提高數控加工中心切削效率的途徑

    數控加工作為現代制造業先進生產力的代表，在機械、航空航天和模具等行業發揮著極為重要的作用。90年代以來，歐、美、日各國競相開發和應用新一代高速數控機床，加快了機床高速化發展步伐。高速主軸單元中電機主軸轉速15000～100000r/min，高速且高加/減速度的進給運動部件的快移速度60～120m/min，切削進給速度高達60m/min，高速加工中心進給速度可達80m/min，空運行速度可達100m/min左右。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度大達60m/min，快速為100m/min，主軸轉速已達60000r/min。在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。而新一代高速數控機床特別是高速加工中心的開發應用與超高速切削緊密相關。
  

      1.國內外加工中心切削水平的差異

    目前先進國家的車削和銑削的切削速度已達到5000～8000m/min以上；機床主軸轉數在30000r/min(有的高達10萬r/min)以上。例如：在銑削平面時，國外的切削速度一般大于1000～2000m/min，而國內只相當于國外的1/12～1/15，即國內干12～15個小時的活相當于國外干1個小時。據調查，許多加工中心的實際切削時間不到工作時間的55%。因此，如何提高加工效率，降低廢品率成了眾多企業共同探討的問題。對國內數控加工中心切削效率部分調查發現，普遍存在如刀具精度低、刀片跳動量大、加工光潔度低、工藝設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顯示出很多的優點和強大的生命力，成為制造技術提高加工效率和質量、降低成本的主要途徑。

    實踐證明，當切削速度提高10倍，進給速度提高20倍，遠遠超越傳統的切削“禁區”后，切削機理發生了根本的變化。其結果是：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，切削振動幾乎消失；切削加工發生了本質性的飛躍。根據目前機床的情況來看，要充分發揮先進刀具的高速加工能力，需采用高速加工，增大單位時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，盡量選擇密齒刀（在刀具每英寸直徑上的刀齒數≥3），增加每齒進給量，提高生產率及刀具壽命。有關試驗研究表明：當線速度為165m/min，每齒進給為0.04mm時，進給速度為341m/min，刀具壽命為30件。如果將切削速度提高到350 m/min，每齒進給為0.18mm，進給速度則達到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

    在數控機床切削加工中，金屬切削刀具的作用不亞于瓦特發明的蒸氣機。制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等)，并不易變形。目前國內外性能好的刀具材料主要有：金屬陶瓷、硬質合金涂層刀具、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，適應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,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在只用作銼刀、板牙和絲錐等工具；硬質合金涂層刀具（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范圍內加工鋼鐵件，而Al2O3涂層的高溫硬度高，在高速范圍內加工時，其耐磨性較TiC、TiN涂層都好。

    此外，刀具切削部分的幾何參數對切削效率的高低和加工質量有很大影響，高速切削時的刀具前角一般比普通切削時小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）加快涂層技術的開發

    刀具涂層技術自從問世以來，對刀具性能的改善和加工技術的進步起著非常重要的作用，涂層刀具已經成為現代刀具的標志，在刀具中所占比例已超過50%。在21世紀初，涂層刀具的比例將進一步增加，有望在技術上突破CBN涂層技術，使CBN的優良性能在更多的刀具和切削加工中得到應用(包括精密復雜刀具和成形刀具)，這將全面提高加工黑色金屬的切削水平。此外，納米級超薄超多層和新型涂層材料的開發應用的速度將加快，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，跳動量太大，面銑刀加工的平面光潔度將降低，甚至出現溝狀。高精度數控機床上刀片的跳動量應控制在2～5μm。隨著數控機床的發展，相應出現刀片的表面改性涂層處理（基體為高速鋼、ＷCｏ類硬質合金、Ｔi基類金屬陶瓷），很大程度上提高了刀片精度。與此同時，出現了各種新型可轉位刀片結構，如用于車削的高效刮光刀片、形狀復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。可轉位刀片進入了材料、涂層、槽型綜合開發的新階段，可根據加工材料和加工工序合理組合材料、涂層、槽型的功能，開發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技術的不同要求。

    （5）提高加工表面質量

    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，相應地減少每個刀齒的進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。