提高金屬切削加工精度的工藝與方法研究

趙傳生

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

近年，國內(nèi)航空航天、機械制造、機床加工等諸多領(lǐng)域?qū)χ圃煨袠I(yè)表現(xiàn)出較高依賴性。為減輕自體重量，提升結(jié)構(gòu)強度，很多中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，尤其是裝備上安設(shè)的主要活動構(gòu)件，多數(shù)情況采用整體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。針對這種構(gòu)件，需要確保加工制造的質(zhì)量，其中產(chǎn)品要高質(zhì)量、高精度，利用聯(lián)合使用切削加工技術(shù)并拓展工藝技術(shù)研究的深度性。若切削加工技術(shù)方案不合理，則生產(chǎn)出的零部件會存在質(zhì)量缺陷，限制了我國制造行業(yè)的發(fā)展。這就要求采用切削加工制造金屬產(chǎn)品時，不斷完善工藝技術(shù)與方法，重視創(chuàng)新，善于總結(jié)經(jīng)驗。

1 影響金屬零件加工精度的主要因素

（1）容易受力變形。部分金屬工件壁面較薄，在加工階段夾緊力作用下形體容易改變，進而降低工件的尺寸與形狀精確度。

（2）容易受熱變形。若工件偏薄，很可能在切削熱作用下誘導(dǎo)工件熱變形過程，在這種工況下，操作人員難以準確調(diào)控工件的規(guī)格尺寸。

（3）容易振動變形。在切削力（尤其是徑向切削力）作用下，容易形成振動與變形，很可能造成工件規(guī)格精確度、外部形狀、方位準確度以及表層粗糙程度和設(shè)計要求之間出現(xiàn)偏差[1]。

2 提升金屬切削加工精度的工藝

金屬切削加工實踐中，在力的相互作用下，刀具與待加工工件之間會遵照一定規(guī)律形成組織改變。在規(guī)劃設(shè)計機床與刀具、加工零部件的切削工藝以及其定額使用階段，要求相關(guān)人員遵照以上變動規(guī)律完成金屬構(gòu)件的切削任務(wù)。為明顯提升金屬切削加工的精準度，生產(chǎn)實踐中有必要選擇適宜工藝。高速切削速度為傳統(tǒng)切削法的6～15 倍，應(yīng)用該技術(shù)可以體現(xiàn)出切削的整體效能。據(jù)資料記載，傳統(tǒng)切削工法的切削速度、各齒輪進給量、進給速度、部件表面粗糙度依次為60 mm/min、0.35 mm、600 mm/min 和12.5 R/μm；高速切削法以上4 項指標對應(yīng)值分別為700 mm/min、0.15 mm、3500 mm/min 和5.2 R/μm。

高速切削法用于生產(chǎn)實踐中，不僅可以提升工作效率，還能降低零件加工中造成的變形問題。和傳統(tǒng)的切削工法進行對比，切削的力度有所增加，同時告訴切削的深度和寬度更高，幅度最高時達到30.0%，因此有效保證了金屬零部件加工制造的精確度。減少或規(guī)避熱變形情況[2]。這主要因為在傳統(tǒng)切削加工制造工況下，被加工的金屬零部件會釋放出很多分布不勻稱的應(yīng)力，并且熱處理工藝參數(shù)也得以改進完善。上述原因會造成金屬部件在加工工程中因為有剩余的預(yù)應(yīng)力外泄出現(xiàn)的變形問題，進而造成金屬零部件整體精度降低，勢必會對產(chǎn)品品質(zhì)造成不良影響。零部件出現(xiàn)一定程度的變形或破損，會影響金屬部件的整體裝配性，同時也會嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。在高速切削工況下，約有90%切削熱伴隨切屑被帶走，金屬構(gòu)件局部表層溫度沒有顯著上升，在這種工況下熱變形程度偏小，有助于提升產(chǎn)品加工制造的精確度。

3 提高金屬切削加工精度的方法

3.1 正確選用刀具

對金屬進行切削處理的目的，主要是為獲得一個外部形狀、規(guī)格大小、精確度等多項指標均符合國標要求的零部件。因此，刀具在金屬切削加工工藝中占有較高地位。

從某種程度分析，金屬切削階段選用的刀具性能優(yōu)劣對零部件加工質(zhì)效起到?jīng)Q定性作用。若刀具選用不當(dāng)，很可能造成金屬零部件精度和規(guī)定的標準要求之間存在較大出入，或?qū)е陆饘俦韺舆^度粗糙、凹凸不平等。如果上述原因得不到重視，則會降低機器加工制造水平。因此，在金屬切削實踐中，一定要依照切削部件屬性選擇最適宜的刀具。可以從兩方面著手。

（1）選用刀具時，一方面在考慮企業(yè)生產(chǎn)效益的基礎(chǔ)上，盡量選擇耐高溫、耐摩擦性能好的刀具，能適度延長刀具使用年限，同時也降低了壓縮金屬的生產(chǎn)成本，提升了刀具的質(zhì)量。另一方面，應(yīng)依照不同金屬材料屬性、加工方法的差異性選擇刀具，例如，打磨金屬零部件時，推薦選用做工較精細、硬度較高、磨粒規(guī)格適宜的刀具；要想順利的完成鋸切，通常會選擇該類型的刀具，可以避免其他刀具因為質(zhì)量問題造成的延誤工期等問題[3]。

（2）科學(xué)設(shè)定刀具的幾何角度。例如，加工制造薄壁金屬構(gòu)件時，刀具的幾何角度會因為切削環(huán)節(jié)出現(xiàn)的熱變形量，切屑力度，切屑軸向等問題帶來一定的影響。首先，刀具前角大小對刀具鋒利程度起著決定性作用。前角角度越大，刀具越鋒利；切削力小，刀具與零部件形成的摩擦力降低，熱變形量隨之下降。如果前角值超過了一定的范圍，會導(dǎo)致刀具鍥角降低，削弱刀具的強度值，刀具耐用性能也相應(yīng)降低。例如，對40Cr 金屬工件進行切削處理，若選用硬質(zhì)合金刀具，粗車時前角取值為5°～8°，有助于增強刀具剛性；精車時前角取8°～12°，目的是減少刀具與金屬工件間的摩擦力，優(yōu)化被加工面表層質(zhì)量。其次，分析刀具后角，其和刀具背面與工件表層摩擦程度存在一定相關(guān)性。伴隨后角增大過程，摩擦力有降低趨勢，切削刀熱也會由此下降。但后角偏大時，會削弱刀具強度。若切削對象為薄壁零件時，粗車設(shè)定的后角偏小，精車后角可以適度提高。再次，切削力軸向或徑向主要是因為刀具的主偏角大小所決定的。伴隨主偏角增加過程，徑向切削力隨之降低，軸向切削力不減反增。在切削薄壁零件時，推薦盡量選用主偏角偏大的刀具[4]。最后，刀具副偏角大小影響被加工金屬構(gòu)件表層粗糙程度，和刀具的強低有直接的聯(lián)系。副偏角偏小，會增加副后面和已加工金屬構(gòu)件表層間的摩擦力，切削會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。進行處理薄壁零件切削過程中，通常建議取副偏角8°～15°。粗車階段可以適度提升副偏角數(shù)值，其目的是強化刀具的耐用性，確保已加工表面粗糙度符合設(shè)計要求。

3.2 科學(xué)裝夾工件

對于薄壁金屬零部件，壁薄是其典型特征，在切削力作用下徑向形體容易發(fā)生變化。科學(xué)裝夾操作有助于提升產(chǎn)品加工的精確度。因此，在具體生產(chǎn)實踐中，不推薦簡單的采用三爪卡盤直接裝夾薄壁零件，這主要是因為夾緊力匯聚于三位點時，增加了工件變形的風(fēng)險。

若能夠增設(shè)薄壁零件的裝夾接觸面，使裝緊力盡量均勻分布，則可以較為明顯改善金屬構(gòu)件的受力狀態(tài)，降低初有形體改變的概率。結(jié)合物理學(xué)壓強公式，當(dāng)壓力F 一定時，伴隨物體受力面積S 的擴增過程，壓強P 有不斷降低趨勢，這也從理論層面證實了上述觀點。為拓展薄壁零件的夾持面積，推薦使用開縫夾套、扇形爪等輔助器具，實踐表明這些均是成本低廉、效果較好的工藝方法。

在科學(xué)技術(shù)日新月異的大背景下，金屬切削加工也逐漸踐行現(xiàn)代化運作路線。數(shù)控機床應(yīng)用范疇有不斷拓展趨勢，要求夾具定位精確、安裝快捷，且能智能化夾緊。依賴彈性心軸在薄壁套上制造孔定位，夾具體完成端側(cè)面定位任務(wù)，拉桿和數(shù)控車床主軸的回轉(zhuǎn)油缸銜接，回轉(zhuǎn)油缸對拉桿運作過程起到驅(qū)動作用，達成智能化夾緊目的[5]。

3.3 合理使用切削液

這是降低切削熱對產(chǎn)品加工精度影響程度的有效方法。這主要是因為切削金屬零部件階段，工件對切削過程會形成一定阻力，引起彈性與塑形變形。切削區(qū)段會形成大量的切削熱，切屑、刀具、工件間摩擦過程也會釋放大量熱，會給刀具造成不同程度的損傷，使得被加工工件表層粗糙度不符合設(shè)計要求，誘導(dǎo)工件受熱變形過程。在切削薄壁零件時，要提升切削液利用率，確保切削以及切屑的有效性。

4 案例應(yīng)用與分析

以某型號設(shè)備的工作臺為例，加以說明[6]。

（1）設(shè)計要求。其中工作臺安裝面的平整度要求＜0.15 mm，材料力學(xué)、堅硬度等指標均符合國標要求。

（2）仿真目標。基于仿真技術(shù)，分析切削、熱處理等工藝參數(shù)，剖析機械加工工藝全過程對工件、刀具形成的影響及作用機制。

（3）要按照國標的具體要求，參考目前工藝標準和具體參數(shù)。要求即時處理，溫度180 ℃，保溫時長8 h，總時間≥20 h。當(dāng)溫度為180 ℃、160 ℃、190 ℃時，工作臺變形范圍依次為-1.1～0.636 mm、-0.986～0.665 mm、-1.1～0.634 mm，殘余應(yīng)力分別為0.0344～377 MPa、0.0282～355 MPa、0.0344～377 MPa。

（4）設(shè)置切削加工仿真參數(shù)。可轉(zhuǎn)位刀具內(nèi)徑25 mm，齒數(shù)2 個，轉(zhuǎn)數(shù)18 800 r/min，進給速度800 mm/min，切削量2 mm，刀具制造材料以Carbide-General 為主，工件材料選為AL6061。

（5）優(yōu)化切削加工工藝。將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)數(shù)18 800 r/min，進給速度800 mm/min，切削量2 mm 設(shè)定為設(shè)計變量，要優(yōu)化切削的加工工藝[7]。

結(jié)合熱處理工藝仿真分析結(jié)果，本工作臺的變形量為0.634～-1.10 mm。通過維持現(xiàn)存的切削材料進給速度、提升主軸轉(zhuǎn)速，刀具的軸向以及進給方向的切削力度也有所降低。

基于熱處理與切削優(yōu)化工藝參數(shù)對試件做加工處理，認為仿真優(yōu)化切削工藝參數(shù)有助于提升金屬整體件加工精度。

5 結(jié)束語

分析金屬切削加工工藝，探究幾種可執(zhí)行度較高的工藝與方法。立足于金屬加工切削現(xiàn)實需求，科學(xué)選用刀具，有針對性地調(diào)整刀具使用過程中的幾何角度，合理使用切削液等，加大仿真分析技術(shù)的應(yīng)用，希望對提升金屬加工切削精度有所幫助。