提高數控鑽床切削效率、降低加工(gōng)成本

提高切削效率、降低加工(gōng)成本是金屬切削技術(shù)長期追求的發展目标。一般來(lái)講，提高切削效率、降低加工(gōng)成本主要有三個途徑：提高切削速度、提高進給速度和提高切削。

1．高速切削

切削速度的提高反映了機(jī)械制造整體(tǐ)技術(shù)水平的進步，爲機(jī)械制造業帶來(lái)了巨大(dà)的經濟效益。從(cóng)切削加工(gōng)的發展曆史來(lái)看(kàn)，通常是通過和改進切削刀具材料來(lái)大(dà)幅度提升切削速度，從(cóng)而達到提高切削效率、降低生(shēng)産成本的目的。20世紀80年(nián)代以來(lái)，歐美刀具制造業經過大(dà)量的試驗研究，對切削機(jī)理(lǐ)的認識有了新的突破，認爲當切削速度的提過某個臨界值（因材料而異）後，刀具的磨損并非按照(zhào)泰勒曲線的規律急劇(jù)增加，而是在以後的某個區間内随切削速度的提高而有所減少，并在經曆一個谷底後再重新上升。雖然對這一現象尚未一緻的理(lǐ)論解釋，但(dàn)并不妨礙根據這一規律在此谷底附近區間進行高速加工(gōng)技術(shù)的應用。目前，工(gōng)業發達的航空、汽車、動力機(jī)械、模具、軸承、數控鑽床等行業依據這個理(lǐ)論發展高速切削，使上述行業的産品質量明顯提高，加工(gōng)成本大(dà)幅度降低，獲得(de)了市場競争優勢。?

理(lǐ)論分(fēn)析和實踐證明，高速切削是一個系統工(gōng)程。從(cóng)技術(shù)的層面上看(kàn)，高速切削涉及高速主軸單元、進給和高加（減）速度的驅動系統、的cnc控制系統、高剛性的數控鑽床結構、數據的處理(lǐ)和傳送、動平衡控制、超硬刀具材料和鍍層工(gōng)藝技術(shù)等各個方面；從(cóng)管理(lǐ)的層面上看(kàn)，高速切削涉及高速加工(gōng)理(lǐ)念、新的管理(lǐ)方法等。作(zuò)爲系統的一部分(fēn)，各個環節隻有互相(xiàng)協調，才能發揮其應有的效益。如(rú)在加工(gōng)模具的曲面時，如(rú)果其它環節都(dōu)符合高速加工(gōng)的要求，但(dàn)其cam的數據處理(lǐ)隻使用直線插補而不是圓弧插補或樣條曲線插補來(lái)模拟工(gōng)件(jiàn)表面的曲線，數控鑽床的進給系統總是處在不停的加減速過程中，就(jiù)無法達到預定的進給速度，從(cóng)而限制了切削效率的提高和生(shēng)産成本的降低。同樣，如(rú)果在高速銑削中選用普通結構的三刃立銑刀，由于其通常采用一齒過中心的結構，動平衡性能先天不足，同樣也不能達到預定的轉速，不能獲得(de)預期的加工(gōng)效率。

瓦爾特公司是的金屬加工(gōng)刀具企業之一，在與世界各地的制造業尤其是德國(guó)汽車業的合作(zuò)中積累了大(dà)量的成功經驗。瓦爾特（無錫）有限公司很早就(jiù)在中國(guó)開始了高速加工(gōng)的實踐。看(kàn)到高速切削正在中國(guó)發展，作(zuò)爲國(guó)内企業的系統刀具夥伴，瓦爾特（無錫）非常願意與中國(guó)制造業共同分(fēn)享高速切削的技術(shù)成果。

在高速切削加工(gōng)中，首先應充分(fēn)重視刀具性問(wèn)題。銑削是目前高速切削應用的主要工(gōng)藝，銑刀（包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀）是主要的高速切削刀具。這類刀具在高速旋轉時各部分(fēn)都(dōu)要承受很大(dà)的離(lí)心力，由于其作(zuò)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過切削力的作(zuò)用（過大(dà)的離(lí)心力足以導緻刀體(tǐ)破碎），因此成爲刀具的主要載荷。德國(guó)在20世紀90年(nián)代初就(jiù)開始了對高速銑刀性技術(shù)的研究，并在機(jī)器制造商協會的支持下，組成了由大(dà)學研究機(jī)構、刀具制造廠(chǎng)、研究所和刀具用戶參加的工(gōng)作(zuò)組，從(cóng)事(shì)高速銑刀性技術(shù)的研究。經過近十年(nián)的工(gōng)作(zuò)，取得(de)了一系列階段性成果，制定了德國(guó)标準并被采納爲歐洲标準，推動了世界範圍内高速切削技術(shù)的發展。在此過程中，瓦爾特公司與工(gōng)作(zuò)組一起就(jiù)高速銑刀的強度計(jì)算進行了研究。通過專門(mén)用于高速銑刀的有限元計(jì)算方法，分(fēn)别了刀體(tǐ)、刀座、刀片、夾緊螺釘的計(jì)算模塊，還(hái)可(kě)模拟刀片在刀座裡(lǐ)的滑動、螺釘頭在擰緊和工(gōng)作(zuò)載荷下的變形等。研究計(jì)算顯示，當轉速達到某臨界速度時，螺釘達到臨界應力而出現拉伸變形。而在達到臨界速度之前，螺釘首先産生(shēng)彎曲，實際長度變長，夾緊力下降，造成刀片産生(shēng)位移。

爲了切削加工(gōng)的，德國(guó)标準規定刀具産品應在至少超過廠(chǎng)家标稱的轉速60%的情況下才能發生(shēng)位移，在至少超過廠(chǎng)家标稱的轉速100%的情況下才能發生(shēng)解體(tǐ)或整體(tǐ)刀具的折斷。

在實際應用中，瓦爾特公司在2000年(nián)的綜合樣本上，列出了幾乎所有的擴孔、镗孔刀具和銑刀在不同直徑下的的轉速，在使用規定的原産刀片和原産配件(jiàn)的條件(jiàn)下銑削是非常的。而在德國(guó)達姆斯塔學的實驗中，瓦爾特标稱轉速8000r/min的銑刀在實際轉速高達36700r/min時才發生(shēng)解體(tǐ)，也充分(fēn)說(shuō)明了瓦爾特刀具本身(shēn)具有足夠的性。随着高速加工(gōng)的應用日(rì)益廣泛，現在越來(lái)越多的歐美刀具廠(chǎng)商在刀具設計(jì)階段就(jiù)考慮對高速切削的适應性。如(rú)瓦爾特的球頭銑刀新産品f2339，其刀片底面有兩個空刀窩，可(kě)與刀體(tǐ)上的凸起部分(fēn)相(xiàng)配合，對作(zuò)用在夾緊螺釘上的離(lí)心力起卸載作(zuò)用，使其可(kě)以采用相(xiàng)對較高的切削速度。高速銑削時，加工(gōng)鋁合金的面銑刀在直徑較大(dà)時其轉動慣量也會很大(dà)，因此瓦爾特對加工(gōng)鋁合金的大(dà)直徑銑刀采用了鋁合金刀體(tǐ)，地降低了轉動慣量，增加了刀具的性。2003年(nián)，瓦爾特還(hái)推出了能在尺寸調節過程中自(zì)動進行平衡适應的镗刀。

高速加工(gōng)時，除了刀具本身(shēn)的性，刀具夾持系統的性和安裝後的整體(tǐ)動平衡性能也充分(fēn)重視。瓦爾特推薦在高速切削中使用hsk空心短(duǎn)錐柄作(zuò)爲刀具與數控鑽床的接口，刀柄與刀具的接口采用液壓式、熱(rè)膨脹式，而将标準的圓柱柄（不帶削平結構）作(zuò)爲刀具柄部的主要形式。在非常高的轉速下，除刀具和夾持系統本身(shēn)的平衡是的前提條件(jiàn)外，刀具安裝後仍需要進行整體(tǐ)的平衡。因此，用于加工(gōng)鋁合金的大(dà)尺寸銑刀能進行平衡調整。一般說(shuō)來(lái)，高速切削條件(jiàn)下的盤類刀具至少應進行靜(jìng)平衡，而杆類刀具則進行動平衡。由于我業較少在引進高速數控鑽床的同時引進平衡設備，因此希望能引起刀具用戶的重視。同時，筆者認爲國(guó)内刀具供應商也加強高速刀具性的研究，以我國(guó)高速切削技術(shù)的發展。?

由于高轉速帶來(lái)高的金屬切除率，因此，即使是加工(gōng)鋁合金也會對數控鑽床的功率提出很。計(jì)算表明，用直徑30mm的3齒玉米銑刀加工(gōng)寬30mm、也爲30mm的槽，如(rú)采用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的進給量，功率可(kě)能達到57.6kw。因此，瓦爾特公司推薦用戶采用的高速切削策略是：高的切削速度、中等的進給量和小的切削。對于大(dà)餘量加工(gōng)，建議(yì)采用分(fēn)層切削。?

2.高進給切削

按傳統方式進行精加工(gōng)時，由于對工(gōng)件(jiàn)表面粗糙度有的要求，刀具的進給量較小。例如(rú)車削表面粗糙度要求爲ra0.4μm的圓柱表面，當刀尖圓角爲0.8mm時，其進給量fz應不超過0.10mm/r。爲了滿足切削的要求，目前刀具制造業已開始向用戶推薦高進給的wiper刀片。wiper車刀片一般是按設計(jì)的主偏角在副切削刃上制造出一個直線形的修光(guāng)刃（也有用大(dà)直徑圓弧作(zuò)修光(guāng)刃的）。在理(lǐ)論上，如(rú)果不考慮系統剛性和修光(guāng)刃本身(shēn)的微觀缺陷，隻要進給量不超過刀具修光(guāng)刃的寬度，則工(gōng)件(jiàn)的表面粗糙度僅受工(gōng)件(jiàn)材料晶粒大(dà)小的影(yǐng)響（這個影(yǐng)響是微乎其微的）。在實踐中，某汽車零部件(jiàn)制造企業使用瓦爾特的wiper車刀片采用了0.3mm/r的進給量，比原有加工(gōng)效率提高三倍多，而工(gōng)件(jiàn)表面粗糙度仍達到ra0.4μm。

與此同時，瓦爾特也緻力于大(dà)進給銑刀的。今年(nián)，瓦爾特的大(dà)進給銑刀f2330已經問(wèn)世。這種銑刀具有變化的主偏角（處爲0°，外徑處的主偏角約15°），切深一般不超過2mm，而進給量可(kě)以達到每齒3.5mm。以工(gōng)作(zuò)直徑52mm的瓦爾特f2330銑刀爲例，由于該銑刀具有3個刀齒，故刀具每轉進給量可(kě)超過10mm。

3.大(dà)餘量切削

國(guó)内一般将大(dà)餘量切削稱爲重切削。在筆者看(kàn)來(lái)，大(dà)餘量切削雖然也是切削的一個方面，但(dàn)總體(tǐ)上并不能稱爲。過去(qù)隻有幾家刀具制造商生(shēng)産采用立裝刀片結構的重切削銑刀，近年(nián)來(lái)，包括瓦爾特公司在内的一些主要刀具制造商都(dōu)可(kě)供應多種重切削銑刀。

筆者認爲，值得(de)注意的是用于模具深腔粗加工(gōng)的大(dà)餘量切削銑刀。通常在加工(gōng)型腔時采用沿等高線切削的加工(gōng)方法，即使采用爬坡法也屬于斜向切削。由于采用這兩種加工(gōng)方法均存在的徑向切削力，而在深腔加工(gōng)中刀具懸伸較長，爲了避免在徑向切削力的周期性作(zuò)用下産生(shēng)振動，通常采用較低的切削用量，從(cóng)而使得(de)切削效率較低。瓦爾特公司近年(nián)推出的插入式銑刀f2230，采用的軸向進給，從(cóng)而在銑刀上幾乎沒有軸向切削力，使切削用量和生(shēng)産效率得(de)以大(dà)幅度提高。2002年(nián)，湖南(nán)一公司粗加工(gōng)材料爲30crmnti的傳動輪，過去(qù)采用某刀具公司的玉米銑刀進行分(fēn)層切削，整個粗加工(gōng)時間過長（耗時約90分(fēn)鍾），在加工(gōng)到一半時還(hái)需更換刀片，因此僅粗加工(gōng)時的刀片消耗就(jiù)達約300元人(rén)民(mín)币。采用瓦爾特f2230銑刀後，加工(gōng)效率大(dà)幅度提高，耗時減少到51分(fēn)鍾，一次裝夾刀片後可(kě)以加工(gōng)1.5～2個工(gōng)件(jiàn)，工(gōng)件(jiàn)粗加工(gōng)時的刀片消耗降至約100元人(rén)民(mín)币。由于刀具費用、數控鑽床費用和換刀費用都(dōu)顯著減少，因此每年(nián)節省制造費用約9.8萬元人(rén)民(mín)币，經濟效益明顯提高。

筆者認爲：加工(gōng)技術(shù)的發展和應用前景廣闊。在上述三類切削方法中，大(dà)餘量切削的發展餘地相(xiàng)對有限，因爲大(dà)的加工(gōng)餘量代表着較低的材料利用率和相(xiàng)對較低的經濟效益，而且随着鑄造、鍛造等工(gōng)藝的不斷發展，大(dà)餘量切削的應用場合會進一步減少。因此，研究的應集中在高速切削和高進給量切削技術(shù)方面，其中高速切削又是重視的加工(gōng)方式。在高速切削内還(hái)有許多工(gōng)件(jiàn)材料的切削特性需要在不斷的切削實踐中被認知，而随着材料技術(shù)尤其是納米技術(shù)的發展，刀具材料的切削性能也将不斷提升。這些刀具技術(shù)的發展必将同數控鑽床制造技術(shù)、數據處理(lǐ)和傳輸技術(shù)、切削熱(rè)控制技術(shù)等相(xiàng)關技術(shù)的進步形成良性互動，從(cóng)而切削技術(shù)的不斷發展。