提高數控車削工件加工精度方法的再研究

摘 要：影響數控車削工件加工精度的因素較多，包括機床、刀具、工藝、夾具等，近幾年這方面的研究成果較為豐富。文章基于多年來從事數控車削教學及科研的工作經驗，重點分析了影響數控車削工件加工精度的因素，并研究因素參數與精度目標函數的相關性顯著與否，進而根據其顯性結果，僅從刀具和裝夾兩個方面研究提高數控車工件加工精度的方法及改進措施，實踐表明方法可行。

關鍵詞：數控車床；加工精度；刀具材料

數控車床是目前使用最多的一種自動化機床，它可以完成復雜、精密、小批、多變的零件車削，程序編程人員在利用數控車床加工時，首先要進行工藝分析。根據被加工工件的材料、輪廓形狀、加工精度等選用合適的機床，制定加工方案，確定零件的加工順序，各工序所用刀具，夾具和切削用量等。因此，影響零件加工質量的因素很多，除了機床本身的精度外，還受機床、工藝、編程、零件的安裝以及刀具的選擇與切削用量的確定等影響，以下重點從刀具的合理選擇和工件的裝夾方法兩方面具體分析。

1 刀具的合理選擇

刀具的合理選擇是數控加工工藝中的重要內容，根據工藝系統剛性、加工零件結構特點、技術要求等情況綜合考慮，選擇不同的刀具和切削用量對不同零件表面進行加工，可以提高零件的加工質量。

1.1 刀具材料和刀尖幾何角度的選擇

隨著現代科學技術的快速發展，各種高硬度的工程材料已經被采用，涂層硬質合金、陶瓷、PCBN等超硬刀具材料具有高溫硬度、耐磨性和化學穩定性，因此為一些高硬度材料的車削加工提供了前提條件，而且在生產中也取得了一定的顯著效益。尤其是陶瓷材料的使用，在不久的將來會更加普遍。因此，如何選擇超硬材料，并設計出合理的刀具結構及幾何參數對零件的加工質量起到不可忽視的影響。涂層硬質合金就是在硬質合金刀具上涂1層或多層耐磨性好的TIN、TICN、TIALN和AL3O2等。涂層的厚度一般為2～18μm，熱傳導系數要比刀具基體和工件材料的系數低。這樣可以有效地改善切削過程中的摩擦和粘附作用，降低切削熱的生成。近年來，許多廠家都通過改進涂層材料來提高刀具的性能，進而提高車削的加工質量。如采用瑞士ALTIN涂層材料生產的涂層刀片，硬度可達HV4500～4900，可在498.56m/min的速度時切削硬度HRC47～58的模具鋼。在車削溫度達到1500～1600℃時仍然硬度不降低、不氧化，刀具壽命為一般涂層刀片的4倍，而成本只有30%。陶瓷刀具的耐用度極高，切削速度比硬質合金提高2～5倍，彎管機廠家用的比較多，特別適合他們加工高硬度材料、精加工以及高速加工，可切削硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵等。常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷。PCBN刀具硬度僅次于金剛石，最適于加工鑄鐵、淬硬鋼等材料的高速切削。切削時，當切削速度達到一定限度后，切削速度越高，后刀面磨損速度反而越小。也就是說，高速切削下，刀具的壽命反而高，這一優點特別適合現代高速切削。

刀具的準備，除了正確選擇刀具材料外，還需要合理的選擇刀具幾何角度，以及合理運用刀尖過渡形狀來提高零件加工質量。按刀具強度而言，各種刀片形狀的刀尖強度從高到低依次為：圓形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料選擇后，應選擇強度盡可能高的刀片形式。車刀的幾何角度有主偏角、副偏角、刀尖角、刃傾角、前角、后角和副后角。一般情況下，粗加工時，由于切削力大，刀具磨損較快，應減小前角和后角車削（前角0°～10°，后角6°～8°）。精加工時，正好相反。加工細長零件時，由于剛性較差，為了減少切削時的徑向力，主偏角和前角選擇大一點（主偏角75°～90°，前角10°～30°）。它們和工件材料的選擇也有一定的聯系，例如，在加工灰鑄鐵時，主偏角應選擇45°～75°之間，前角應選擇0°～10°之間，后角應選擇6°～12°之間；加工不銹鋼時，主偏角應選擇在75°～90°之間，前角應選擇在15°～30°，后角應選擇在8°～10°之間。

1.2 切削用量的合理選擇

刀具材料的選用和切削用量的選擇也是密切相關的，例如，鈦合金導熱性能較差，這就需要使用低切削速度和進給率來最大限度地減少熱量積聚。在確定所有加工的初始切削參數時，必須選擇適當的切削深度和進給率以避免刀具磨損，并限制熱量的產生。實際加工經驗告訴我們，選擇適宜的切削用量是在對生產單位現有的加工條件，如設備、刀具等進行綜合分析的基礎上確定的。比如車一軸類零件，根據加工要求可以是粗車、精車，也可以是粗車、半精車、精車，不同工序編排切削用量選擇是不一樣的；原材料不同時，如鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、鋁粗車切削用量也不一樣；同一工件用合金刀或硬質合金刀具切削用量也不一樣。因此切削用量的合理選擇是提高零件車削質量的又一關鍵因素。切削速度過高雖然加工時間縮短但會導致刀具快速磨損，而速度過低將會使刀具無法高效工作。切削深度通常對刀具壽命的影響微乎其微，但切削速度對刀具壽命影響深遠。因此我們應該實現進給率和切削深度的可靠組合后，再確定切削速度。精車時，由于對加工精度和表面粗糙度要求較高，加工余量不大且較均勻，因此，精車時應選用較小（但不能太小）的背吃刀量和進給量，并選用性能高的刀具材料和合理的幾何參數，以盡可能提高切削速度。

2 工件裝夾的合理選擇

數控車床裝夾工件的方法與普通車床基本一樣。常用的通用夾具是三爪卡盤，工件在裝夾時，不能伸的太長，如：工件直徑？艽

20mm，懸伸長度不能大于直徑的3倍；若工件直徑>20mm，其懸伸長度不能大于直徑的4倍。其它一些特殊零件，一定要選擇合理的裝夾方法，否則將不能發揮出數控車床高精度加工的優點。如加工細長軸（長徑比L/D>25）時，采用的是一頂一夾或兩頂尖裝夾，為了防止工件受徑向切削力的作用而產生彎曲變形，常用中心架或跟刀架作為輔助支承，以增加工件剛性。使用中心架和跟刀架時，工件轉速不宜過高，并需對支承爪加注機油滑潤。當彎曲較大時，要采用四爪單動卡盤裝夾，卡爪夾持毛坯不能太長，一般為15～20mm，并且要加墊銅皮充當墊塊。尾座端可采用彈性回轉頂尖，能補償工件的熱變形，避免發生彎曲。車薄壁工件時，由于它的強度弱，在卡盤上夾緊時如果用力太大，會使薄壁零件產生工件變形，因而引起圓度誤差。反之，又會使零件在車削時因松動而報廢。所以采用軸向夾緊，開縫套筒夾緊或用軟爪夾緊的方法，增大零件的裝夾接觸面，減小每一點的夾緊力，進而減少變形，另外還可在一端預先留出較厚的工藝凸緣。

影響數控車床加工精度的因素很多，而數控車床上加工的零件又復雜多樣，位置和形狀千變萬化，加上材料、批量、工藝不同的影響，所以哪個因素都不能忽視。如何更好地發揮數控車床的優越性，提高零件的加工質量和生產率是數控車床使用人員值得深入探討的問題。

參考文獻

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