車銑加工中心高速超精密切削工藝研究

廣東省茂名市交通高級(jí)技工學(xué)校（機(jī)械工程部）　　朱宇釗

車銑加工中心高速超精密切削工藝研究

廣東省茂名市交通高級(jí)技工學(xué)校（機(jī)械工程部）朱宇釗

車銑加工中心是一種集成多工藝多工序能高速高精度切削的機(jī)械設(shè)備，滿足機(jī)械制造業(yè)的一次定位一次加工的需求。車銑中心在數(shù)控車床上增加了C軸控制及銑床動(dòng)力頭，集中了加工工序，明顯減少了裝夾校正的次數(shù)，提高了加工效率及精度。本文以車銑加工中心為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析高速超精密切削工藝技術(shù)。

車銑加工中心；高轉(zhuǎn)速；超精密；切削工藝

高速超精密切削工藝與普通工藝相比，更能保障機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量性能，速度高出5～10倍，促使切削工藝朝向更精密的狀態(tài)發(fā)展。目前，車銑加工中心的應(yīng)用，提供了高速超精密的切削工藝，打破了傳統(tǒng)切削工藝的限制，在高速狀態(tài)下切削機(jī)械產(chǎn)品，同時(shí)保障切削表面的精密性，有效控制切削工藝的質(zhì)量，體現(xiàn)車銑加工中心的高效性。常規(guī)切削技術(shù)中，受到多種因素的影響，無(wú)法提高切削的精準(zhǔn)率和速度，車銑加工中心完善并修整了切削工藝，改進(jìn)切削工藝，促使其具備高速、超精密的特點(diǎn)，滿足機(jī)械產(chǎn)品的加工需求。車銑加工中心高速超精密切削工藝，為我國(guó)的航天、汽車、模具制造等行業(yè)提供了技術(shù)支持。

1　車銑加工中心與高速超精密切削技術(shù)

車銑加工中心在高速超精密切削技術(shù)中，隨著切削技術(shù)的發(fā)展，使用刀具也逐漸表現(xiàn)出一定的特性。例如Comp ax銑刀，其在切削硅鋁合金時(shí)，機(jī)床提高切削速度時(shí)，即會(huì)進(jìn)入切削死區(qū)，導(dǎo)致切削的能力逐步下降，達(dá)不到高速超精密的切削效果，雖然此類刀具的切削速度高于硬質(zhì)合金刀具，但是在硅鋁合金上卻無(wú)法體現(xiàn)高性能，然而其在加工鋁合金時(shí)，切削速度高達(dá)4000m/min，鑄鐵加工的速度高達(dá)2000m/min，比普通刀具有10倍的速度優(yōu)勢(shì)。所以，車銑加工中心在保障高速超精密切削工藝的同時(shí)，需要選擇優(yōu)質(zhì)的刀具，如PCD、PcBN，此類超硬刀具，能夠滿足車銑加工中心的切削需求，具備優(yōu)質(zhì)的耐磨性能，適應(yīng)高速切削的環(huán)境，促使車銑加工中心可以具有高速、超精密的特點(diǎn)，以達(dá)到理想的切削狀態(tài)。

2　車銑加工中心高速超精密切削工藝

2.1PCBN刀具切削工藝性實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)采用的是熱處理后的鈦合金TC4棒料，刀具采用Mitsubishi HeavyIndustries，Ltd公司的細(xì)晶粒金屬型PCBN刀具，牌號(hào)KD120，其中CBN含量為93%，金屬型結(jié)合劑，刀片尺寸為SNGA120408，帶負(fù)倒棱，刀具前角28°，后角0°，主偏角45°。

實(shí)驗(yàn)CKD6183車銑加工中心上進(jìn)行干切削。切削力采用三向壓電晶體傳感器測(cè)試，表面粗糙度采用便攜式粗糙度計(jì)測(cè)量。對(duì)切削力和已加工表面粗糙度采用單因素試驗(yàn)法進(jìn)行研究，對(duì)刀具壽命采用對(duì)角正交回歸試驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。采用單因素試驗(yàn)是為了比較切削用量要素中單一要素變化對(duì)切削力、工件表面粗糙度的影響；采用對(duì)角正交回歸試驗(yàn)，可求出PCBN刀具壽命的經(jīng)驗(yàn)公式。在刀具壽命試驗(yàn)中每隔一定的切削時(shí)間tc用工具顯微鏡測(cè)量刀具后刀面的磨損帶寬度，并采用后刀面平均磨損帶寬度VB=0.3 mm作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)磨損后的刀具做SEM和EDS分析，研究PCBN刀具切削鈦合金時(shí)的磨損形貌單因素試驗(yàn)條件。

切削速度v對(duì)切削力F的影響

進(jìn)給量f對(duì)切削力F的影響

切削深度對(duì)切削力的影響

試驗(yàn)后加工表面的粗糙度

2.2高速精密切削工藝實(shí)驗(yàn)

以CKD6183車銑加工中心為對(duì)象，分析工藝控制中是如何實(shí)現(xiàn)高速超精密切削的。CKD6183機(jī)床，配置伺服主軸，增加上下移動(dòng)的銑頭，實(shí)現(xiàn)XYZC四軸聯(lián)動(dòng)，該實(shí)驗(yàn)中，要求機(jī)床加工航空軸類零件，利用一次裝夾完成軸類零件的高速超精密切削。機(jī)床為落地式擺放，床身導(dǎo)軌使用大寬度的矩形筋、山行筋，寬度為610mm，實(shí)驗(yàn)機(jī)床的床寬要大于普通機(jī)床，提高足夠的抗扭性。最大回轉(zhuǎn)直徑數(shù)值：機(jī)床φ830mm、刀架φ450mm，傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1：2，保持同步帶動(dòng)的設(shè)計(jì)狀態(tài)，主軸轉(zhuǎn)速10～800r/min，分度精度小于3s，螺紋范圍為16～128。實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)參數(shù)為：最大回轉(zhuǎn)直徑2000mm、最大加工長(zhǎng)度8000mm、主電機(jī)功率35KW、轉(zhuǎn)速21～163r/min。

車銑復(fù)合機(jī)床工藝實(shí)驗(yàn)中，利用CAM編程，設(shè)計(jì)好數(shù)控的程序。CKD6183機(jī)床實(shí)驗(yàn)中表明，其在加工航空軸類零件時(shí)，可以有效控制工件表面的殘余應(yīng)力，預(yù)防工件變形，為高速超精密提供良好的工藝條件，而且精準(zhǔn)計(jì)算了零件的受力變形量，設(shè)計(jì)了預(yù)先補(bǔ)償消除，提供恰當(dāng)?shù)那邢髁?，不斷改善切削加工中的受力和刀具切削方式，排除影響零件加工精度的因素，進(jìn)而保障零件性能的優(yōu)質(zhì)性，有效實(shí)現(xiàn)高速超精細(xì)切削。

車銑加工中心實(shí)行高速超精密切削時(shí)，需考慮工件表面質(zhì)量、尺寸的影響，切削工藝中，最直接的影響因素是徑向振動(dòng)，基于MQL技術(shù)，設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)，改善高速超精密切削環(huán)境。該實(shí)驗(yàn)中，利用加速度傳感器控制切削刀具振動(dòng)徑向的信號(hào)，輔助測(cè)量三項(xiàng)切削力。

實(shí)驗(yàn)方案中，內(nèi)置MQL，優(yōu)化切削工藝中的噴嘴霧化工藝，讓噴霧直接沿著刀具到達(dá)切削區(qū)。內(nèi)置MQL的直徑為1mm，噴嘴與刀尖距離為6.5mm，數(shù)據(jù)分析，高速超精密切削時(shí)，過(guò)大的振動(dòng)會(huì)降低工件表面的質(zhì)量水平，損壞機(jī)床，MQL作用下的振動(dòng)，平均強(qiáng)度明顯降低。每個(gè)切削速度值內(nèi)，MQL振動(dòng)，切削的效果要優(yōu)于普通干切削，保障了高速超精密切削的優(yōu)質(zhì)性。

3　車銑加工中心高速超精密切削的關(guān)鍵技術(shù)

3.1切削機(jī)理

高速超精密切削機(jī)理是車銑加工中心進(jìn)行切削技術(shù)的理論支持，可提高切削形成的效率。切削機(jī)理融合了多項(xiàng)技術(shù)學(xué)科，主要有：（1）車床高速超精密加工的規(guī)律設(shè)計(jì)；（2）切削形成的理論技術(shù)；（3）不同材料完成高速、超精密切削的條件和機(jī)理；（4）虛擬技術(shù)的輔助使用。

3.2機(jī)床設(shè)計(jì)

車銑加工中心是現(xiàn)代機(jī)床行業(yè)的發(fā)展方向，如果機(jī)床需要達(dá)到高速超精密的切削工藝，就必須要求機(jī)床達(dá)到規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，特別是在剛度、精度方面，應(yīng)該準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)車銑加工中心。機(jī)床設(shè)計(jì)中常見的內(nèi)容有：（1）高速超精密狀態(tài)下的主軸設(shè)計(jì)；（2）CNC控制體系設(shè)計(jì)；（3）進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制；（4）機(jī)床工作臺(tái)面及相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)；（5）機(jī)床切削與實(shí)際冷卻。

3.3運(yùn)行技術(shù)

（1）機(jī)床在機(jī)械產(chǎn)品切削工藝中，優(yōu)化加工運(yùn)行的軌跡，禁止出現(xiàn)切削誤差；（2）選擇相應(yīng)的切削參數(shù)和方式，對(duì)應(yīng)高速超精密切削的加工需求，做好參數(shù)與方法相互控制、相互約束的工作；（3）根據(jù)刀具的材料需求和參數(shù)需求，選擇對(duì)應(yīng)的刀具，全面控制切削工藝的運(yùn)行。

3.4測(cè)試技術(shù)

高速超精密切削工藝處于密閉的環(huán)境中，操作人員無(wú)法直接觀察切削運(yùn)行，所以采取測(cè)試技術(shù)，利用機(jī)床自身的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)施監(jiān)測(cè)切削的工藝狀態(tài)。測(cè)試技術(shù)中包含信號(hào)處理、傳感技術(shù)等，確保測(cè)試技術(shù)的專業(yè)性。

4　結(jié)束語(yǔ)

目前先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床是七軸五聯(lián)動(dòng)車銑中心，類型xy4bcy，這種雙主軸雙刀架的車銑中心兩刀架可以同時(shí)切削加工，副主軸移動(dòng)裝夾工件，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有的工序，精度更好，效率更高，是數(shù)控加工的前沿地帶。近年來(lái)廣東省技工院校數(shù)控專業(yè)配置了先進(jìn)的數(shù)控車銑加工中心，如DMG、HASS等知名品牌。本文經(jīng)試驗(yàn)獲得車銑加工中心在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的超精密切削工藝技術(shù)的數(shù)據(jù)分析，可對(duì)數(shù)控教學(xué)研究及高速超精密的零件加工提供科學(xué)的依據(jù)。

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