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 機械工程系，金澤技術(shù)學(xué)院 日本 ， 9217北郡，津幡町，石川 日本 ，愛知縣， 442賀市， 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。所研制的機床的尺寸是 30000340重量為 50機在裝配了 徑的小直徑立銑刀時其可以達到的切削速度為 s。研究結(jié)果證實，這種機床在以 表面粗糙度加工零件時，其加工速度可達 s。通過加工速度達到 25m/s 的微型機床與加工速度 s 的加工中心做比較，證實了在 s 關(guān)鍵詞 ： 立式微型機床；小直徑立銑刀；高速銑削加工；形變層厚度；表面粗糙度。 近年來，隨著消費者需求的多樣化，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 12。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 34。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床成為必然。然而，當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)機床的重大缺陷就是 尺寸大、能源利用率低。傳統(tǒng)高速機床的加工范圍遠大于小產(chǎn)品的需求。此外，傳統(tǒng)機床的主軸及其他機械元件都相當之大，耗費能量也相當之多。因此，研究一種裝備了小直徑立銑刀的立式微型機床用來實現(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 微型機床說明書 圖 1 微型機床照片 圖 2 主體照片 表 1 為立式微型機床的規(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度、約 為 3倍的楊氏模量和低 1/3的線性膨脹系數(shù) 6。機器重量為 50器的尺寸是 300 400 342雙風水輪機主軸（類型： A 型：轉(zhuǎn)數(shù) 320000 轉(zhuǎn)/ B 型： 200000 轉(zhuǎn) /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) 陶瓷 機器尺寸（ x*y*z） 300 400 342器重量 50格 驅(qū)動方法 直線電機驅(qū)動 全行 程 X： 50Y： 50Z： 16辨率 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 壓縮機來壓縮空氣。 X 軸和 Y 軸采用直線電機驅(qū)動，精確到 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 50,50 16 微型機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)格的微型機床的示意圖。利用個人計算機進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)了精度達到 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?？刂茊卧捎靡粋€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制。個人電腦程序使用直觀視覺進行定位。如圖 4 所示為電能消耗，顯示了微型機床和現(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 。確定了微型機床在能源效率上的優(yōu)越性。 圖 3 微型機床控制系統(tǒng)示意說明 圖 4 微型機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 微型機床制造的基礎(chǔ) 氣渦輪機軸的特征 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，將負載添加到測試棒的頂端 (長度 :9 毫米 ,直徑 :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 兩軸旋轉(zhuǎn)數(shù)量直線下降 ,增加負載 ,可以看出在主軸以 25m/s 的速度移動并施加水平負載 的情況下，轉(zhuǎn)速為320000 轉(zhuǎn) /分；在主軸以 s 的速度移動并施加水平負載 的情況下，轉(zhuǎn)速為 200000 轉(zhuǎn) /分。 3.2 x 坐標軸和 y 坐標軸的定位 在微型機床的 x 軸和 y 軸是用直線電機驅(qū)動。兩軸的定位精度檢查的方式是每次以（ 405 m） /s 的速度進給分 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 軸方向的質(zhì)量（ 克）產(chǎn)生的慣性力。 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（ 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，機架震動的固有頻率約為 530 赫茲。這臺機器的阻尼比是 氣汽輪機主軸的頻率是 5333 和 3333 赫茲 ,，從測量結(jié)果可以看出，微型機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 布氏硬度 化學(xué)成分 含量 % 布氏硬度 C n P S 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) 影響 方向 測量項目 測量結(jié)果 X 軸 自然頻率 n 525位 Y 軸 自然頻率 n 532位 49 度 阻尼比 （ 3%的硝酸酒精溶 液處理 60 秒） 驗的過程 我們采用的工件材料是碳鋼 (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 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，左右刀補大約為 50m。 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：在實驗中進給速度（ ： m/齒，軸向切削深度（ ： 50 微米，切割的徑向深度（ 30 微米，切割速度（ V）為： /秒， /秒和 /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) /空氣渦輪軸（ A 型）、 200,000 轉(zhuǎn) /空氣渦輪主軸（ B 型）和30000 轉(zhuǎn) /直流電動機主軸（ C 型）。采用給切割點施加 壓力和干燥空氣的切割方法。使用電子顯微鏡和藍色激光顯微鏡進行機加工的表面的觀察。 驗結(jié)果與討論 對小立銑刀工具 高速加工時的優(yōu)勢進行了研究。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 ( /秒 )產(chǎn)生了撕裂部分。 在高切削速度（ / s 和 /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 :使用直流電機主軸獲得的結(jié)果是一樣的。 接著，在兩個切割速度（ /秒和 /秒）下對 加工表面上方的變形層進行了觀察。 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，在變形層厚度為 m 時切削速度約為 /秒；在變形層厚度為 米時的切削速度約為 /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 13 s 和 25m/s 形變層的比較 圖 14 0m 時 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）立式微型機床設(shè)計，該機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 m 的氮化硅陶瓷框架和一個線性馬達組成的。 2）該機床的功耗僅為現(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 / 秒的高速和 水平載荷下使用。 4）該微型機床阻尼比為 有頻率為 530 5）可以保持表面粗糙度 高的切削速度（ s）和在較