數(shù)控車床加工表面質(zhì)量分析

蔣毅

【摘? ? 要】影響數(shù)控車床的加工精度因素較多，包括機床本身結(jié)構(gòu)剛性、加工工藝、材料及刀具的選用，只有合理選擇所有的因素才能有效提高工件表面的質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】毛坯材料? 刀具材料? 加工工藝參數(shù)

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.13.008

數(shù)控車床加工作為機械類加工中的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于回轉(zhuǎn)類零件的加工生產(chǎn)，如何提高數(shù)控加工的質(zhì)量也是體現(xiàn)加工者技術(shù)水平的重要依據(jù)之一。加工質(zhì)量主要包括及表面粗糙度、尺寸精度、位置精度、形狀精度等，而影響數(shù)控車床的加工精度因素較多，包括機床本身結(jié)構(gòu)剛性、加工工藝、毛坯材料及刀具的選用等。

首先，毛坯材料。在機械加工中碳鋼（如45鋼）、304不銹鋼、銅棒、鋁棒（6061鋁）等都是常見的毛坯材料，根據(jù)材質(zhì)以及刀具的不同，數(shù)控車床加工所能達到的粗糙度主要在Ra0.2～3.2之間。理論上由于45鋼硬度主要集中在55～62HRC，硬度相對較硬，在忽略工藝參數(shù)等其他影響的情況下，數(shù)控車床所能達到的最佳粗糙度精車主要在Ra0.8～1.6之間，端面表面粗糙度可達Ra0.4～3.2之間。車工常見的其他毛坯材料中，304不銹鋼硬度不高于92HRB，紫銅的布氏硬度為35～45HB，6061鋁的布氏硬度為35～45HB，這幾類常見毛坯硬度均低于45鋼的硬度，在加工時可采用比加工碳鋼更高的主軸轉(zhuǎn)速，且其加工表面也比碳鋼更加光潔，故其車工加工表面質(zhì)量理論上也高于45鋼，表面粗糙度可以達到Ra0.2左右。

其次，刀具材料。在數(shù)控車工的加工中，常見的刀具材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金及其他超硬材料。

1.高速鋼刀具。高速鋼又稱鋒鋼，具有較好的韌性、強度及良好的工藝性，可根據(jù)加工需要刃磨成多種成型刀面，能承受較大的沖擊力，且價格低廉，但硬度為62～68HRC，相對硬質(zhì)合金較低，雖方便多次刃磨使用，但不適合用于精車削硬度較高的毛坯，且加工所得表面質(zhì)量不高，主要集中在Ra3.2～6.3之間，常用于粗加工、半精加工、低轉(zhuǎn)速加工或硬度較低工件的加工。

2.硬質(zhì)合金車刀。主要分為焊接車刀、機夾車刀、可轉(zhuǎn)位車刀和成型車刀。硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性都較高，硬質(zhì)合金的常溫硬度一般為89～93HRA，相當(dāng)于78～82HRC，允許的切削溫度高達800℃～1000℃，即使在540℃時其硬度仍保持在77～85HRA，相當(dāng)于高速鋼的常溫硬度，合適用于高轉(zhuǎn)速加工，有利于獲得較好的表面質(zhì)量。機夾車刀和可轉(zhuǎn)位車刀的刀片可直接使用刀片產(chǎn)品，其刀具角度更加合理，有利于提高表面質(zhì)量，其加工表面粗糙度可達Ra0.2～3.2，常用于半精加工和精加工，但硬質(zhì)合金韌性不如高速鋼，脆性較大，抗彎性較低，容易出現(xiàn)裂紋。另外機夾車刀、可轉(zhuǎn)位車刀通常不適合反復(fù)刃磨使用，使用成本較高。

3.其他超硬材料刀具。隨著科技的發(fā)展，加工工件的材料也越來越豐富，難度也越來越高，新出現(xiàn)了毛坯硬度更高、耐熱性更高或加工過程中有其他特殊要求的工件，傳統(tǒng)普通刀具很難保證其加工質(zhì)量，甚至難以加工。這就要求加工者采用硬度更高、耐熱性更高、耐磨性更好的其他超硬材料，如陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石、立方氮化硼等超硬材料。比如復(fù)雜精密的碳纖維結(jié)構(gòu)件是一種比普通鋼硬度高10倍的超硬材料，僅次于金剛石的硬度，纖維鋪層多變整體的強度和硬度很高，進行加工會產(chǎn)生非常高的溫度，不但加工的部件容易軟化燒焦，對于加工刀具的損耗也很嚴(yán)重，且在加工時為了避免油污等對部件產(chǎn)生影響，往往會有不加冷卻液的干切削要求。由于此類碳纖維制品往往有著極高的精度要求，所以在加工此類制品需要選擇紅耐磨、耐熱不粘黏的加工刀具。

最后，加工工藝參數(shù)。在使用數(shù)控車床加工工件時，加工者先根據(jù)零件圖紙、加工要求、毛坯材料制定工藝流程，其中加工的主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、背吃刀量也直接影響工件的最終表面粗糙度。當(dāng)然這些參數(shù)不能一概而論，還需結(jié)合具體情況具體分析。

1.主軸轉(zhuǎn)速。在一般情況下主軸轉(zhuǎn)速越高越有利于提高工件的表面質(zhì)量，如在用硬質(zhì)合金刀具加工Ф50的表面時，在其他參數(shù)和工量具都一致的情況下，采用S1600轉(zhuǎn)速和采用S800轉(zhuǎn)速加工，前者的表面質(zhì)量肯定高于后者。但轉(zhuǎn)速并非越高越好，還需考慮機床的承受極限、轉(zhuǎn)速對機床剛性的影響、刀具的硬度等參數(shù)影響。通?？蓞⒖妓褂玫毒哒f明書或包裝中注明的推薦進給速度參數(shù)，結(jié)合公式n=1000V/∏D計算所得。

2.進給速度。可以理解為刀具刀尖軌跡在毛坯表面的分布密度，進給速度越小，該密度越大，工件表面質(zhì)量越高，但加工效率越低;反之，該密度越小，表面質(zhì)量越低，加工效率越高，但如果進給速度過大，超過刀具的承受極限，就會加快刀具的磨損，甚至導(dǎo)致刀具崩裂。通常可參考所使用刀具說明書或包裝中注明的推薦進給速度參數(shù)。

3.背吃刀量。粗加工中背吃刀量在刀具的承受范圍內(nèi)越大越好，可有效提高加工效率，雖然較大的背吃刀量會降低中途工件的表面質(zhì)量，但由于其后還有精加工對表面質(zhì)量的把控，故不影響最終表面質(zhì)量。在精加工中背吃刀量不能過大，也不能太小，如果過大，會直接影響最終表面質(zhì)量;如果加工背吃刀量過小，也不能獲得較好的表面質(zhì)量，因為精加工時還必須考慮刀具和工件的韌性影響。假如精車時采用刀具的刀尖圓弧半徑為0.3mm，設(shè)置半徑值0.4mm的背吃刀量，在加工韌性較高的工件時，由于刀尖和工件表面都具有一定的韌性，僅有0.4mm的背吃刀量會導(dǎo)致刀具與工件之間本來應(yīng)該是切削運動關(guān)系轉(zhuǎn)化成為“切削+摩擦”的運功方式，表面摩擦降低了最后的表面質(zhì)量。所以粗車背吃刀量半徑值通常在1～3mm之間，精車背吃刀量半徑值通常在0.5～1.5mm之間。

總之，數(shù)控車床加工所得工件表面質(zhì)量受毛坯材料、刀具、加工工藝、機床構(gòu)造等諸多因素共同的影響結(jié)果，只有合理選擇所有的因素，才能有效提高工件表面質(zhì)量。而合理選擇這些因素也只有操作者通過不斷學(xué)習(xí)材料、工藝等相關(guān)知識，在實際加工中不斷累積加工經(jīng)驗，才能更好地掌控加工工件的表面質(zhì)量。

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