提高數(shù)控車削工件加工精度方法的再研究

摘 要：影響數(shù)控車削工件加工精度的因素較多，包括機(jī)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(shù)控車削教學(xué)及科研的工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了影響數(shù)控車削工件加工精度的因素，并研究因素參數(shù)與精度目標(biāo)函數(shù)的相關(guān)性顯著與否，進(jìn)而根據(jù)其顯性結(jié)果，僅從刀具和裝夾兩個(gè)方面研究提高數(shù)控車工件加工精度的方法及改進(jìn)措施，實(shí)踐表明方法可行。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；加工精度；刀具材料

數(shù)控車床是目前使用最多的一種自動(dòng)化機(jī)床，它可以完成復(fù)雜、精密、小批、多變的零件車削，程序編程人員在利用數(shù)控車床加工時(shí)，首先要進(jìn)行工藝分析。根據(jù)被加工工件的材料、輪廓形狀、加工精度等選用合適的機(jī)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(zhì)量的因素很多，除了機(jī)床本身的精度外，還受機(jī)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(diǎn)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(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，根據(jù)工藝系統(tǒng)剛性、加工零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求等情況綜合考慮，選擇不同的刀具和切削用量對(duì)不同零件表面進(jìn)行加工，可以提高零件的加工質(zhì)量。

1.1 刀具材料和刀尖幾何角度的選擇

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種高硬度的工程材料已經(jīng)被采用，涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、PCBN等超硬刀具材料具有高溫硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)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(chǎn)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(huì)更加普遍。因此，如何選擇超硬材料，并設(shè)計(jì)出合理的刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)對(duì)零件的加工質(zhì)量起到不可忽視的影響。涂層硬質(zhì)合金就是在硬質(zhì)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(dǎo)系數(shù)要比刀具基體和工件材料的系數(shù)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(jìn)涂層材料來提高刀具的性能，進(jìn)而提高車削的加工質(zhì)量。如采用瑞士ALTIN涂層材料生產(chǎn)的涂層刀片，硬度可達(dá)HV4500～4900，可在498.56m/min的速度時(shí)切削硬度HRC47～58的模具鋼。在車削溫度達(dá)到1500～1600℃時(shí)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(zhì)合金提高2～5倍，彎管機(jī)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(dá)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(shí)，當(dāng)切削速度達(dá)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(yōu)點(diǎn)特別適合現(xiàn)代高速切削。

刀具的準(zhǔn)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(yùn)用刀尖過渡形狀來提高零件加工質(zhì)量。按刀具強(qiáng)度而言，各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)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(yīng)選擇強(qiáng)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(shí)，由于切削力大，刀具磨損較快，應(yīng)減小前角和后角車削（前角0°～10°，后角6°～8°）。精加工時(shí)，正好相反。加工細(xì)長(zhǎng)零件時(shí)，由于剛性較差，為了減少切削時(shí)的徑向力，主偏角和前角選擇大一點(diǎn)（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(lián)系，例如，在加工灰鑄鐵時(shí)，主偏角應(yīng)選擇45°～75°之間，前角應(yīng)選擇0°～10°之間，后角應(yīng)選擇6°～12°之間；加工不銹鋼時(shí)，主偏角應(yīng)選擇在75°～90°之間，前角應(yīng)選擇在15°～30°，后角應(yīng)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(guān)的，例如，鈦合金導(dǎo)熱性能較差，這就需要使用低切削速度和進(jìn)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(shù)時(shí)，必須選擇適當(dāng)?shù)那邢魃疃群瓦M(jìn)給率以避免刀具磨損，并限制熱量的產(chǎn)生。實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)告訴我們，選擇適宜的切削用量是在對(duì)生產(chǎn)單位現(xiàn)有的加工條件，如設(shè)備、刀具等進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上確定的。比如車一軸類零件，根據(jù)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(shí)，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(zhì)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(zhì)量的又一關(guān)鍵因素。切削速度過高雖然加工時(shí)間縮短但會(huì)導(dǎo)致刀具快速磨損，而速度過低將會(huì)使刀具無法高效工作。切削深度通常對(duì)刀具壽命的影響微乎其微，但切削速度對(duì)刀具壽命影響深遠(yuǎn)。因此我們應(yīng)該實(shí)現(xiàn)進(jìn)給率和切削深度的可靠組合后，再確定切削速度。精車時(shí)，由于對(duì)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(shí)應(yīng)選用較小（但不能太小）的背吃刀量和進(jìn)給量，并選用性能高的刀具材料和合理的幾何參數(shù)，以盡可能提高切削速度。

2 工件裝夾的合理選擇

數(shù)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(shí)，不能伸的太長(zhǎng)，如：工件直徑？艽

20mm，懸伸長(zhǎng)度不能大于直徑的3倍；若工件直徑>20mm，其懸伸長(zhǎng)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(fā)揮出數(shù)控車床高精度加工的優(yōu)點(diǎn)。如加工細(xì)長(zhǎng)軸（長(zhǎng)徑比L/D>25）時(shí)，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(chǎn)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(shí)，工件轉(zhuǎn)速不宜過高，并需對(duì)支承爪加注機(jī)油滑潤(rùn)。當(dāng)彎曲較大時(shí)，要采用四爪單動(dòng)卡盤裝夾，卡爪夾持毛坯不能太長(zhǎng)，一般為15～20mm，并且要加墊銅皮充當(dāng)墊塊。尾座端可采用彈性回轉(zhuǎn)頂尖，能補(bǔ)償工件的熱變形，避免發(fā)生彎曲。車薄壁工件時(shí)，由于它的強(qiáng)度弱，在卡盤上夾緊時(shí)如果用力太大，會(huì)使薄壁零件產(chǎn)生工件變形，因而引起圓度誤差。反之，又會(huì)使零件在車削時(shí)因松動(dòng)而報(bào)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(diǎn)的夾緊力，進(jìn)而減少變形，另外還可在一端預(yù)先留出較厚的工藝凸緣。

影響數(shù)控車床加工精度的因素很多，而數(shù)控車床上加工的零件又復(fù)雜多樣，位置和形狀千變?nèi)f化，加上材料、批量、工藝不同的影響，所以哪個(gè)因素都不能忽視。如何更好地發(fā)揮數(shù)控車床的優(yōu)越性，提高零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率是數(shù)控車床使用人員值得深入探討的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]謝曉紅.數(shù)控車削編程與加工技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005，7.

[2]李宏勝，等.機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2004.