脆性金屬材料的數(shù)控車削技術

張立君，張樹軍，劉悅，劉春城，張國斌

(東北大學工程訓練中心，遼寧沈陽110004)

脆性金屬材料具有流動性較好、容易成形等特點，適合鑄造形狀復雜的毛坯，在機械制造中應用較多。除難加工鑄鐵外，其他材料的硬度、塑性相對較低，均具有良好的切削加工性。隨著更多的脆性金屬材料在數(shù)控機床上加工，由于這些材料的力學和切削特點，在加工時，容易出現(xiàn)一些問題:(1)由于切屑呈崩碎狀，使用冷卻液會造成冷卻泵噴管堵塞，并使切屑黏附在機床的運動部件上;(2)由于不便使用冷卻液，以較高的速度車削時，產生的切削熱會影響機床—工件—刀具。機床熱變形，影響機床精度;工件熱變形，使精加工的尺寸超差，在加工剛性差的工件時，使工件產生彎曲、振動，影響其圓柱度和表面粗糙度，嚴重時，工件會折斷;切削熱集中在刀刃上，加快刀具的磨損;(3)灰口鑄鐵外層有白口時，刀具極易磨損;(4)砂型鑄造毛坯表面質量較差時，粗車時背吃刀量較難控制。且易造成裝夾不牢固，粗車時工件松動，輕則影響加工精度，重則出現(xiàn)安全事故;(5)高速切削時，漂浮的細小切屑對機床電氣設備和操作者人身健康造成危害。

隨著數(shù)控機床的廣泛使用和金屬切削刀具的不斷發(fā)展，機械加工生產方式也隨之逐漸改變，從多機床、工序分散，向少機床、工序集中轉變，精加工更多采用以車(銑)代磨。鑒于此，研究脆性金屬材料的數(shù)控加工技術就很有必要。

1 應用案例—拉伸試件的分析

圖1所示的拉伸試件，材料為HT200，毛坯采用砂型鑄造，毛坯尺寸φ18 mm×450 mm。加工數(shù)量為600 件。該試件雖然形狀比較簡單，但拉伸部分的尺寸、形狀精度及表面粗糙度要求較高，拉伸部分直徑只有φ8 mm，工件剛性較差。由于毛坯是細長類，采用砂型鑄造時，鑄件經常出現(xiàn)砂眼、氣孔、彎曲、白口等鑄造缺陷，給數(shù)控車削帶來困難。

圖1 拉伸試件

2 加工存在的問題

由于該試件毛坯的鑄造工藝性較差，數(shù)控車削時，出現(xiàn)了以下問題:(1)由于試件剛性差，刀尖車至有砂眼、氣孔的位置時，易產生“扎刀”，使試件折斷，損壞刀具;(2)鑄造的毛坯有時尺寸大小不一，按大尺寸毛坯編程，在加工小尺寸毛坯會空走刀。按小尺寸毛坯編程，在加工大尺寸毛坯時會超出刀具、夾具所允許的切削力和夾緊力而出現(xiàn)打刀或試件折斷的現(xiàn)象。也不能在毛坯尺寸改變時，修改程序，既麻煩也不穩(wěn)妥;(3)毛坯表面粗糙、有粘砂或硬度過高時，會產生裝夾不牢或切削力增大導致試件產生松動;(4)毛坯經常出現(xiàn)外硬(白口)內軟，會造成粗車刀急劇磨損，使精加工余量增大，造成拉伸部分的尺寸精度以及表面粗糙度超差;精車刀磨損后，切削力增大，使拉伸部分出現(xiàn)尺寸、圓柱度精度超差，精車時還會出現(xiàn)振動，使試件的加工質量很不穩(wěn)定，廢品率較高。

3 脆性金屬材料的數(shù)控車削內容

在數(shù)控車床上加工脆性金屬材料工件，根據(jù)毛坯狀態(tài)、工件的表面質量、加工時易出現(xiàn)的問題、工藝系統(tǒng)、數(shù)控加工的安全可靠性等，研究合理的數(shù)控車削技術，其技術包括以下內容:

3.1 加工工藝的制定原則

工藝方案的制定應該遵循以下原則:

(1)基準先行的原則。脆性材料的毛坯若是鑄造狀態(tài)，其定位基準的選擇至關重要，選擇粗基準時，應該選擇與加工表面之間相互位置要求較高的不加工表面作為粗基準，并且要考慮快速裝夾及可靠性;選擇精基準時，應以保證工件的形位精度為首先考慮因素，其次需要考慮裝夾的快速和可靠性。

(2)粗精加工分開的原則。對于精度較高的表面，應考慮粗加工時因夾緊力、切削熱、切削力、內應力所引起工件的變形和松動問題。對于鑄造毛坯或加工余量較大的工件，應該實行粗精加工分開，通過粗加工，可以及早發(fā)現(xiàn)毛坯內部的鑄造缺陷和減少變形;如果精加工的定位基準是毛坯，為了減少定位誤差以及安裝找正時間，應安排一次裝夾，先粗后精的加工順序。精車時，要考慮粗加工時工件熱變形對尺寸精度的影響。為了避免工件冷卻后外圓尺寸變小導致工件報廢、內孔尺寸變小導致需要重新加工所造成的一系列問題，首件加工時，可以根據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)，精加工時外圓尺寸適當加大，而內孔尺寸按圖樣尺寸加工，待其冷卻至室溫時，測量其尺寸變化值，后續(xù)加工以該尺寸變量確定精車的實際控制尺寸。如條件允許，可以建立數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)確定精加工的尺寸值;如果定位基準是已加工表面，可以在粗車、半精車后，重新裝夾進行精加工。

(3)一次裝夾的原則。在單件小批生產中，有位置精度要求的表面，為了避免多次裝夾影響位置精度，應在一次裝夾中完成車削加工的內容。

3.2 加工方案

根據(jù)脆性金屬材料工件的結構、尺寸及形位精度、表面粗糙度、加工數(shù)量、毛坯狀態(tài)，結合加工條件，綜合質量、效率、成本等因素，確定合理的加工方案。以上述拉伸試件為例，可以制定3 種加工方案，

(1)采用粗車→半精車→磨削的加工方案，雖然車削難度降低，但試件兩端需要鉆中心孔，試件需要3 次裝夾，在3 臺機床上完成，試件的加工周期長，成本增加;

(2)工序分散，兩次裝夾，第一次裝夾，進行粗車和半精車，第二次裝夾，精車拉伸部分。能夠合理使用機床，由于精車時切屑較少，可以使用合適的切削液，以保證拉伸部分的加工質量，提高刀具耐用度，但需要兩次裝夾，加工時間增長;

(3)工序集中，一次裝夾，進行粗車→半精車→精車，能夠減少機床的使用數(shù)量，加工效率高，但切削熱使工件熱變形，對刀具的耐用度和工件的尺寸、形位精度影響較大，試件的精車加工質量不穩(wěn)定。

3.3 工件的裝夾方法

在數(shù)控車床上加工脆性金屬材料，毛坯是鑄造狀態(tài)時，需要選擇正確的裝夾方法以保證加工質量和安全，對于表面粗糙、質量較大、粗加工余量大的工件，要使用四爪卡盤裝夾，并附加軸向定位裝置，以防止軸向移位和松動。使用液壓及氣動卡盤時，其夾緊力要適當加大;毛坯尺寸長短不一，無法使用軸向限位裝置時，為了避免粗加工產生軸向移位，可以使用反向走刀;利用數(shù)控機床的自身特點，使用一些指令如“M00”暫停指令，以重新夾緊或調整夾緊力;在加工細長軸類工件時，可以使用彈性活頂尖，以減少工件的熱伸長對工件形位精度的影響;脆性材料硬度低，在裝夾已加工表面時，易產生夾痕，可以使用軟爪或開口夾套、對開夾套裝夾工件;在加工軸類、套類工件時，以加工表面定位時，為了減少安裝及找正時間，可以使用三爪卡盤、芯軸、兩頂尖、軸向定位、專用夾具進行裝夾。在兩次裝夾加工拉伸試件時，可以制作帶有止口的軟爪或開口套，不僅減少軸向定位時間，也能避免夾壞已加工表面。對于需多次裝夾或工序較多的軸類工件，使用雙頂尖裝夾，能夠保證同軸度精度，但中心孔的長度尺寸要求控制準確，否則在數(shù)控加工時，會造成工件的軸向尺寸超差，甚至出現(xiàn)撞刀事故。

3.4 刀具的選擇

3.4.1 刀具的材料

針對脆性金屬材料的切屑呈崩碎狀、對刀具的沖擊較大、且切削力集中在切削刃附近的情況，綜合性能、價格、刀具耐用度幾方面因素，宜選適合加工脆性材料的刀具。加工鑄造鋁合金時，不適宜選擇氧化鋁基陶瓷刀具材料。加工鑄鐵時，在數(shù)控車床的主軸轉速高、功率大、機床—工件—刀具工藝系統(tǒng)剛性好時，首選各種陶瓷刀具材料。

粗加工時，首先選擇抗彎強度高、韌性好、同時熱硬性高、耐磨性好的刀具材料，如普通硬質合金的YG 類、YW 硬質合金，條件允許，可以使用一些適合加工脆性材料的細晶?；虺毦Я５挠操|合金、涂層硬質合金、TiC(N)基硬質合金(金屬陶瓷)。

精加工時，切削層很薄，相對粗加工對刀具的沖擊很小，為了保證加工精度，降低表面粗糙度，在高速切削時，應該選用硬度高、耐磨性好、強度又較好的刀具材料。如條件允許，可以使用一些適合加工脆性材料的涂層硬質合金和陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN、PCBN)。加工鑄造銅合金時，可以選擇所有適合加工脆性材料的刀具。機床及生產條件允許時，可以選擇金剛石(PCD)刀具材料。必要時，也可以選擇立方氮化硼(CBN)刀具材料。

可供選擇的部分脆性金屬刀具材料見表1。

表1 可用于脆性金屬材料切削的部分國產刀具材料

3.4.2 刀具的結構

基于減少刀具磨損、提高刀具耐用度、保證加工精度、減少換刀時間的原則，最好選擇機夾可轉位車刀。條件不允許，使用焊接式刀具時，應該選擇耐磨性好、強度高的的材料，以減少刀具磨損、崩刃而導致的換刀時間。

3.4.3 刀具的幾何形狀

刀具材料確定后，針對不同脆性金屬材料的性能、工件的結構和表面質量、工藝系統(tǒng)(車床、工件、刀具、夾具)剛性等綜合因素，選擇刀具的幾何形狀是加工脆性材料時必須考慮的重要因素。切削脆性金屬材料時，為了保護刀尖，相比塑性材料，應該選擇較小的前角。切削鑄造鋁合金、銅合金時，要求刀具切削刃鋒利，應有較大的正前角;為了保證刀頭強度，粗加工時的后角要比精加工小一些;機床—工件剛性差時，為了減少切削時的振動，主偏角盡量大一些，一般選擇在75° ～90°之間，甚至大于90°;機床—工件剛性好，為了提高刀頭強度，延長刀具的使用壽命，可以減少主偏角;加工剛性差的工件時，為了減少刀具副后刀面與已加工表面的摩擦而引起的振動，副偏角可以加大至20° ～60°;工件剛性好時，為了增強刀頭強度，刃傾角取負值，精加工時，為了防止切屑流出后劃傷已加工表面，刃傾角取正值或零;使用涂層硬質合金、陶瓷、CBN 刀具時，刀片刃口一般需要強化處理，強化的主要方式有刃口倒棱、刃口倒圓和倒棱+倒圓3 種。

刀尖圓弧半徑的選擇一般原則是:粗加工、加工較硬材料或刀具易磨損時，工藝系統(tǒng)剛性好，選取較大的圓弧半徑;精加工、工藝系統(tǒng)剛性差時，宜選取適當或較小的圓弧半徑。

3.4.4 加工試件選用的刀具

該試件的尺寸細長且需要頂尖支撐，限制了刀頭的結構，考慮加工數(shù)量較多，粗車刀選用耐磨性較好的YW2 材料，用焊接式螺紋車刀刃磨成形，刀頭的主偏角Kr=75°，副偏角K'r=45°，前角γ =5°，后角α=8°，λS=0，在保持刀具鋒利、減少徑向切削力的基礎上，能夠保證刀具的耐用度。

選用機夾可轉位精車刀，刀片夾固采用壓孔式，刀片材料為金屬陶瓷，牌號為YN05，刀片為V 形，前角γ=5°，后角αo=10°，λS=0，刀尖角εr=35°，該刀尖帶有rε=0.5 mm 的圓弧修光刃。精車時，使加工表面穩(wěn)定達到Ra0.8 ～0.4 μm。

切斷刀選用YG8 焊接式車刀。

3.5 切削用量的選擇

脆性材料的切削速度要比塑性材料適度降低。粗加工、工件剛性好時，應該選擇較大的背吃刀量和進給量，相對精加工，切削速度要選取較低值;工件剛性差時，為了減少工件變形，背吃刀量和進給量應適當減小，為了提高效率，切削速度可以適當提高。

3.6 編程技巧的應用

利用數(shù)控車床的編程技巧、指令解決常規(guī)技術難以解決的問題。對于毛坯余量變化不大的工件，可以按輪廓連續(xù)走刀，以減少空走刀時間。如果毛坯與工件形狀相似，可以使用G73 仿形循環(huán)指令編程，以減少走刀路線和編程內容，同時使刀具切削時的切削層變化很小，以減少變化的切削力對工件的影響，并能提高刀具耐用度和加工效率;使用“/”跳步指令解決鑄造毛坯尺寸大小不一時，反復修改粗車程序的問題;使用“M00”暫停指令進行尺寸檢查、調整夾緊力;使用一臺數(shù)控車床成批生產時，還可以使用“M00”暫停指令進行程序暫停，卸下粗加工后溫度較高的留有精加工余量的工件，重新裝夾已冷卻至室溫的工件進行精加工，以保證加工精度、減少等待時間。

3.7 加裝吸塵裝置

數(shù)控車床雖然有半封閉、全封閉的防護罩，但在成批量高速加工脆性金屬材料時，細小的切屑仍會四處飛揚，對設備的絕緣和操作者的健康影響甚大，可以加裝吸塵裝置，以吸塵口對準切削部位進行吸塵，吸塵裝置不僅能夠以強力吸入細小切屑和灰塵，同時也能吸走一定的切削熱量，減少對機床、刀具、工件的影響。

3.8 采用先進切削技術

工藝系統(tǒng)(車床、工件、刀具、夾具)允許時，車削脆性金屬材料，應該優(yōu)先考慮使用高速切削技術和干切削技術，能夠充分發(fā)揮這兩類技術的特點，以滿足越來越高的加工效率、加工精度和表面質量要求，以及經濟性要求和生態(tài)性要求(綠色生產要求)。

4 結束語

在實際生產時，針對不同的脆性金屬材料特性以及毛坯和結構情況，從加工方案、裝夾方法、加工路線、刀具的材料及幾何形狀、切削用量、編程技巧幾個方面確定適合的數(shù)控車削技術，以提高生產效率、保證加工質量，并減少刀具損耗，以充分發(fā)揮數(shù)控機床的加工優(yōu)勢。

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