提高数控加工中心切削效率的途径

　　数控加工作为现代制造业先进生产力的代表，在机械、航空航天和模具等行业发挥着极为重要的作用。90年代以来，欧、美、日各国竞相开发和应用新一代高速数控机床，加快了机床高速化发展步伐。高速主轴单元中电机主轴转速15000～100000r/min，高速且高加/减速度的进给运动部件的快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min，高速加工中心进给速度可达80m/min，空运行速度可达100m/min左右。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，主轴转速已达60000r/min。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。而新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用与超高速切削紧密相关。

　　1.国内外加工中心切削水平的差异

　　目前先进国家的车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；机床主轴转数在30000r/min(有的高达10万r/min)以上。例如：在铣削平面时，国外的切削速度一般大于1000～2000m/min，而国内只相当于国外的1/12～1/15，即国内干12～15个小时的活相当于国外干1个小时。据调查，许多加工中心的实际切削时间不到工作时间的55%。因此，如何提高加工效率，降低废品率成了众多企业共同探讨的问题。对国内数控加工中心切削效率部分调查发现，普遍存在如刀具精度低、刀片跳动量大、加工光洁度低、工艺设备不配套等诸多问题。

　　2.提高切削效率的途径

　　（1）合理选择切削用量

　　当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。

　　实践证明，当切削速度提高10倍，进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”后，切削机理发生了根本的变化。其结果是：单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，大幅度降低了留在工件上的切削热，切削振动几乎消失；切削加工发生了本质性的飞跃。根据目前机床的情况来看，要充分发挥先进刀具的高速加工能力，需采用高速加工，增大单位时间材料被切除的体积(材料切除率Q)。

　　在选择合理切削用量的同时，尽量选择密齿刀（在刀具每英寸直径上的刀齿数≥3），增加每齿进给量，提高生产率及刀具寿命。有关试验研究表明：当线速度为165m/min，每齿进给为0.04mm时，进给速度为341m/min，刀具寿命为30件。如果将切削速度提高到350 m/min，每齿进给为0.18mm，进给速度则达到2785m/min，是原来加工效率的817%，而刀具寿命增加到了117件。

　　（2）选择性能好的刀具材料

　　在数控机床切削加工中，金属切削刀具的作用不亚于瓦特发明的蒸气机。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形。目前国内外性能好的刀具材料主要有：金属陶瓷、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）刀具等。它们各具特点，适应的工件材料和切削速度范围各不相同。CBN适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等，如加工高硬钢件(50～67HRC)和冷硬铸铁时主要选用陶瓷刀具和CBN刀具，其中加工硬度60～65HRC以下的工件可用陶瓷刀具，而65HRC以上的工件则用CBN刀具进行切削；PCD适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等，加工铝合金件时,主要采用PCD和金刚石膜涂层刀具；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具；硬质合金涂层刀具（如涂层TiN、TiC、TiCN、TiAIN等）虽然硬度较高，适于加工的工件范围广，但其抗氧化温度一般不高，所以切削速度的提高也受到限制，一般可在400～500m/min范围内加工钢铁件，而Al2O3涂层的高温硬度高，在高速范围内加工时，其耐磨性较TiC、TiN涂层都好。

　　此外，刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量有很大影响，高速切削时的刀具前角一般比普通切削时小10°，后角大5°～8°。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大局部刀尖角，增大刀尖附近切削刃的长度和刀具材料体积，以提高刀具刚性和减少刀具破损率。

　　（3）加快涂层技术的开发

　　刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中所占比例已超过50%。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用(包括精密复杂刀具和成形刀具)，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。

　　（4）选择高精度刀片

　　刀片精度低，跳动量太大，面铣刀加工的平面光洁度将降低，甚至出现沟状。高精度数控机床上刀片的跳动量应控制在2～5μm。随着数控机床的发展，相应出现刀片的表面改性涂层处理（基体为高速钢、ＷCｏ类硬质合金、Ｔi基类金属陶瓷），很大程度上提高了刀片精度。与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如用于车削的高效刮光刀片、形状复杂的带前角铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等。可转位刀片进入了材料、涂层、槽型综合开发的新阶段，可根据加工材料和加工工序合理组合材料、涂层、槽型的功能，开发出具有最佳加工效果的刀片，以满足高速、高寿命切削加工生产技术的不同要求。

　　（5）提高加工表面质量

　　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过程和增加切削阻尼，抑制颤振，相应地减少每个刀齿的进给量能降低切削表面轨迹形成的残留高度，改善表面粗糙度，从而有利于精密零件和模具的加工。

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