格的微型机床的示意图。利用个人计算机进行了主轴控制单元的控制。图2显示了主体结构。空气涡轮轴已手动安装在z轴上，实现了精度达到0.5微米。图中的箭头显示每个键的传递方向轴。图3显示控制系统的X轴和Y轴。控制单元采用一个闭环系统。利用高定位精度位置实现了速度和电流的反馈机制。个人电脑程序使用直观视觉进行定位。如图4所示为电能消耗，显示了微型机床和现有的高速加工中心（M/C）之间的比较，该设备的电力消耗仅为（M/C）的十分之一。确定了微型机床在能源效率上的优越性。 图3 微型机床控制系统示意说明 图4 微型机床与加工中心耗电量比较 图5 路程与转数关系 图6 X轴与Y轴的微小影响 3 微型机床制造的基础3.1 空气涡轮机轴的特征 空气涡轮主轴可以实现高转速，但它低扭矩低。在这部分,研究了空气涡轮主轴的受力对其转数的影响。在主轴上安装了测试棒，将负载添加到测试棒的顶端(长度:9毫米,直径:1.7毫米)使主轴在水平方向旋转。使用激光转速表测量旋转的转数,图5显示了主轴转速的测量结果A和B.在这个图里,两轴旋转数量直线下降,增加负载,可以看出在主轴以25m/s的速度移动并施加水平负载0.3牛的情况下，转速为320000转/分；在主轴以16.7m/s的速度移动并施加水平负载0.6牛的情况下，转速为200000转/分。3.2 x坐标轴和y坐标轴的定位 在微型机床的x轴和y轴是用直线电机驱动。两轴的定位精度检查的方式是每次以（40mm±5m）/s的速度进给分3次完成的。命令的定位精度是使用位移传感器测量激光打出的10纳米得光得到的。对两轴分析的结果如图6所示。在图中很明显看出,两轴有准确的输入值。然而能够证实，瞬态特点存在于X轴。从Y轴到X轴存在一个有Y轴方向的质量（4.5千克）产生的惯性力。3.3 机架的特点我们需要测量固有频率、阻尼比并检查弱化特征框架7。图7为振动测量设备的示意图和实验方法，用压电加速度传感器检测到的机架震动是由z轴的上部框架产生的，其输出值是通过放大器快速输入到傅立叶变换（FFT）分析器，可以得到固有频率和阻尼比。表2很直观的显示了x轴和y轴方向上频率和阻尼比的测量结果。在表中证实，x轴的固有频率525赫兹Y轴的固有频率是532赫兹。从结果中可以看出，机架震动的固有频率约为530赫兹。这台机器的阻尼比是0.119。空气汽轮机主轴的频率是5333和3333赫兹,，从测量结果可以看出，微型机床的固有频率并没有产生共鸣。影响方向测量项目测量结果X轴自然频率n525Hz相位-120度Y轴自然频率n532Hz相位49度阻尼比0.119 图7 实验方式和震动测量装置 表2 阻尼测量结果 表3 化学成分和S45C的布氏硬度化学成分 含量%布氏硬度CSiMnPSFe0.450.290.710.0270.018剩余部分180 图8 主要工件的围观显示 图9 刀具的几何结构 （3%的硝酸酒精溶液处理60秒）4.使用小端铣刀高速加工工具的优势4.1实验的过程 我们采用的工件材料是碳钢(JIS-S45C)，工件材料经过退火。表3显示了工件材料的化学成分和布氏硬度。图8所示位这种材料的微观结构。工件材料的几何形状是15×10×20毫米矩形管。使用A（钛，铝）N涂层的双槽小立铣刀工具。基板材料为硬质合金，涂层厚度约为3.0µm，图9 显示了刀具的几何形状。图10显示了小端铣刀工具的尖端切削刃。实际的使用的是螺旋端铣刀刀具其角度大约为零度，左右刀补大约为50µm。 图10 微型铣刀的切割边缘 图11 切割长度和表面粗糙度的关系 图12 多个切割速度下工件表面的比较 在铣削实验中，优良的切削条件如下：在实验中进给速度（SZ）为：4.3m/齿，轴向切削深度（AA）为：50微米，切割的径向深度（AR）：30微米，切割速度（V）为：2.5米/秒，16.7米/秒和25.0米/秒。为了检查切削速度对切削性的影响我们采用了三种类型的主轴，由于每个刀刃的旋转数不能自由地控制，使用一个320,000转/min的空气涡轮轴（A型）、200,000转/min的空气涡轮主轴（B型）和30000转/min的直流电动机主轴（C型）。采用给切割点施加0.2MPa的压力和干燥空气的切割方法。使用电子显微镜和蓝色激光显微镜进行机加工的表面的观察。4.2实验结果与讨论 对小立铣刀工具S45C在高速加工时的优势进行了研究。图11看出了在几个切割速度下切削面所增加的的最大高度变化。在该图中给分散性和表面的平均粗糙度做出标记。在高速切割时，切割面的最大高度增量维持在2m，检测到的数值分散性较小。相反可以很明显的看出，波动和分散在低切削速度下非常大。图12比较了几个用于加工表面的切割速度。可观测到加工表面切削速度最低(2.5米/秒)产生了撕裂部分。在高切削速度（16.7米/ s和25.0米/秒），即使切割距离增加有人没有观察到撕裂部分。从主轴偏转的测量结果看出，使用的直流电动机主轴在低切削速度下的偏转约为9微米。这结果在与使用空气涡轮转轴时相差较大。因此,类似的实验试图显示了使用现有的高速加工中心(偏转围:1.0µm)和使用直流电机主轴获得的结果是一样的。接着，在两个切割速度（2.5米/秒和25.0米/秒）下对加工表面上方的变形层进行了观察。图13显示了用3的硝酸和酒精溶液蚀刻后的切削面在不同切削速度时的比较，如在图中可以确认，在变形层厚度为1.3m时切削速度约为2.5米/秒；在变形层厚度为0.6微米时的切削速度约为25.0米/秒。因此得出在高速切削的情况下可以减少变形层的厚度，以提高产品质量方面具有优越性。图14显示了切削屑 图13 2.5m/s和25m/s形变层的比较 图14 Ln=10m时 2.5m/s和25m/s （3%的硝酸酒精溶液处理60秒） 切削屑的比较（3%的硝酸酒精溶液处理60 秒） 厚度随切削速度增大而减小。随着切削速度降低大约一半,证实切削屑的塑性流动角度减少。因此,减小高速切削的切削深度并使用直径较小的刀具可以提高加工表面精度。因此，可以预期高速加工使用小直径立铣刀工具的优势。5、结论通过对安装了高速小端面铣刀的微型机床的研究、设计和生产,实现了提高工效和节省能源。所得到的结果如下： 1）立式微型机床设计，该机床是由空气涡轮主轴（320000转/分钟型或200000转/分型）、基于定位精度为0.1m的氮化硅陶瓷框架和一个线性马达组成的。2）该机床的功耗仅为现有的高速加工中心的1/10。3）证实了320000转/分钟的主轴可以在25.0米/ 秒的高速和0.3N的水平载荷下使用。4）该微型机床阻尼比为0.119、固有频率为530Hz。5）可以保持表面粗糙度2.0mRz、较高的切削速度（25.0m/s）和在较长切削长度下切确的数值分散性较小。在这些条件下，获得无撕裂部件的加工面。6）变形层厚度在2.5米/秒切削速度下约为1.3微米；在25米/秒的切割速