数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。为了满足市场的需要,达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求,当前,世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征:1.高速、高效机床向高速化方向发展,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。20世纪90年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴,转速15000~100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60~120m/min,切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具,大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决,为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。目前,在超高速加工中,车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上;主轴转数在30000转/分(有的高达10万r/min)以上;工作台的移动速度:在分辨率为1微米时,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率为0.1微米时,在24m/min以上;自动换刀速度在1秒以内;小线段插补进给速度达到12m/min。

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引言金属切削是零件成型的主要加工手段之一,在机械制造业中占有重要地位。近二十年来,随着数控加工技术及切削刀具制造技术的不断发展,对高速切削技术的理论研究不断深入,高速切削技术已在航空、航天、汽车、机床、模具等制造领域获得了日益广泛的应用。高速切削技术作为一种先进的共性制造技术,已成为切削加工的重要发展方向。
高速切削的概念较早由德国的Carl.J.Salomon博士于1931年提出。二十世纪六十年代以后(特别是八十年代以来),各工业发达国家十分重视高速切削技术的发展,纷纷投入大量人力及资金,对高速切削及其相关技术进行研究开发。九十年代以来,高速切削技术的研究进人成熟阶段,其应用范围进一步扩大。一般认为,高速切削是指切削速度超过普通切削的5~10倍或机床主轴转速在10000r/min以上的切削。实际上,根据工件材料、切削加工方式以及刀具材料的不同,高速切削的切削速度范围会有相应变化。概括地讲,具有下列特征的切削加工可称为高速切削加工:①
切削速度高:车削速度v≥500m/min
铣削速度v≥300m/min,钻削速度v≥200m/min;②进给量大:进给速度Vf=20~50m/min或每刃进给量fz=1.0~1.5
mm。
相对于普通切削而言,采用高速切削技术可使单位时间内的材料叨除率提高3.5倍或更高,同时加工成本可降低20%~50%,加工精度和加工表面质量可提高1~2级,这就是世界各国竞相研究高速切削技术的重要原因。此外,应用高速切削技术还可改变对某些难加工材料的切削加工方式,如直接对淬硬材料工件进行车削或铣削加工,实现“以切代磨”等。
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金属切削数据库的发展概况建立切削数据库、为机械制造业提供合理及优化的切削数据不仅是提高切削加工效率和经济效益的一种有效措施,而且切削数据库还是发展各种现代制造技术(如CNC、CAPP、CAD/CAM、FMS、CIMS等)的重要研究基础,是这些系统公共制造数据库的重要组成部分。自二十世纪六十年代中期以来,各工业发达国家相继开始建立金属切削数据库,以积累和储存丰富的金属切削生产和试验数据。世界上靠前个金属切削数据库是1964年由美国技术切削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立的,称为美国空军加工性数据中心。此后.各工业发达国家相继开发了各自的金属切削数据库,其中比较著名的有前联邦德国的INFOS和美国的MDC(可加工性数据中心,AFMDC
的后续版本)。我国自“六五”末期开始金属切削数据库的研究工作,成都工具研究所、东南大学、南京航空航天大学、夭津大学、成都科技大学等单位进行了大量研究工作,建立了多种实用的金属切削数据库(如成都工具研究所研制的多功能、多用途车削数据库软件CTRN90V1.0及后续版本,南京航空航天大学研制开发的小型通用切削数据库系统NAIMDS等)。
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高速切削数据库的核心技术金属切削数据库是在金属切削理论研究较为成熟、切削加工工艺普遍应用、切削参数极为丰富的条件下,伴随着计算机技术、数据库技术和先进切削加工技术的不断发展而发展起来的。目前、世界各国虽然建立了许多金属切削数据库.但尚无适用于高速切削加工的数据库,而建立高速切削数据库对于推广和应用高速切削加工技术具有非常重要的意义。高速切削数据库除与普通切削数据库一样必须具有推荐切削刀具和提供优化的切削参数等基本功能外.还应根据高速切削自身的特点,解决以下功能与结构问题:
与数控系统、CAD/CAM
软件良好的通信与接口:由于高速切削大多采用数控机床或加工中心,自动化程度很高,因此高速切削数据库必须具有良好的与数控系统的通信和接口功能,才能充分发挥高速切削的优势。数控技术近十几年来发展非常迅速,数控系统已从具有单纯的运动控制功能发展成为能够进行图形图像处理、通信、网络数据传输等多种复杂功能的开放式计算机数字控制系统。利用计算机通信与接口技术可直接或通过CAD/CAM软件在高速切削数据库与数控机床或加工中心的数控系统之间进行查询、优化、传输等一系列数据操作。
推理功能:由于高速切削技术起步较晚,目前尚无可直接用于生产的通用高速切削数据手册.可用的只有一小部分常用材料的切削数据。人工智能技术刚为建立高速切削数据库的推理功能提供了有力帮助,利用人工智能基于规则或实例的推理技术、模糊控制技术等,可根据现有的成功加工实例产生新的切削数据.直接或经试验验证后输人数据库作为可用数据。
分布式结构:高速切削数据库应具有分布式结构,以便为大型制造企业分散在不同地理位置的生产和销售部门提供服务。数据库技术是计算机技术中发展较决、应用较广泛的技术之一,当前较成熟的关系数据库技术和理论已得到迅速发展和广泛而有效的应用,出现了一批基于关系数据模型、支持Client/Server结构和分布式结构的商品化的关系数据库管理系统(如Micosoft公司的SQL
Server 2000、0racle公司的0racle
8等).为建立高速切削数据库提供了良好的技术支持。
网络功能:高速切削数据库应具有网络功能,以便各相关用户通过计算机网络查询相应的切削数据,为各种先进制造技术提供相应的基础数据随着Intranet/Internet技术和制造技术的发展,敏捷制造、协同制造、远程制造、网络制造等先进技术已成为制造技术的重要发展方向。计算机网络与通信技术的飞速发展和广泛应用为高速切削数据库的网络功能提供了坚实的应用基础和有力的技术支持。
预测功能:高速切削数据库通过利用已有的人工智能技术、人工神经网络技术、有限元分析技术、统计分析技术及各种切削力模型、切削温度模型、刀具磨损模型等,应具有预测某些切削效果的功能,如预测工件的加工精度、表面粗糙度以及刀具使用寿命等。