高效加工在普通數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

周建，楊杰，劉春，董艷超

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高效加工在普通數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

周建，楊杰，劉春，董艷超

高效加工是一種較新的金屬切削加工理念，也是現(xiàn)代企業(yè)加工技術(shù)水平發(fā)展提高的一種趨勢，合理選擇新型刀具及切削加工三要素參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效加工的重要途徑。我公司利用現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床設(shè)備，在產(chǎn)品加工過程中應(yīng)用新型刀具，在保證被加工件質(zhì)量的前提下，直接提高加工的切削用量，優(yōu)化切削用量三要素組合，加工效率顯著提高，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，具有一定的推廣價(jià)值。

高效加工；切削速度；進(jìn)給速度；背吃刀量

我公司是中材裝備集團(tuán)有限公司旗下的水泥裝備生產(chǎn)企業(yè)，專業(yè)化生產(chǎn)輥磨、篦冷機(jī)、輥壓機(jī)等高科技新型干法水泥設(shè)備。目前我公司普通數(shù)控機(jī)床的擁有量已基本形成規(guī)模，但數(shù)控加工設(shè)備潛在的生產(chǎn)能力未能充分發(fā)揮，加工效率僅30%左右。影響數(shù)控加工效率的因素主要有：（1）產(chǎn)品零件單件小批量生產(chǎn)及零件的復(fù)雜性和互異性；（2）數(shù)控加工工藝和程序不完善；（3）數(shù)控機(jī)床刀具配套不全面。以上因素使得產(chǎn)品未能形成批量化、系列化及高效生產(chǎn)。我們認(rèn)為加工工藝和刀具配套不完善是影響數(shù)控加工效率的關(guān)鍵因素。因此，我們決定從刀具、機(jī)床和工件的加工工藝等方面入手，在現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床設(shè)備上，采取一系列合理、有效的工裝輔助措施，優(yōu)化數(shù)控工藝和程序，優(yōu)化切削用量三要素組合，探索應(yīng)用新型刀具，在保證被加工件質(zhì)量的前提下，提高加工效率，降低生產(chǎn)成本，以上措施取得了良好的效果。

1高效加工的技術(shù)

1.1高效加工定義

在金屬切削加工過程中，經(jīng)常遇到如何選擇合理的刀具、切削參數(shù)、操作工藝和制作過程，使產(chǎn)品質(zhì)量好、效率高、生產(chǎn)成本低等有關(guān)高效加工的問題。高效加工與高速加工有一定的聯(lián)系，但有所不同。一般認(rèn)為，主軸轉(zhuǎn)速在10 000r/min以上，切削速度、進(jìn)給速度高于常規(guī)值5～10倍以上的，可稱為高速加工。高速加工在國外已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。但在國內(nèi)，高速加工還是一種新興的制造技術(shù)。因?yàn)楦咚偌庸C(jī)床、刀具和加工系統(tǒng)的要求非常高，而且價(jià)格昂貴，所以國內(nèi)生產(chǎn)加工普遍采用的還是普通數(shù)控機(jī)床和加工中心［1］。但是，將高速加工的一些切削理論運(yùn)用在普通數(shù)控機(jī)床和加工中心上，一樣可以實(shí)現(xiàn)高切削用量以及較好的表面加工質(zhì)量，我們稱之為高效加工。高效加工并不是切削用量三要素的簡單提高，而是在切削路徑、切削效率、程序操作等各個(gè)方面的改變。這種加工方式的改變并不等同于高速加工，其在加工系統(tǒng)上并沒有變化，而且加工參數(shù)也應(yīng)根據(jù)刀具、機(jī)床性能、切削的材料等實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，找到一個(gè)最佳的參數(shù)組合，才能達(dá)到最好的加工效果。因此，高效加工就是將高速加工的一些切削理論理念運(yùn)用在普通數(shù)控機(jī)床和加工中心上，采用新型刀具、高切削用量、合理的數(shù)控加工工藝，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用效率最優(yōu)化。

1.2高效加工與普通數(shù)控加工

高效加工提高效率明顯的方式是，在普通數(shù)控加工基礎(chǔ)上，采用新型刀具和高切削用量進(jìn)行加工。高切削用量并不顯著提高主軸轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)數(shù)控機(jī)床設(shè)備的性能，選擇大進(jìn)給速度，適當(dāng)大的背吃刀量，再選擇盡量高的切削速度進(jìn)行加工。它通過進(jìn)給速度的增加縮短加工時(shí)間，通過選用新型刀具（如涂層刀具）減少切屑和刀具之間的摩擦因數(shù)，通過減少線間距提高工件的表面加工品質(zhì)，通過快速帶走切屑降低切削區(qū)溫度，從而減少零件的熱變形，有效地實(shí)現(xiàn)切削用量參數(shù)的優(yōu)化。普通數(shù)控加工一般采用大直徑刀具、大背吃刀量、低切削速度。切削加工過程中產(chǎn)生較大的切削應(yīng)力，由切削應(yīng)力帶來的熱變形及切削振動對加工質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。公司傳統(tǒng)觀念認(rèn)為大直徑刀具、大背吃刀量能帶來較高的切削效率，其實(shí)不然。因?yàn)榍邢饔昧渴艿綑C(jī)床功率和刀具強(qiáng)度的限制，其切削移動速度不能太高。高效加工將高速加工中的高切削用量觀念運(yùn)用到普通數(shù)控加工機(jī)床上，有效解決了切削熱變形及振動的問題，而且在切削效率以及刀具使用壽命上也會有很大的提升。

2應(yīng)用實(shí)例

下面以我公司在數(shù)控龍門鏜銑床選用PVD涂層刀具，編制合理加工工藝，優(yōu)選切削參數(shù)加工篦冷機(jī)段節(jié)梁為例，介紹高效加工在普通數(shù)控機(jī)床上運(yùn)用所取得的效果。

2.1段節(jié)梁加工要求

篦冷機(jī)段節(jié)梁加工要求如圖1所示。材料：Q235A結(jié)構(gòu)件，重量為759.9kg；外形尺寸：3 300mm 589mm 375mm。該件六面全部加工，加工余量單邊3mm左右，兩側(cè)面的公差要求0～-0.4mm，兩端面、上、下平面等處還有孔加工工序。側(cè)面、端面與底平面垂直度要求0.2mm，上、下平面平行度要求0.1mm，該件的重要控制點(diǎn)為兩側(cè)面的尺寸、孔的位置度及各面的形位公差等。

2.2加工工序的機(jī)床設(shè)備

篦冷機(jī)段節(jié)梁的平面加工工序在數(shù)控龍門鏜銑床上進(jìn)行，切削加工時(shí)除底平面在其他機(jī)床加工外，其他五個(gè)面的加工全部在該設(shè)備上完成。數(shù)控龍門鏜銑床設(shè)備的型號為XKW2425 80，如圖2所示，機(jī)床上工件為段節(jié)梁加工時(shí)的狀態(tài)。該機(jī)床設(shè)備的主要參數(shù)為：系統(tǒng)：FANUC；主軸編程速度：300～3 000r/min；各軸進(jìn)給速度：X、Y、Z軸均為0～5 000mm/min；各軸快速進(jìn)給速度：X軸、Y軸，500～10 000mm/min，Z軸500～8 000mm/min；工作臺尺寸：2 425mm 8 000mm。

圖2　數(shù)控龍門鏜銑床圖

3高效加工過程

3.1編制合理加工工藝

工件加工的特點(diǎn)：（1）零件壁薄，剛性差，加緊力、切削力及切削熱均會導(dǎo)致零件變形；（2）零件兩側(cè)面尺寸公差，上、下平面度及側(cè)面垂直度形位公差，中心孔和定位銷孔的尺寸公差要求均較高；（3）批量加工。

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精度要求，充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備加工的靈活性，盡可能減少工件的裝夾次數(shù)，消除因多次裝夾帶來的定位誤差。先通過定位工裝將段節(jié)梁定位，再用裝卡工裝固定，然后編程加工。這樣做既有利于保證各加工部位的位置精度要求，減少裝卸工件的輔助時(shí)間，又可節(jié)省大量的專用和通用工藝裝備，降低生產(chǎn)成本。因此，編制合理的加工工藝也是提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

段節(jié)梁編程加工的順序，首先用角銑頭裝?200刀盤加工零件四側(cè)面，再用?90玉米銑刀加工上平面，最后用合金鉆頭鉆端面孔。以上各工步切削加工采用兩把刀具分別進(jìn)行粗、精加工，以避免刀具磨損帶來的加工尺寸超差。

3.2優(yōu)選切削用量參數(shù)

圖1　篦冷機(jī)段節(jié)梁加工圖

段節(jié)梁零件加工時(shí)，開始采用傳統(tǒng)加工工藝、普通刀具及常規(guī)切削用量參數(shù)加工零件，早期加工階段由于經(jīng)驗(yàn)不足，問題不斷，找正繁瑣復(fù)雜，平面度和尺寸得不到保證，有時(shí)甚至出現(xiàn)孔鉆偏等一系列問題。尤其是切削力、切削熱導(dǎo)致零件變形，是切削加工最大難題。采取降低進(jìn)給速度、減小背吃刀量、多次進(jìn)刀方式加工，雖能滿足技術(shù)要求，但效率較低。

分析產(chǎn)生問題的原因，我們首先對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行檢修，排除設(shè)備故障，再對工裝裝夾進(jìn)行改進(jìn)，最后對刀具、加工工藝及切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給速度、背吃刀量）進(jìn)行大膽調(diào)整，打破慣例，向各個(gè)方向?qū)で笸黄?。在采用PVD涂層刀具，提高切削速度、進(jìn)給速度，維持背吃刀量不變的情況下，試著進(jìn)行切削加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)零件的加工效率大大提高，加工后的零件基本不變形，能滿足零件的加工技術(shù)要求。因此，公司技術(shù)人員結(jié)合高速加工理論的理念，利用優(yōu)選法不斷嘗試各種切削加工參數(shù)，終于成功摸索出比較理想的段節(jié)梁加工工藝及切削用量參數(shù)，并將工藝及參數(shù)固定下來納入公司數(shù)據(jù)庫?？霞{PVD涂層硬質(zhì)合金刀具在加工過程中，無論是使用壽命還是加工質(zhì)量，都具備良好的切削性能，均能滿足產(chǎn)品的加工技術(shù)要求。

表1數(shù)據(jù)為數(shù)控龍門鏜銑床采用PVD涂層刀具精加工段節(jié)梁零件側(cè)面時(shí)，優(yōu)化切削參數(shù)后和普通刀具的比較。在高效切削加工模式下，優(yōu)選后的切削參數(shù)為：V=410m/min，f= 650mm/min，ap≤0.5mm時(shí)，零件側(cè)面的加工達(dá)到了完美的狀態(tài)。

在同樣條件下，我們用這種加工參數(shù)連續(xù)試驗(yàn)了10件段節(jié)梁零件，均達(dá)到預(yù)期效果。在此基礎(chǔ)上，嘗試段節(jié)梁零件其他尺寸的加工，也得到了滿意的效果。原加工1件段節(jié)梁零件，普通刀片平均需要更換1次，現(xiàn)一片PVD涂層刀片可以連續(xù)加工20件段節(jié)梁，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)正常。綜合各方面的因素，高效切削模式較之普通模式，工效可提高3～5倍左右。在當(dāng)前機(jī)床性能下，我公司已能有效保證段節(jié)梁零件加工的各項(xiàng)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了高效加工在普通數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用。

4高效加工工藝探討

4.1刀具選擇

高效切削加工需要選擇合適的刀具，刀具是裝備制造業(yè)的重要組成部分。在切削過程中，刀具的切削部分是在較大的切削力、較高的切削溫度和劇烈的摩擦條件下進(jìn)行工作的。刀具材料對刀具耐用度、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本影響極大。因此，應(yīng)當(dāng)重視刀具材料的正確選擇和合理使用。

4.1.1刀具材料

高效切削的刀具材料應(yīng)具備良好的耐磨性、耐熱性和韌性，還要具備高硬度、高強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性。刀具使用壽命的長短和生產(chǎn)效率的高低，主要取決于刀具材料性能的優(yōu)劣。隨著技術(shù)的進(jìn)步，供應(yīng)廠家在開發(fā)高速切削刀具方面有了新的進(jìn)展。目前，應(yīng)用于高速切削加工的刀具材料主要有：硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金（PVD/ CVD）、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、金屬陶瓷（Cermet）和單晶金剛石、人造聚晶金剛石（PCD）等超硬度材料［2］。

4.1.2刀具優(yōu)選

刀具的選擇是切削的重要基礎(chǔ)，我們根據(jù)廠商推薦及平時(shí)使用比較好的刀具進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)，先從硬質(zhì)合金刀具開始，逐步試用硬度較高且較貴的新型刀具，主要試用了YG8、YS8、YT726、FBN3500（富耐克CBN）、PVD涂層硬質(zhì)合金刀具等幾種材料型號的刀具。

通過反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)合公司產(chǎn)品加工的實(shí)際情況，最終選用了YS8、YT726型的焊接合金刀具和美國肯納飛碩PVD涂層成形刀具。它們都具有較高的硬度、良好的耐磨性和耐熱性，適于數(shù)控加工的高速切削。這兩種型號的刀具不管是耐磨性、韌性還是經(jīng)濟(jì)性，使用效果均相當(dāng)滿意，部分硬質(zhì)合金刀具如圖3所示。

表1　采用PVD涂層刀具優(yōu)化切削參數(shù)后加工段節(jié)梁側(cè)面特例和普通刀具比較表

在高效切削加工中，PVD涂層刀具綜合性能較好。涂層硬質(zhì)合金材料既有基體的韌性，又有高硬度、抗氧化、耐腐蝕的性能，使得切削速度大幅度提高。既提高了加工效率，又避免了切削過程中積屑瘤的生成，從而改善了加工質(zhì)量并延長了刀具的使用壽命。它的使用使刀具材料的品種和刀具的庫存數(shù)量大大減少，成本降低，并簡化了刀具的管理，在生產(chǎn)中顯示出很大的優(yōu)越性。

圖3　PVD涂層刀具玉米銑刀和套式銑刀圖

4.2切削用量參數(shù)選擇

切削用量是數(shù)控切削加工過程中的基本控制量。通常情況下，普通刀具切削用量的參數(shù)選擇，傳統(tǒng)上依據(jù)切削手冊、生產(chǎn)實(shí)踐資料或切削試驗(yàn)及工藝經(jīng)驗(yàn)來確定。為了避免和盡可能地減少出現(xiàn)生產(chǎn)異常，一般在生產(chǎn)中都選取比較保守的數(shù)值，往往達(dá)不到切削用量的最優(yōu)值。即使采用小直徑刀具、大的背吃刀量并提高切削速度的加工方法，但由于普通刀具與工件及切屑之間的摩擦增加，切削力增大，切削熱也隨之增加，刀具耐用度大大降低，生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量也得不到保證。最新研究認(rèn)為：在金屬切削過程中，選擇很高的切削速度，并不一定是提高加工效率的唯一方法，應(yīng)重視在中等切削速度下的大進(jìn)給量加工，即提高切除率。因此，高效加工選擇大進(jìn)給量、適當(dāng)大的背吃刀量，再選擇盡量高的切削速度進(jìn)行加工，即能達(dá)到高切除率，有效地實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的優(yōu)化［3］。

4.2.1切削參數(shù)優(yōu)選順序

切削參數(shù)優(yōu)選是目前高效加工的主要方向，優(yōu)選一般是在半精加工及精加工領(lǐng)域進(jìn)行，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了優(yōu)選的順序。一般半精加工時(shí)，加工余量較大，因此應(yīng)向增大方向優(yōu)選出合適的背吃刀量，以便減少吃刀次數(shù)，其次優(yōu)選進(jìn)給速度，最后再優(yōu)選切削速度。精加工時(shí)，加工余量較小，為了保證加工零件的精度和粗糙度，應(yīng)向增大方向優(yōu)選進(jìn)給速度，其次優(yōu)選切削速度，最后優(yōu)選背吃刀量。由于加工零件的材料和選用刀具的材料不同，以及所用機(jī)床的剛性也不同，應(yīng)根據(jù)具體情況合理地優(yōu)選切削用量。

4.2.2切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫

切削參數(shù)優(yōu)選涉及到優(yōu)選法的問題，優(yōu)選法又分為單因素方法和多因素方法兩類。單因素方法有平分法、0.618法（黃金分割法）、分?jǐn)?shù)法等；多因素方法有交替法（等高線法）、瞎子爬山法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)法等。隨著科技進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，發(fā)展為運(yùn)用現(xiàn)代切削理論，建立優(yōu)選模型。主要有數(shù)學(xué)建模與模型、解析模型、有限元模型和人工智能模型等［3］。我公司優(yōu)選切削用量的主要方式為瞎子爬山法和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合。通過對加工狀態(tài)的預(yù)測，并結(jié)合已有的工藝經(jīng)驗(yàn)和工藝數(shù)據(jù)來進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化。通常以加工效率、成本和質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)為目標(biāo)，利用瞎子爬山法和建立數(shù)學(xué)模型，為特定零件的某一道工序選擇一組固定的最佳切削參數(shù)，如進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等，優(yōu)選后的切削參數(shù)以固定的加工工藝模式存入數(shù)據(jù)庫。

5　結(jié)語

高效加工具有很大的發(fā)展?jié)摿?，是機(jī)械行業(yè)中未來切削加工發(fā)展的一個(gè)趨勢。但高效加工技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，并非簡單地選用合適的刀具、提高切削速度就能順利實(shí)現(xiàn)，還包括工裝夾具、人員、環(huán)境、設(shè)備維護(hù)等，這些因素對數(shù)控機(jī)床效率的發(fā)揮也起到一定的作用，必須從工件加工基準(zhǔn)選擇、快捷定位裝夾、工藝編程控制、刀套和刀具動平衡等各方面采取一系列合理、有效的措施，對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)與開發(fā)才能順利實(shí)施。

［1］霍建東.高速加工理論在普通數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2009，（6）.

［2］趙炳禎.刀具材料與高速切削［J］.機(jī)電信息，1997，（6）.

［3］蔡安江，郭師虹，董朝陽，郭宏偉.高效數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)［J］，裝備制造，2011，（3）.

Application of High Efficiency Machining in Common NC-machine

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