模具之家讯：尽管文章中所描述的各个“新理念”成为相关研究和开发的主题至今已有一定时间，但是下面的题目依然是恰当的。这些理念几乎对每个读者都是新的。


以500,000 r/min进行微细铣削加工

对表面位置误差的理解

超越蠕墨铸铁中的速度极限

给有关手册一只援手



这些主题包括微观加工和宏观加工之间的区别；单单来自主轴的各种尺寸误差；通过对刀具进行根本改变而实现对难加工金属进行快速切削的机会；专门针对高速加工计算参数的软件。这些选择加在一起，为可能影响高速加工在将来的应用方式的研究和创新提供了一些特定方式样板。

这些文章是依据可接近性而排列的。第一篇文章中所介绍的研究对象，即开发一个转速达500,000 r/min的微型主轴，可以证明是最具“野心”的一种目标。同时它也是距离实现任何实用生产应用最遥远的目标。通过对比，最后一篇文章中所描述的编程员的新工具代表了一种戏剧性效果较低的开发……但是它是现在就可以应用的一种开发。

以500,000 r/min进行微细铣削加工





研究者旨在开发一种可以解释宏观和微观加工之间差异的主轴。

对于“微细”零部件方面的发展趋势，看看宏观世界就可以知道。以常规尺寸进行制造首先用于制造静止的目标。只有在稍后的时间它才用来制造运动组件中的零件。类似地，微细制造也是从静止物体开始向微型机械中的零部件发展的。

但是这些微型移动部件的设计和属性是受到严格限制的。它们的生产如今一般涉及成层建造，即微型石版印刷术。因此材料的选择包括硅或溅射金属，几何形状限于可以通过分层堆叠而形成的2½维形状。为什么设计者不可以用从实心钢加工的三维几何形状指定微观零件呢？

这个问题的答案主要在于速度或者说缺少速度。微细刀具需要较高的转速来实现高效切削速度及生产性金属去除率。对高效三维铣削需要多高速度所进行的分析表明，该数值大约为500,000r/min。

对这个数字本身而言并不是很高。牙医的牙钻速度可以达到300,000 r/min。但是牙医的牙钻跳动可能达到10微米。在微细铣削中，这么高的跳动相当于切屑厚度的10倍左右。

这种与牙医的牙钻所进行的比较是佛罗里达州Gainesville市佛罗里达大学机床研究中心的教授John Ziegert提出来的。Ziegert博士正负责500,000 r/min主轴的设计和结构，这种主轴将可以铣削钢及类似金属以形成几百微米数量级的复杂特征。这种主轴将采用直径为0.010英寸及以下，现在一般只用于诸如铝、石墨和塑料等软材料中加工简单特征的刀具。

该大学正在实验其第一个500,000 r/min的实际产品。如果证明该主轴可以可靠地进行切削，则会被送往Sandia国家实验室进行加工试验。通过其微观系统研究项目，Sandia已经具备了制造直径小至25微米的铣刀的能力。过去对这种刀具进行的实验一直限于速度不超出30,000 r/min的主轴。这么低的速度允许的进给速度最好以每小时若干英寸表示，仅5~14英寸/小时。

微观与宏观


开发主轴的大部分工作涉及调研在微细加工方面所进行的已经形成文献资料的研究以及吸收这种早期工作所得到的教训。Ziegert博士说这种调研所得出的两个重要结论说明了微观加工和宏观加工的区别。

首先，刀具故障模式是不同的。在常规尺寸加工中，刀具会磨损。但是在用微尺寸刀具进行加工时，最终结果更可能是刀具破损。对小刀具而言，在发生比较明显的刀刃磨损之前，很容易就达到其弯曲强度极限。

第二个差异是微型加工中的切屑厚度一般小于刀刃半径。这一点与正常尺寸的加工差异很大，其中切屑的厚度比刀具的刀刃半径要大好多倍，即使在较轻的精加工过程中也是如此。如果微型加工中切屑厚度仅仅按比例推算大小，则切削力将很容易超出刀具的弯曲强度。

切屑厚度小于刀刃半径的结果是由微型铣刀明显为负的前倾角决定的。有效的前倾角可能为负50度。或者甚至可以比此数值更大。这么大的负前倾角增加了切屑产生的切削力，这样就进一步需要减少切屑厚度。所产生的切屑负荷如此轻，因此一个非常高的主轴转速可以将“ipr”（转速）转换成生产性的“ipm”（切削速度）。
Ziegert博士对这些与弯曲强度及切屑厚度有关的问题所进行的分析，正是导致他得出500,000r/min的估计转速的原因所在。

无刀夹


佛罗里达大学设计的速度这么高的主轴采用切削刀具的刀柄做主轴的轴。而受速度不断增加的摩擦轮的驱动，刀具会比该组件任何其它部件都转得更快。

Ziegert博士说，没有任何其它解决方案会使主轴达到所要求的低跳动。常规的铣削主轴采用刀夹使刀具成为主主轴的加长体。但是没有任何刀夹夹紧机构—弹簧夹头、热收缩配合—可以将微型刀具保持足够同心，从而可以在硬金属中进行精确的三维铣削加工。

相反，刀柄在客户空气轴承中单独自转。驱动
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