外文翻譯--小直徑銑刀工具高速銑削加工的研究 中文版

1、<p>　　小直徑銑刀工具高速銑削加工的研究</p><p>　　加藤榮春，新谷弘，巖田一夫，杉田宏明</p><p>　　機(jī)械工程系，金澤技術(shù)學(xué)院</p><p>　　日本，921-8501，7-1河北郡，津幡町，石川</p><p>　　日本，愛知縣，442-8533,1-15加賀市，OSG公司，豐川</p>&l

2、t;p>　　摘要：最近，人們對(duì)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(jì)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(shí)其可以達(dá)到的切削速度為25

3、.0m/s。研究結(jié)果證實(shí)，這種機(jī)床在以0.6μmRz的表面粗糙度加工零件時(shí)，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(shí)了在25.0m/s速度下工件變形層的厚度為0.6µm。</p><p>　　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。</p><p><b>　　1.簡(jiǎn)

4、介</b></p><p>　　近年來(lái)，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(duì)毫米級(jí)便攜式產(chǎn)品的需求增加。此外，人們對(duì)產(chǎn)品的小型化、輕量化和實(shí)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(lái)應(yīng)對(duì)人們對(duì)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

5、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(shí)現(xiàn)的。因此，在使用小直徑立銑刀時(shí)必須要使用超高轉(zhuǎn)速的主軸來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)高速加工和節(jié)約能源尤為重要[5]。</p>

6、<p>　　在這項(xiàng)研究中，立式微型機(jī)床的設(shè)計(jì)與制作可以實(shí)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。</p><p>　　表1 微型機(jī)床說(shuō)明書</p><p>　　圖1 微型機(jī)床照片 圖2 主體照片</p><p><b>　　微型機(jī)床規(guī)格</b>&l

7、t;/p><p>　　表1為立式微型機(jī)床的規(guī)格。①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(diǎn)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。②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

8、實(shí)現(xiàn)高速切割，軸又輕又小，可在無(wú)潤(rùn)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(lái)壓縮空氣。③X軸和Y軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精確到0.1µm的定位可加工高精度的小工件。X軸、y軸和z軸的長(zhǎng)度分別為50mm，,50mm,和16mm。④微型機(jī)床安裝在一個(gè)盒子里，用來(lái)控制加工期間產(chǎn)生的氣體。</p><p>　　圖1為上述規(guī)格的微型機(jī)床的示意圖。利用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行了主軸控制單元的

9、控制。圖2顯示了主體結(jié)構(gòu)?？諝鉁u輪軸已手動(dòng)安裝在z軸上，實(shí)現(xiàn)了精度達(dá)到0.5微米。圖中的箭頭顯示每個(gè)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€(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。利用高定位精度位置實(shí)現(xiàn)了速度和電流的反饋機(jī)制。個(gè)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。</p><

10、p>　　圖3 微型機(jī)床控制系統(tǒng)示意說(shuō)明 圖4 微型機(jī)床與加工中心耗電量比較</p><p>　　圖5 路程與轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系 圖6 X軸與Y軸的微小影響 </p><p>　　3 微型機(jī)床制造的基礎(chǔ)</p><p>　　3.1 空氣渦輪機(jī)軸的特征</p><p>

11、　　空氣渦輪主軸可以實(shí)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(duì)其轉(zhuǎn)數(shù)的影響。在主軸上安裝了測(cè)試棒，將負(fù)載添加到測(cè)試棒的頂端(長(zhǎng)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(cè)量旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù),圖5顯示了主軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果A和B.在這個(gè)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(dòng)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(dòng)并施加

12、水平負(fù)載0.6牛的情況下，轉(zhuǎn)速為200000轉(zhuǎn)/分。</p><p>　　3.2 x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸的定位</p><p>　　在微型機(jī)床的x軸和y軸是用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩軸的定位精度檢查的方式是每次以（40mm±5μm）/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(cè)量激光打出的10納米得光得到的。對(duì)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

13、能夠證實(shí)，瞬態(tài)特點(diǎn)存在于X軸。從Y軸到X軸存在一個(gè)有Y軸方向的質(zhì)量（4.5千克）產(chǎn)生的慣性力。</p><p><b>　　3.3 機(jī)架的特點(diǎn)</b></p><p>　　我們需要測(cè)量固有頻率、阻尼比并檢查弱化特征框架[7]。圖7為振動(dòng)測(cè)量設(shè)備的示意圖和實(shí)驗(yàn)方法，用壓電加速度傳感器檢測(cè)到的機(jī)架震動(dòng)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（FF

14、T）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(cè)量結(jié)果。在表中證實(shí)，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(dòng)的固有頻率約為530赫茲。這臺(tái)機(jī)器的阻尼比是0.119?？諝馄啓C(jī)主軸的頻率是5333和3333赫茲,，從測(cè)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。</p><p>　　圖7 實(shí)驗(yàn)方式和震動(dòng)測(cè)量裝置

15、 表2 阻尼測(cè)量結(jié)果 </p><p>　　表3 化學(xué)成分和S45C的布氏硬度</p><p>　　圖8 主要工件的圍觀顯示 圖9 刀具的幾何結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?%的硝酸酒精溶液處理60秒）</p><p>　　4.使用小端銑刀高速加工工具的優(yōu)勢(shì)&l

16、t;/p><p><b>　　4.1實(shí)驗(yàn)的過程</b></p><p>　　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?；宀牧蠟橛操|(zhì)合金，涂層厚度約為3.0µm，

17、，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(shí)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50µm。</p><p>　　圖10 微型銑刀的切割邊緣 圖11 切割長(zhǎng)度和表面粗糙度的關(guān)系</p><p>　　圖12 多個(gè)切割速度下工件表面的比較</p><p>　　在銑削實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)良的切

18、削條件如下：在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)給速度（SZ）為：4.3μm/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(duì)切削性的影響我們采用了三種類型的主軸，由于每個(gè)刀刃的旋轉(zhuǎn)數(shù)不能自由地控制，使用一個(gè)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(dòng)機(jī)主軸（C型）。采用給切割點(diǎn)

19、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。</p><p>　　4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論</p><p>　　對(duì)小立銑刀工具S45C在高速加工時(shí)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究。圖11看出了在幾個(gè)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(shí)，切割面的最大高度增量維持在2μm，檢測(cè)到的數(shù)值分散性較小。相反

20、可以很明顯的看出，波動(dòng)和分散在低切削速度下非常大。圖12比較了幾個(gè)用于加工表面的切割速度?？捎^測(cè)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(cè)量結(jié)果看出，使用的直流電動(dòng)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(shí)相差較大。因此,類似的實(shí)驗(yàn)試圖顯示了使用現(xiàn)有的高速加工中心(偏轉(zhuǎn)圍:1.0µm)和使

21、用直流電機(jī)主軸獲得的結(jié)果是一樣的。</p><p>　　接著，在兩個(gè)切割速度（2.5米/秒和25.0米/秒）下對(duì)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(shí)的比較，如在圖中可以確認(rèn)，在變形層厚度為1.3μm時(shí)切削速度約為2.5米/秒；在變形層厚度為0.6微米時(shí)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

22、性。圖14顯示了切削屑</p><p>　　圖13 2.5m/s和25m/s形變層的比較 圖14 Ln=10m時(shí) 2.5m/s和25m/s</p><p>　　（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 </p><p><b&g

23、t;　　秒）</b></p><p>　　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(shí)切削屑的塑性流動(dòng)角度減少。</p><p>　　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(shì)。</p><p><b>　　5、結(jié)論</b></p>

24、<p>　　通過對(duì)安裝了高速小端面銑刀的微型機(jī)床的研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了提高工效和節(jié)省能源。所得到的結(jié)果如下：</p><p>　　1）立式微型機(jī)床設(shè)計(jì)，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0.1μm的氮化硅陶瓷框架和一個(gè)線性馬達(dá)組成的。</p><p>　　2）該機(jī)床的功耗僅為現(xiàn)有的高速加工中心的1/10。</p>

25、;<p>　　3）證實(shí)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。</p><p>　　4）該微型機(jī)床阻尼比為0.119、固有頻率為530Hz。</p><p>　　5）可以保持表面粗糙度2.0μmRz、較高的切削速度（25.0m/s）和在較長(zhǎng)切削長(zhǎng)度下切確的數(shù)值分散性較小。在這些條件下，獲得無(wú)撕裂部件的加工面。</p>

26、<p>　　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。</p><p>　　7）切削屑的塑性流動(dòng)角在高切削速度降低（25m/s）。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.KAKINO Y.IHARA Y.MORIGUCHI H,et al. High-

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