提高数控加工中心切削效率的途径

数控加工作为现代制造业先进生产力的代表，在机械、航空航天和模具等行业发挥着极为重要的作用。90年代以来，欧、美、日各国竞相开发和应用新一代高速数控机床，加快了机床高速化发展步伐。高速主轴单元中电机主轴转速15000～100000r/min，高速且高加/减速度的进给运动部件的快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min，高速
加工中心进给速度可达80m/min，空运行速度可达100m/min左右。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，主轴转速已达60000r/min。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。而新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用与超高速切削紧密相关。

1.国内外加工中心切削水平的差异

                      

目前先进国家的车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；机床主轴转数在30000r/min(有的高达10万r/min)以上。例如：在铣削平面时，国外的切削速度一般大于1000～2000m/min，而国内只相当于国外的1/12～1/15，即国内干12～15个小时的活相当于国外干1个小时。据调查，许多加工中心的实际切削时间不到工作时间的55%。因此，如何提高加工效率，降低废品率成了众多企业共同探讨的问题。对国内数控加工中心切削效率部分调查发现，普遍存在如刀具精度低、刀片跳动量大、加工光洁度低、工艺设备不配套等诸多问题。

2.提高切削效率的途径

（1）合理选择切削用量

                      

当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力，成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。

                      

实践证明，当切削速度提高10倍，进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”后，切削机理发生了根本的变化。其结果是：单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，大幅度降低了留在工件上的切削热，切削振动几乎消失；切削加工发生了本质性的飞跃。根据目前机床的情况来看，要充分发挥先进刀具的高速加工能力，需采用高速加工，增大单位时间材料被切除的体积(材料切除率Q)。

                      

在选择合理切削用量的同时，尽量选择密齿刀（在刀具每英寸直径上的刀齿数≥3），增加每齿进给量，提高生产率及刀具寿命。有关试验研究表明：当线速度为165m/min，每齿进给为0.04mm时，进给速度为341m/min，刀具寿命为30件。如果将切削速度提高到350m/min，每齿进给为0.18mm，进给速度则达到2785m/min，是原来加工效率的817%，而刀具寿命增加到了117件。

（2）选择性能好的刀具材料

                      

在数控机床切削加工中，金属切削刀具的作用不亚于瓦特发明的蒸气机。制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形。目前国内外性能好的刀具材料主要有：金属陶瓷、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）刀具等。它们各具特点，适应的工件材料和切削速度范围各不相同。CBN适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等，如加工高硬钢件(50～67HRC)和冷硬铸铁时主要选用陶瓷刀具和CBN刀具，其中加工硬度60～65HRC以下的工件可用陶瓷刀具，而65HRC以上的工件则用CBN刀具进行切削；PCD适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等，加工铝合金件时,主要采用PCD和金刚石膜涂层刀具；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具；硬质合金涂层刀具（如涂层TiN、TiC、TiCN、TiAIN等）虽然硬度较高，适于加工的工件范围广，但其抗氧化温度一般不高，所以切削速度的提高也受到限制，一般可在400～500m/min范围内加工钢铁件，而Al2O3涂层的高温硬度高，在高速范围内加工时，其耐磨性较TiC、TiN涂层都好。

                      

此外，刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量有很大影响，高速切削时的刀具前角一般比普通切削时小10°，后角大5°～8°。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大局部刀尖角，增大刀尖附近切削刃的长度和刀具材料体积，以提高刀具刚性和减少刀具破损率。

（3）加快涂层技术的开发

                      

刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中所占比例已超过50%。在21世纪初，涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破CBN涂层技术，使CBN的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用(包括精密复杂刀具和成形刀具)，这将全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层和新型涂层材料的开发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。

（4）选择高精度刀片

                      

刀片精度低，跳动量太大，面铣刀加工的平面光洁度将降低，甚至出现沟状。高精度数控机床上刀片的跳动量应控制在2～5μm。随着数控机床的发展，相应出现刀片的表面改性涂层处理（基体为高速钢、ＷCｏ类硬质合金、Ｔi基类金属陶瓷），很大程度上提高了刀片精度。与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如用于车削的高效刮光刀片、形状复杂的带前角铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等。可转位刀片进入了材料、涂层、槽型综合开发的新阶段，可根据加工材料和加工工序合理组合材料、涂层、槽型的功能，开发出具有最佳加工效果的刀片，以满足高速、高寿命切削加工生产技术的不同要求。

（5）提高加工表面质量

                      

在保持相同的切削效率(即相同Q值)下，提高切削速度可改善切屑形成过程和增加切削阻尼，抑制颤振，相应地减少每个刀齿的进给量能降低切削表面轨迹形成的残留高度，改善表面粗糙度，从而有利于精密零件和模具的加工。

（6）建立合理的刀具储备

                      

这里的刀具是指高切削效率刀具，而这些刀具的价格较高，相同直径的铣刀，好刀具的价格可能是普通刀具的几倍甚至十几倍。如果一个企业长期存放一大批好刀具，而这些刀具又可能长时间用不上，则造成资金积压。但如果平常一把刀具也不储备，或储备数量太少，很快就用完了，而新刀具一时又买不到，这样必然会影响数控加工的效率。绝大多数企业的加工中心的刀库均可容纳40把刀具以上，并有60、90、120等不同刀数的刀库可供选择。刀具之间交换时间越来越短，德国STEINEL公司的BZ－26，日本MAKINO公司的MCC86，美国CINCINNATI公司的MAXIM500型加工中心的换刀时间只需3～4s。

（7）设计简易的磨刀夹具

                      

机夹铣刀盘效率高，使用方便，深受操作者欢迎，但刀片消耗量大，使用成本高，而且多数情况下刀片的损坏是由于刃口磨损造成的，因此刀片的重磨再利用对工厂来说可获得较高经济效益。硬质合金刀片的硬度高，磨削效率低，采用单片磨削将达不到节约的目的，需设计出高效简单的夹具，实现一次装夹多个刀片。

（8）加工方式的选择

                      

加工方式可分为顺铣与逆铣两种。而加工中心的机械传动系统和结构本身就有较高的精度和刚度，相对运动面的摩擦系数小，传动部件的间隙小，运动惯量小，并有适当的阻尼比，因此可以采用顺铣的方式加工，以提高加工效率。此外，根据加工经验，顺铣比逆铣时刀具寿命要提高1倍多，采用不对称的立铣方法，刀具寿命可提高2～3倍。（9）选择合理的加工路线

                      

数控机床特别是4轴以上加工中心，一般是一次装夹、多方位加工，并且都有刀库，可自动更换刀具，一次加工成形。因此确定正确简洁的加工路线，是保证加工质量和提高效率的基础。编程时确定加工路线的原则主要有：应能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求；应尽量缩短加工路线，减少刀具空程移动时间；应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。如对于位置精度和尺寸公差要求高的孔加工来说，孔直径小于18～20mm的加工工艺路线为：钻中心孔－钻孔－扩孔－铰孔，而对于孔直径大于18～20mm的加工工艺路线则为钻孔－扩孔－粗镗孔－精镗孔。

                      

此外，通过对加工工艺的综合应用，减少工件的安装次数，可有效缩短搬运和装夹时间。例如将五面五轴加工中心与立车复合构成万能加工中心，可实现一次装卡完成零件的大部分（或全部）加工。

（10）工件装夹的选择

                      

数控加工时由于工序集中的原因，在对零件进行定位、夹紧设计以及夹具的选用和设计等问题上要全面考虑。首先，应尽量采用组合夹具，由于通用夹具的柔性差、定位精度相对较低，当产品批量比较大、加工精度要求高时可以设计专用夹具。其次，在选择工装时应有利于刀具交换和在线测量，避免发生碰撞干涉。

（11）加工中心的辅助设备要配套

                      

在加工中心采用如刀具预调仪，自动测量装置，精密的检测仪等测量装置。采用自动测量装置时，操作员无须对零件的定位保证非常精准，也不需要操作员时刻移动和调节零件以配合加工程序的某些固定坐标系，可以减少装夹时间。借助测量，原来包括装夹时间在内需要2.5小时的一个工序降低到了1.5小时。此外，这些测量装置的应用还可以降低加工误差。

（12）操作人员技能与知识培训

                      

加工中心的加工效率在很大程度上取决于切削时间占加工中心工作时间的比例，这个比值越大，加工效率也就越高。同时，现代加工设备科技含量越来越高，对人员的素质要求也越来越高。而实际生产中，由于人员技术水平低，操作不熟练，花在程序调试、加工中换工件等非加工时间上的时间过长，致使加工中心加工效率低下。另外，他们的专业知识太少，对数控加工的原理、数控工艺、
数控刀具和切削参数的选择等方面缺乏科学性的指导。因此，建立一套完善的培训体系，编写适应现代切削加工技术发展的新教材，加强技术人员对理论知识的学习，加强企业内部和外部的技术交流是十分必要的。