提高切削效率、降低加工成本是金屬切削技術(shù)長期追求的發(fā)展目標拾给。一般來講,提高切削效率、降低加工成本主要有三個途徑:提高切削速度兔沃、提高進給速度和提高切削深度蒋得。

1．高速切削

切削速度的提高反映了機械制造整體技術(shù)水平的進步,為機械制造業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。從切削加工的發(fā)展歷史來看,通常是通過開發(fā)和改進切削刀具材料來大幅度提升切削速度,從而達到提高切削效率乒疏、降低生產(chǎn)成本的目的额衙。20世紀80年代以來,歐美刀具制造業(yè)經(jīng)過大量的試驗研究,對切削機理的認識有了新的突破,認為當(dāng)切削速度的提高超過某個臨界值(因材料而異)后,刀具的磨損并非按照泰勒曲線的規(guī)律急劇增加,而是在以后的某個區(qū)間內(nèi)隨切削速度的提高而有所減少,并在經(jīng)歷一個谷底后再重新上升。雖然對這一現(xiàn)象尚未得到一致的理論解釋,但并不妨礙根據(jù)這一規(guī)律在此谷底附近區(qū)間進行高速加工技術(shù)的應(yīng)用善薪。目前,工業(yè)發(fā)達國家的航空氛拜、汽車、動力機械由瞒、模具子钾、軸承、機床等行業(yè)依據(jù)這個理論發(fā)展高速切削,使上述行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高,加工成本大幅度降低,獲得了市場競爭優(yōu)勢个懒。

理論分析和實踐證明,高速切削是一個系統(tǒng)工程标康。從技術(shù)的層面上看,高速切削涉及高速主軸單元、快速進給和高加(減)速度的驅(qū)動系統(tǒng)酌非、高性能的快速CNC控制系統(tǒng)胃肖、高剛性的機床結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的快速處理和傳送叭静、動平衡控制徊激、超硬刀具材料和鍍層工藝技術(shù)等各個方面；從管理的層面上看,高速切削涉及高速加工理念给庶、新的管理方法等贿汞。作為系統(tǒng)的一部分,各個環(huán)節(jié)只有互相協(xié)調(diào),才能發(fā)揮其應(yīng)有的效益。如在加工模具的曲面時,如果其它環(huán)節(jié)都符合高速加工的要求,但其CAM的數(shù)據(jù)處理只使用直線插補而不是圓弧插補或樣條曲線插補來模擬工件表面的曲線,機床的進給系統(tǒng)總是處在不停的加減速過程中,就無法達到預(yù)定的進給速度,從而限制了切削效率的提高和生產(chǎn)成本的降低耸黑。同樣,如果在高速銑削中選用普通結(jié)構(gòu)的三刃立銑刀,由于其通常采用一齒過中心的結(jié)構(gòu),動平衡性能先天不足,同樣也不能達到預(yù)定的轉(zhuǎn)速,不能獲得預(yù)期的加工效率桃煎。

瓦爾特公司是世界領(lǐng)先的金屬加工刀具企業(yè)之一,在與世界各地的制造業(yè)尤其是德國汽車業(yè)的合作中積累了大量的成功經(jīng)驗。瓦爾特(無錫)有限公司很早就在中國開始了高速加工的實踐大刊∥酰看到高速切削正在中國快速發(fā)展,作為國內(nèi)企業(yè)的系統(tǒng)刀具伙伴,瓦爾特(無錫)非常愿意與中國制造業(yè)共同分享高速切削的技術(shù)成果。

在高速切削加工中,首先應(yīng)充分重視刀具安全性問題缺菌。銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝,銑刀(包括面銑刀葫辐、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(zhuǎn)時各部分都要承受很大的離心力,由于其作用遠遠超過切削力的作用(過大的離心力足以導(dǎo)致刀體破碎),因此成為刀具的主要載荷。德國在20世紀90年代初就開始了對高速銑刀安全性技術(shù)的研究,并在機器制造商協(xié)會的支持下,組成了由大學(xué)研究機構(gòu)耿战、刀具制造廠蛋叼、研究所和刀具用戶參加的工作組,從事高速銑刀安全性技術(shù)的研究。經(jīng)過近十年的工作,取得了一系列階段性成果,制定了德國國家標準并被采納為歐洲標準,推動了世界范圍內(nèi)高速切削技術(shù)的發(fā)展剂陡。在此過程中,瓦爾特公司與工作組一起就高速銑刀的強度計算進行了研究狈涮。通過專門用于高速銑刀的有限元計算方法,分別開發(fā)了刀體、刀座鸭栖、刀片楣苇、夾緊螺釘?shù)挠嬎隳K,還可模擬刀片在刀座里的滑動、螺釘頭在擰緊和工作載荷下的變形等气穴。研究計算顯示,當(dāng)轉(zhuǎn)速達到某臨界速度時,螺釘達到臨界應(yīng)力而出現(xiàn)拉伸變形跑腮。而在達到臨界速度之前,螺釘首先產(chǎn)生彎曲,實際長度變長,夾緊力下降,造成刀片產(chǎn)生位移。

為了保證切削加工的安全,德國標準規(guī)定刀具產(chǎn)品應(yīng)在至少超過廠家標稱的最高轉(zhuǎn)速60%的情況下才能發(fā)生位移,在至少超過廠家標稱的最高轉(zhuǎn)速100%的情況下才能發(fā)生解體或整體刀具的折斷肉敏。

在實際應(yīng)用中,瓦爾特公司在2000年的綜合樣本上,列出了幾乎所有的擴孔帮冶、鏜孔刀具和銑刀在不同直徑下的的最高轉(zhuǎn)速,保證在使用規(guī)定的原產(chǎn)刀片和原產(chǎn)配件的條件下銑削是非常安全的。而在德國達姆斯塔特大學(xué)的實驗中,瓦爾特標稱最高轉(zhuǎn)速8000r/min的銑刀在實際轉(zhuǎn)速高達36700r/min時才發(fā)生解體,也充分說明了瓦爾特刀具本身具有足夠的安全性索击。隨著高速加工的應(yīng)用日益廣泛,現(xiàn)在越來越多的歐美刀具廠商在刀具設(shè)計階段就考慮對高速切削的適應(yīng)性隧帜。如瓦爾特的球頭銑刀新產(chǎn)品F2339,其刀片底面有兩個空刀窩,可與刀體上的凸起部分相配合,對作用在夾緊螺釘上的離心力起卸載作用,使其可以采用相對較高的切削速度。高速銑削時,加工鋁合金的面銑刀在直徑較大時其轉(zhuǎn)動慣量也會很大,因此瓦爾特對加工鋁合金的大直徑銑刀采用了高強度鋁合金刀體,極大地降低了轉(zhuǎn)動慣量,增加了刀具的安全性邢侵。2003年,瓦爾特還推出了能在尺寸調(diào)節(jié)過程中自動進行平衡適應(yīng)的鏜刀豫柿。

高速加工時,除了刀具本身的安全性,刀具夾持系統(tǒng)的安全性和安裝后的整體動平衡性能也必須充分重視。瓦爾特推薦在高速切削中使用HSK空心短錐柄作為刀具與機床的接口,刀柄與刀具的接口采用液壓式版鳞、熱膨脹式,而將標準的圓柱柄(不帶削平結(jié)構(gòu))作為刀具柄部的主要形式剧灰。在非常高的轉(zhuǎn)速下,除刀具和夾持系統(tǒng)本身的平衡是必要的前提條件外,刀具安裝后仍需要進行整體的平衡。因此,用于加工鋁合金的大尺寸銑刀必須能進行平衡調(diào)整程腹。一般說來,高速切削條件下的盤類刀具至少應(yīng)進行靜平衡,而桿類刀具則必須進行動平衡匣吊。由于我國企業(yè)較少在引進高速機床的同時引進平衡設(shè)備,因此希望能引起刀具用戶的重視。同時,筆者認為國內(nèi)刀具供應(yīng)商也必須加強高速刀具安全性的研究,以促進我國高速切削技術(shù)的發(fā)展寸潦。

由于高轉(zhuǎn)速帶來高的金屬切除率,因此,即使是加工鋁合金也會對機床的功率提出很高要求色鸳。計算表明,用直徑30mm的3齒玉米銑刀加工寬30mm、深度也為30mm的槽,如采用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的進給量,功率可能達到57.6kW见转。因此,瓦爾特公司推薦用戶采用的高速切削策略是:高的切削速度命雀、中等的進給量和小的切削深度。對于大余量加工,建議采用分層切削斩箫。

2.高進給切削

按傳統(tǒng)方式進行精加工時,由于對工件表面粗糙度有一定的要求,刀具的進給量較小吏砂。例如車削表面粗糙度要求為Ra0.4μm的圓柱表面,當(dāng)?shù)都鈭A角為0.8mm時,其進給量fz應(yīng)不超過0.10mm/r。為了滿足高效切削的要求,目前刀具制造業(yè)已開始向用戶推薦高進給的Wiper刀片校焦。Wiper車刀片一般是按設(shè)計的主偏角在副切削刃上制造出一個直線形的修光刃(也有用大直徑圓弧作修光刃的)赊抖。在理論上,如果不考慮系統(tǒng)剛性和修光刃本身的微觀缺陷,只要進給量不超過刀具修光刃的寬度,則工件的表面粗糙度僅受工件材料晶粒大小的影響(這個影響是微乎其微的)统倒。在實踐中,某汽車零部件制造企業(yè)使用瓦爾特的Wiper車刀片采用了0.3mm/r的進給量,比原有加工效率提高三倍多,而工件表面粗糙度仍達到Ra0.4μm寨典。

與此同時,瓦爾特也致力于大進給銑刀的開發(fā)氛雪。今年,瓦爾特的大進給銑刀F2330已經(jīng)問世。這種銑刀具有變化的主偏角(最小處為0°,外徑處的主偏角約15°),切深一般不超過2mm,而最大進給量可以達到每齒3.5mm耸成。以工作直徑52mm的瓦爾特F2330銑刀為例,由于該銑刀具有3個刀齒,故刀具每轉(zhuǎn)進給量最大可超過10mm灶昏。

3.大余量切削

國內(nèi)一般將大余量切削稱為重切削。在筆者看來,大余量切削雖然也是高效切削的一個方面,但總體上并不能稱為新技術(shù)台泥。過去國外只有幾家刀具制造商生產(chǎn)采用立裝刀片結(jié)構(gòu)的重切削銑刀,近年來,包括瓦爾特公司在內(nèi)的一些國外主要刀具制造商都可供應(yīng)多種重切削銑刀言雀。

筆者認為,值得注意的是用于模具深腔粗加工的大余量切削銑刀。通常在加工型腔時采用沿等高線切削的加工方法,即使采用爬坡法也屬于斜向切削必胜。由于采用這兩種加工方法均存在一定的徑向切削力,而在深腔加工中刀具懸伸較長,為了避免在徑向切削力的周期性作用下產(chǎn)生振動,通常采用較低的切削用量,從而使得切削效率較低刚哼。瓦爾特公司近年推出的插入式銑刀F2230,采用完全的軸向進給,從而在銑刀上幾乎沒有軸向切削力,使切削用量和生產(chǎn)效率得以大幅度提高。2002年,湖南一公司粗加工材料為30CrMnTi的傳動輪,過去采用國外某著名刀具公司的玉米銑刀進行分層切削,整個粗加工時間過長(耗時約90分鐘),在加工到一半時還需更換刀片,因此僅粗加工時的刀片消耗就達約300元人民幣誓梦。采用瓦爾特F2230銑刀后,加工效率大幅度提高,耗時減少到51分鐘,一次裝夾刀片后可以加工1.5～2個工件,工件粗加工時的刀片消耗降至約100元人民幣丹残。由于刀具費用、機床費用和換刀費用都顯著減少,因此每年節(jié)省制造費用約9.8萬元人民幣,經(jīng)濟效益明顯提高夯饲。

筆者認為:高效加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊搬体。在上述三類高效切削方法中,大余量切削的發(fā)展余地相對有限,因為大的加工余量代表著較低的材料利用率和相對較低的經(jīng)濟效益,而且隨著精密鑄造、精密鍛造等工藝的不斷發(fā)展,大余量切削的應(yīng)用場合會進一步減少撑雨。因此,研究的重點應(yīng)集中在高速切削和高進給量切削技術(shù)方面,其中高速切削又是最值得重視的高效加工方式垮川。在高速切削領(lǐng)域內(nèi)還有許多工件材料的切削特性需要在不斷的切削實踐中被認知,而隨著材料技術(shù)尤其是納米技術(shù)的發(fā)展,刀具材料的切削性能也將得到不斷提升。這些刀具技術(shù)的發(fā)展必將同機床制造技術(shù)戴卜、數(shù)據(jù)處理和傳輸技術(shù)逾条、切削熱控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的進步形成良性互動,從而促進高效切削技術(shù)的不斷發(fā)展。

(責(zé)編:阿 杰)

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