提高數(shù)控加工中心切削效率的途徑

    數(shù)控加工作為現(xiàn)代制造業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)力的代表，在機(jī)械、航空航天和模具等行業(yè)發(fā)揮著極為重要的作用。90年代以來，歐、美、日各國競相開發(fā)和應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快了機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元中電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速15000～100000r/min，高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件的快移速度60～120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。美國CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度大達(dá)60m/min，快速為100m/min，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。而新一代高速數(shù)控機(jī)床特別是高速加工中心的開發(fā)應(yīng)用與超高速切削緊密相關(guān)。
  

      1.國內(nèi)外加工中心切削水平的差異

    目前先進(jìn)國家的車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000～8000m/min以上；機(jī)床主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000r/min(有的高達(dá)10萬r/min)以上。例如：在銑削平面時(shí)，國外的切削速度一般大于1000～2000m/min，而國內(nèi)只相當(dāng)于國外的1/12～1/15，即國內(nèi)干12～15個(gè)小時(shí)的活相當(dāng)于國外干1個(gè)小時(shí)。據(jù)調(diào)查，許多加工中心的實(shí)際切削時(shí)間不到工作時(shí)間的55%。因此，如何提高加工效率，降低廢品率成了眾多企業(yè)共同探討的問題。對(duì)國內(nèi)數(shù)控加工中心切削效率部分調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普遍存在如刀具精度低、刀片跳動(dòng)量大、加工光潔度低、工藝設(shè)備不配套等諸多問題。

 
     2.提高切削效率的途徑

    （1）合理選擇切削用量

    當(dāng)前以高速切削為代表的干切削、硬切削等新的切削工藝已經(jīng)顯示出很多的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力，成為制造技術(shù)提高加工效率和質(zhì)量、降低成本的主要途徑。

    實(shí)踐證明，當(dāng)切削速度提高10倍，進(jìn)給速度提高20倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的切削“禁區(qū)”后，切削機(jī)理發(fā)生了根本的變化。其結(jié)果是：單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，大幅度降低了留在工件上的切削熱，切削振動(dòng)幾乎消失；切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍。根據(jù)目前機(jī)床的情況來看，要充分發(fā)揮先進(jìn)刀具的高速加工能力，需采用高速加工，增大單位時(shí)間材料被切除的體積(材料切除率Q)。

    在選擇合理切削用量的同時(shí)，盡量選擇密齒刀（在刀具每英寸直徑上的刀齒數(shù)≥3），增加每齒進(jìn)給量，提高生產(chǎn)率及刀具壽命。有關(guān)試驗(yàn)研究表明：當(dāng)線速度為165m/min，每齒進(jìn)給為0.04mm時(shí)，進(jìn)給速度為341m/min，刀具壽命為30件。如果將切削速度提高到350 m/min，每齒進(jìn)給為0.18mm，進(jìn)給速度則達(dá)到2785m/min，是原來加工效率的817%，而刀具壽命增加到了117件。

 
     （2）選擇性能好的刀具材料

    在數(shù)控機(jī)床切削加工中，金屬切削刀具的作用不亞于瓦特發(fā)明的蒸氣機(jī)。制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和化學(xué)惰性，良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等)，并不易變形。目前國內(nèi)外性能好的刀具材料主要有：金屬陶瓷、硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石（PCD）和立方氮化硼（CBN）刀具等。它們各具特點(diǎn)，適應(yīng)的工件材料和切削速度范圍各不相同。CBN適用于切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等，如加工高硬鋼件(50～67HRC)和冷硬鑄鐵時(shí)主要選用陶瓷刀具和CBN刀具，其中加工硬度60～65HRC以下的工件可用陶瓷刀具，而65HRC以上的工件則用CBN刀具進(jìn)行切削；PCD適用于切削不含鐵的金屬，及合金、塑料和玻璃鋼等，加工鋁合金件時(shí),主要采用PCD和金剛石膜涂層刀具；碳素工具鋼和合金工具鋼現(xiàn)在只用作銼刀、板牙和絲錐等工具；硬質(zhì)合金涂層刀具（如涂層TiN、TiC、TiCN、TiAIN等）雖然硬度較高，適于加工的工件范圍廣，但其抗氧化溫度一般不高，所以切削速度的提高也受到限制，一般可在400～500m/min范圍內(nèi)加工鋼鐵件，而Al2O3涂層的高溫硬度高，在高速范圍內(nèi)加工時(shí)，其耐磨性較TiC、TiN涂層都好。

    此外，刀具切削部分的幾何參數(shù)對(duì)切削效率的高低和加工質(zhì)量有很大影響，高速切削時(shí)的刀具前角一般比普通切削時(shí)小10°，后角大5°～8°。為防止刀尖處的熱磨損，主、副切削刃連接處應(yīng)采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大局部刀尖角，增大刀尖附近切削刃的長度和刀具材料體積，以提高刀具剛性和減少刀具破損率。

    （3）加快涂層技術(shù)的開發(fā)

    刀具涂層技術(shù)自從問世以來，對(duì)刀具性能的改善和加工技術(shù)的進(jìn)步起著非常重要的作用，涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，在刀具中所占比例已超過50%。在21世紀(jì)初，涂層刀具的比例將進(jìn)一步增加，有望在技術(shù)上突破CBN涂層技術(shù)，使CBN的優(yōu)良性能在更多的刀具和切削加工中得到應(yīng)用(包括精密復(fù)雜刀具和成形刀具)，這將全面提高加工黑色金屬的切削水平。此外，納米級(jí)超薄超多層和新型涂層材料的開發(fā)應(yīng)用的速度將加快，涂層將成為改善刀具性能的主要途徑。

    （4）選擇高精度刀片

    刀片精度低，跳動(dòng)量太大，面銑刀加工的平面光潔度將降低，甚至出現(xiàn)溝狀。高精度數(shù)控機(jī)床上刀片的跳動(dòng)量應(yīng)控制在2～5μm。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，相應(yīng)出現(xiàn)刀片的表面改性涂層處理（基體為高速鋼、ＷCｏ類硬質(zhì)合金、Ｔi基類金屬陶瓷），很大程度上提高了刀片精度。與此同時(shí)，出現(xiàn)了各種新型可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)，如用于車削的高效刮光刀片、形狀復(fù)雜的帶前角銑刀刀片、球頭立銑刀刀片、防甩飛的高速銑刀刀片等。可轉(zhuǎn)位刀片進(jìn)入了材料、涂層、槽型綜合開發(fā)的新階段，可根據(jù)加工材料和加工工序合理組合材料、涂層、槽型的功能，開發(fā)出具有佳加工效果的刀片，以滿足高速、高壽命切削加工生產(chǎn)技術(shù)的不同要求。

    （5）提高加工表面質(zhì)量

    在保持相同的切削效率(即相同Q值)下，提高切削速度可改善切屑形成過程和增加切削阻尼，抑制顫振，相應(yīng)地減少每個(gè)刀齒的進(jìn)給量能降低切削表面軌跡形成的殘留高度，改善表面粗糙度，從而有利于精密零件和模具的加工。