高速加工中心的開發(fā)應(yīng)用

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(guó)內(nèi)外加工中心切削水平的差異

　　目前先進(jìn)國(guó)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(guó)外的切削速度一般大于1000～2000m/min，而國(guó)內(nèi)只相當(dāng)于國(guó)外的1/12～1/15，即國(guó)內(nèi)干12～15個(gè)小時(shí)的活相當(dāng)于國(guó)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(guó)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：?jiǎn)挝还β实慕饘偾谐�率提高�?0%～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350m/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(guó)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(zhǎng)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)出具有最佳加工效果的刀片，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。

　　(6)建立合理的刀具儲(chǔ)備

　　這里的刀具是指高切削效率刀具，而這些刀具的價(jià)格較高，相同直徑的銑刀，好刀具的價(jià)格可能是普通刀具的幾倍甚至十幾倍。如果一個(gè)企業(yè)長(zhǎng)期存放一大批好刀具，而這些刀具又可能長(zhǎng)時(shí)間用不上，則造成資金積壓。但如果平常一把刀具也不儲(chǔ)備，或儲(chǔ)備數(shù)量太少，很快就用完了，而新刀具一時(shí)又買不到，這樣必然會(huì)影響數(shù)控加工的效率。絕大多數(shù)企業(yè)的加工中心的刀庫(kù)均可容納40把刀具以上，并有60、90、120等不同刀數(shù)的刀庫(kù)可供選擇。刀具之間交換時(shí)間越來越短，德國(guó)STEINEL公司的BZ-26，日本MAKINO公司的MCC86，美國(guó)CINCINNATI公司的MAXIM500型加工中心的換刀時(shí)間只需3～4s。

　　(7)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的磨刀夾具

　　機(jī)夾銑刀盤效率高，使用方便，深受操作者歡迎，但刀片消耗量大，使用成本高，而且多數(shù)情況下刀片的損壞是由于刃口磨損造成的，因此刀片的重磨再利用對(duì)工廠來說可獲得較高經(jīng)濟(jì)效益。硬質(zhì)合金刀片的硬度高，磨削效率低，采用單片磨削將達(dá)不到節(jié)約的目的，需設(shè)計(jì)出高效簡(jiǎn)單的夾具，實(shí)現(xiàn)一次裝夾多個(gè)刀片。

　　(8)加工方式的選擇

　　加工方式可分為順銑與逆銑兩種。而加工中心的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)本身就有較高的精度和剛度，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)部件的間隙小，運(yùn)動(dòng)慣量小，并有適當(dāng)?shù)淖枘岜�，因此可以采用順銑的方式加工，以提高加工效率。此外，根�?jù)加工經(jīng)驗(yàn)，順銑比逆銑時(shí)刀具壽命要提高1倍多，采用不對(duì)稱的立銑方法，刀具壽命可提高2～3倍。

(9)選擇合理的加工路線

　　數(shù)控機(jī)床特別是4軸以上加工中心，一般是一次裝夾、多方位加工，并且都有刀庫(kù)，可自動(dòng)更換刀具，一次加工成形。因此確定正確簡(jiǎn)潔的加工路線，是保證加工質(zhì)量和提高效率的基礎(chǔ)。編程時(shí)確定加工路線的原則主要有：應(yīng)能保證零件的加工精度和表面粗糙度的要求；應(yīng)盡量縮短加工路線，減少刀具空程移動(dòng)時(shí)間；應(yīng)使數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單，程序段數(shù)量少，以減少編程工作量。如對(duì)于位置精度和尺寸公差要求高的孔加工來說，孔直徑小于18～20mm的加工工藝路線為：鉆中心孔-鉆孔-擴(kuò)孔-鉸孔，而對(duì)于孔直徑大于18～20mm的加工工藝路線則為鉆孔-擴(kuò)孔-粗鏜孔-精鏜孔。

　　此外，通過對(duì)加工工藝的綜合應(yīng)用，減少工件的安裝次數(shù)，可有效縮短搬運(yùn)和裝夾時(shí)間。例如將五面五軸加工中心與立車復(fù)合構(gòu)成萬能加工中心，可實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成零件的大部分(或全部)加工。

(10)工件裝夾的選擇

　　數(shù)控加工時(shí)由于工序集中的原因，在對(duì)零件進(jìn)行定位、夾緊設(shè)計(jì)以及夾具的選用和設(shè)計(jì)等問題上要全面考慮。首先，應(yīng)盡量采用組合夾具，由于通用夾具的柔性差、定位精度相對(duì)較低，當(dāng)產(chǎn)品批量比較大、加工精度要求高時(shí)可以設(shè)計(jì)專用夾具。其次，在選擇工裝時(shí)應(yīng)有利于刀具交換和在線測(cè)量，避免發(fā)生碰撞干涉。

　　(11)加工中心的輔助設(shè)備要配套

　　在加工中心采用如刀具預(yù)調(diào)儀，自動(dòng)測(cè)量裝置，精密的檢測(cè)儀等測(cè)量裝置。采用自動(dòng)測(cè)量裝置時(shí)，操作員無須對(duì)零件的定位保證非常精準(zhǔn)，也不需要操作員時(shí)刻移動(dòng)和調(diào)節(jié)零件以配合加工程序的某些固定坐標(biāo)系，可以減少裝夾時(shí)間。借助測(cè)量，原來包括裝夾時(shí)間在內(nèi)需要2.5小時(shí)的一個(gè)工序降低到了1.5小時(shí)。此外，這些測(cè)量裝置的應(yīng)用還可以降低加工誤差。

　　(12)操作人員技能與知識(shí)培訓(xùn)

　　加工中心的加工效率在很大程度上取決于切削時(shí)間占加工中心工作時(shí)間的比例，這個(gè)比值越大，加工效率也就越高。同時(shí)，現(xiàn)代加工設(shè)備科技含量越來越高，對(duì)人員的素質(zhì)要求也越來越高。而實(shí)際生產(chǎn)中，由于人員技術(shù)水平低，操作不熟練，花在程序調(diào)試、加工中換工件等非加工時(shí)間上的時(shí)間過長(zhǎng)，致使加工中心加工效率低下。另外，他們的專業(yè)知識(shí)太少，對(duì)數(shù)控加工的原理、數(shù)控工藝、數(shù)控刀具和切削參數(shù)的選擇等方面缺乏科學(xué)性的指導(dǎo)。因此，建立一套完善的培訓(xùn)體系，編寫適應(yīng)現(xiàn)代切削加工技術(shù)發(fā)展的新教材，加強(qiáng)技術(shù)人員對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部和外部的技術(shù)交流是十分必要的。