谈提高数控机床切削效率的途径

摘要: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。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j 高速加工中心的开发应用与超高速切削紧密相关。

Abstract:As a representative of the advanced productive forces of modern industry, CNC machining plays a very important role in mechanical, aerospace and tooling industries. In the past 10 years, in the aspect ofprocessing precision, , conventional CNC machining accuracy increases from 10μm to 5μm, precision machining center from the 3~5μm to 1~1.5μm, and ultra-precision machining accuracy has entered the nano-level ( 0.01μm). The new generation of high-speed CNC machine tools especially the development and application of high speed machiningare closely related with high speed cutting.

关键词:加工中心;切削;加工;刀具

Key words:processing centre; cutting; process; cutter

中图分类号:TG65 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)06-0072-01

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“”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。

2选择性能好的刀具材料

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、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。

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),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,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。

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。

6建立合理的刀具储备

这里的刀具是指高切削效率刀具,而这些刀具的价格较高,相同直径的铣刀,好刀具的价格可能是普通刀具的几倍甚至十几倍。如果一个企业长期存放一大批好刀具,而这些刀具又可能长时间用不上,则造成资金积压。但如果平常一把刀具也不储备,或储备数量太少,很快就用完了,而新刀具一时又买不到,这样必然会影响数控加工的效率。

7设计简易的磨刀夹具

机夹铣刀盘效率高,使用方便,深受操作者欢迎,但刀片消耗量大,使用成本高,而且多数情况下刀片的损坏是由于刃口磨损造成的,因此刀片的重磨再利用对工厂来说可获得较高经济效益。硬质合金刀片的硬度高,磨削效率低,采用单片磨削将达不到节约的目的,需设计出高效简单的夹具,实现一次装夹多个刀片。

8加工方式的选择

加工方式可分为顺铣与逆铣两种。而加工中心的机械传动系统和结构本身就有较高的精度和刚度,相对运动面的摩擦系数小,传动部件的间隙小,运动惯量小,并有适当的阻尼比,因此可以采用顺铣的方式加工,以提高加工效率。

9选择合理的加工路线

数控机床特别是4轴以上加工中心,一般是一次装夹、多方位加工,并且都有刀库,可自动更换刀具,一次加工成形。因此确定正确简洁的加工路线,是保证加工质量和提高效率的基础。编程时确定加工路线的原则主要有:应能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求;应尽量缩短加工路线,减少刀具空程移动时间;应使数值计算简单,程序段数量少,以减少编程工作量。

10工件装夹的选择

首先,应尽量采用组合夹具,由于通用夹具的柔性差、定位精度相对较低,当产品批量比较大、加工精度要求高时可以设计专用夹具。其次,在选择工装时应有利于刀具交换和在线测量,避免发生碰撞干涉。

11加工中心的辅助设备要配套

在加工中心采用如刀具预调仪,自动测量装置,精密的检测仪等测量装置。采用自动测量装置时,操作员无须对零件的定位保证非常精准,也不需要操作员时刻移动和调节零件以配合加工程序的某些固定坐标系,可以减少装夹时间。