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數(shù)控機(jī)床必備金屬切削基礎(chǔ)知識(shí)

2015-11-23 07:15:14北京南口軌道交通機(jī)械有限責(zé)任公司102202
金屬加工(冷加工) 2015年16期
關(guān)鍵詞:切削用量切削液切削速度

■ 北京南口軌道交通機(jī)械有限責(zé)任公司 (102202)

鄭文虎 李秋彤

機(jī)械加工(含磨削)是機(jī)械制造工業(yè)的主導(dǎo)加工方法,絕大部分機(jī)械零件的最后工序仍需經(jīng)過(guò)機(jī)械加工。所以說(shuō),切削加工是機(jī)械制造的基礎(chǔ),金屬切削理論是指導(dǎo)切削加工的基礎(chǔ)理論。據(jù)專家估計(jì),目前切削加工仍占機(jī)械加工工作量的90%以上。所以,只要進(jìn)行切削加工工作,就必須掌握金屬切削理論。

1. 數(shù)控機(jī)床金切知識(shí)

(1)學(xué)習(xí)和掌握工件材料的切削加工性,合理地選擇切削條件。工件材料在切削加工時(shí)的難易程度,稱為材料的切削加工性。材料在切削加工時(shí)難,它的切削加工性就差,反之就易。決定工件材料切削加工性難與易的因素有:材料的化學(xué)成分與配比、材料的物理與力學(xué)性能及材料的金相組織等。材料的化學(xué)成分與配比又決定了材料的物理、力學(xué)性能和金相組織及熱處理后的性能。它影響著切削條件的選擇與切削參數(shù)的確定,是編程必須考慮的主要問(wèn)題。工件材料按它們的性能,其切削加工性可分易、較易、較難和難等12級(jí)。在了解其材料性能和切削特點(diǎn)后,抓住其中影響切削加工性的主要矛盾,就可以合理地去選擇刀具材料、刀具(刀片)的幾何參數(shù)、切削用量、切削液及刀具(片)槽型。為了保證加工精度和已加工表面粗糙度值,還可根據(jù)工件材料的切削加工性與切削條件,確定刀具磨損限度或刀具壽命及切屑形狀與排出方式。

(2)學(xué)習(xí)和掌握刀具材料的性能特點(diǎn)與應(yīng)用,為合理選用刀具材料獲得理論依據(jù)?,F(xiàn)代用于切削的刀具材料有:高速鋼(包括高性能高速鋼和涂層高速鋼)、硬質(zhì)合金(包括新牌號(hào)、涂層、鋼結(jié)及TiC基硬質(zhì)合金)、陶瓷、P C B N及金剛石(包括天然金剛石、P C D和CVD)??傆?jì)牌號(hào)達(dá)100多個(gè)。每個(gè)牌號(hào)都有各自的性能特點(diǎn)和使用范圍,這是每個(gè)編程和使用數(shù)控機(jī)床的人員必須要掌握的刀具知識(shí)。只有根據(jù)工件材料合理地選擇刀具材料,才能獲得較理想的切削效果,使刀具在合理的切削用量條件下有合理的壽命,而減少停機(jī)換刀的輔助時(shí)間。選用數(shù)控機(jī)床所用刀具材料,應(yīng)盡量選用切削性能優(yōu)良的、使用壽命高的刀具材料。如涂層高速鋼和硬質(zhì)合金,在切削有色金屬時(shí)選用PCD、CVD和金剛石涂層硬質(zhì)合金,其刀具壽命為一般刀具的幾十倍到幾百倍,加工質(zhì)量也易保證。

(3)掌握好刀具幾何參數(shù)的選擇,使刀具獲得合理的切削性能?,F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床所使用的刀具,采用可轉(zhuǎn)位刀片的機(jī)夾類刀具,它的幾何參數(shù)的形成是由刀片幾何參數(shù)和刀桿上刀片安裝槽的有關(guān)參數(shù)結(jié)合而成。不同用途材質(zhì)的刀片,它的形狀和斷屑槽型及刀片前、后角與刀尖角、刀尖圓弧半徑不同。這就要求在選擇時(shí)要根據(jù)工件材料、工件結(jié)構(gòu)與形狀、加工階段(粗、精加工)和切屑的排斷來(lái)綜合考慮。這些參數(shù)的選擇,必須以切削理論和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),才能使切削獲得應(yīng)有的效果。

(4)掌握切削過(guò)程中物理、力學(xué)現(xiàn)象,合理選擇切削用量與刀具幾何參數(shù)。在切削過(guò)程中,由于有刀具和工件、切屑與刀具的摩擦和被切材料的彈、塑性變形,就產(chǎn)生了切削力和切削熱;由于有工件材料的塑性變形和切削溫度的影響,就可能產(chǎn)生積屑瘤;由于有切削力和切削熱的影響,就產(chǎn)生了刀具磨損;由于工件材料和刀具材料的不同,就產(chǎn)生了各種不同的刀具磨損形式;由于工件材料的不同,在切削過(guò)程中切削表面和已加工表面的冷硬現(xiàn)象(程度與深度)也不同等等。這些在切削過(guò)程中產(chǎn)生的物理、力學(xué)現(xiàn)象,除對(duì)刀具幾何參數(shù)的合理選擇有要求外,將對(duì)切削用量的選擇起直接作用。用數(shù)控機(jī)床切削加工時(shí),也同樣要遵循普通切削機(jī)床的切削規(guī)范。在選擇切削速度Vc時(shí),首先要了解工件材料的相對(duì)切削加工性。

不同材料的相對(duì)切削加工性,相差幾倍到幾十倍,所以在相同刀具壽命的情況下,其切削速度也同樣相差幾倍或幾十倍。不同刀具材料的耐熱性不同,在相同的工件材料情況下,采用的切削速度也不同。切削加工性好的工件材料和使用耐熱性高的刀具材料,其切削速度Vc就高,反之則低。如采用硬質(zhì)合金刀具切削銅、鋁合金時(shí),Vc可達(dá)1 000m/min,切削鑄造高溫合金時(shí),Vc則只有10m/min左右;采用PCD 或CVD刀具切削銅、鋁合金時(shí),Vc可達(dá)1 000m/min以上,而用這種刀具來(lái)切削硬質(zhì)合金時(shí),Vc只有30m/min左右。所以說(shuō)使用數(shù)控機(jī)床在選擇切削速度時(shí),也應(yīng)遵循普通切削機(jī)床的規(guī)范。只不過(guò)數(shù)控機(jī)床所使的大多是涂層刀具,因?yàn)榈镀ň撸┍砻嫱坑懈哂捕龋? 950~4 000HV)的金屬或非金屬,其切削速度可比不涂刀片(具)高30%~50%。

切削時(shí)切削熱的大小,除受工件材料和刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)及切削液的影響外,也受切削速度的影響。它影響著刀具磨損和刀具壽命,同時(shí)也影響積屑瘤的產(chǎn)生與消失。所以,在精加工時(shí)為了保證已加工表面粗糙度值,必須選用合適的切削速度,以控制切削溫度來(lái)抑制積屑瘤的產(chǎn)生。機(jī)床功率大、工件材料單位切削力小、刀桿強(qiáng)度和剛性好、毛坯余量大時(shí),切削深度就大。進(jìn)給量的大小取決于機(jī)床剛性和已加工表面質(zhì)量與刀尖圓弧半徑rε的大小及它們之間的關(guān)系,同時(shí)也和工件材料的加工硬化深度有關(guān)。機(jī)床的剛性好、刀尖圓弧半徑大、工件材料硬化深度大,進(jìn)給量就可選擇大一些。

刀尖圓弧半徑和表面粗糙度的關(guān)系式

式中,h是加工表面輪廓高度(μm);f是每跨進(jìn)給量(mm/r);rε是刀具刀尖圓弧半徑(mm)。

當(dāng)在切削加工時(shí),進(jìn)給量f和表面粗糙度值Ra確定后,所選擇的刀尖圓弧半徑的計(jì)算如下:

式中,rε是刀具刀尖圓弧半徑(μm);f是每跨進(jìn)給量(mm/r); h是加工表面輪廓高度(μm)。

(5)掌握各種切削液的特點(diǎn),合理選用切削液。切削液在切削過(guò)程中起著冷卻、潤(rùn)滑、清洗和防銹4大作用。不同的切削液偏重特點(diǎn)不同。所以在選用切削液時(shí),要根據(jù)工件材料、加工工序和加工階段等綜合因素來(lái)考慮。粗加工時(shí),采用以冷卻性能為主兼顧潤(rùn)滑的水溶液、乳化液或極壓乳化液的切削液;精加工時(shí),應(yīng)采用潤(rùn)滑性良好的極壓乳化液、極壓切削油,以減小刀具與工件的摩擦,抑制積屑瘤的產(chǎn)生,提高刀具壽命和保證已加工表面質(zhì)量;在切削一些難切削材料和難加工工序時(shí),切削液的選用和其作用更不可忽視,因?yàn)樗歉纳乒ぜ牧锨邢骷庸ば缘闹匾胧┲弧,F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都配備了強(qiáng)大且良好的冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)和性能優(yōu)良的切削液(極壓切削液),就可見(jiàn)切削液在切削中的地位與作用。

(6)合理地制定刀具壽命,達(dá)到合理的生產(chǎn)效率與加工成本。使用數(shù)控機(jī)床也同樣有一個(gè)制定合理刀具壽命的問(wèn)題。刀具壽命定高了,就會(huì)降低切削用量中的切削速度,使生產(chǎn)效率變低,加工的工時(shí)就長(zhǎng)得多,雖然刀具成本下降,但綜合加工成本也高;反之,刀具壽命定低了,雖然生產(chǎn)效率上去了,但由于刀具磨損快,不僅加工質(zhì)量難以保證,而且增加了數(shù)控機(jī)床的換刀、對(duì)刀的輔助時(shí)間,而使價(jià)格較高的數(shù)控刀具費(fèi)用增加,也同樣使加工的綜合成本。對(duì)不同成本的數(shù)控刀具,應(yīng)制定不同的、合理的壽命。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn),單刃(簡(jiǎn)單)和成本低的刀具,刀具壽命可制定得低一些,一般T為30~60min;多刃復(fù)雜、價(jià)格高的刀具,刀具壽命可制定得高一些,一般T為240~480min;但超硬刀具切削加工有色金屬時(shí),其刀具壽命T為幾十小時(shí)到幾百小時(shí),這時(shí)的切削速度可達(dá)1 000m/min以上。

(7)掌握切屑控制措施,保證數(shù)控車床的切削順利進(jìn)行。在臥式機(jī)床上切削高強(qiáng)度、高韌性、及高塑性的工件材料時(shí),切屑控制是保證正常切削和人身安全的重要手段。其中,保證數(shù)控車床正常切削更為重要。如果切屑纏繞在工件、刀具和夾具上,就會(huì)影響工作的正常進(jìn)行,所以,在選擇數(shù)控車床所使用的車刀片斷屑槽型時(shí)要特別注意。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)資料介紹,在粗車時(shí),選用R型;精車時(shí),選用F型;M型用于普通車削加工。但是一定的斷屑槽,適用于一定的切削用量范圍。如果超出規(guī)定的切削用量范圍,就可能出現(xiàn)帶狀屑或纏亂的切屑。因此,在選好刀具(片)和切削用量后,在試切時(shí)應(yīng)注意這點(diǎn)。如果有帶狀或纏亂的切屑,就應(yīng)適當(dāng)調(diào)整切削用量或更換不同斷屑槽的刀片。

(8)掌握磨削的基礎(chǔ)知識(shí),充分發(fā)揮數(shù)控磨床的效能。磨削也是一種切削方式,它的“刀具”是砂輪。要掌握磨削過(guò)程的規(guī)律,了解現(xiàn)代各種磨料的性能特點(diǎn)與用途,了解各種磨料砂輪的特性(粒度、硬度、組織和結(jié)合劑)、平衡、安裝及修整等知識(shí);還要了解現(xiàn)代的高速磨削、強(qiáng)力磨削、緩進(jìn)給磨削、成形磨削、砂帶磨削的特點(diǎn)與磨削過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題和防止(解決)措施等知識(shí)。這些知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)是運(yùn)用好數(shù)控磨床必不可少的條件。

數(shù)控機(jī)床是一種用數(shù)字和符號(hào)構(gòu)成的以數(shù)值信息控制的自動(dòng)化機(jī)床,這些數(shù)字和信息輸入的背后,是靠金屬切削基礎(chǔ)知識(shí)和金屬切削的豐富經(jīng)驗(yàn)來(lái)支撐的。如缺乏這些基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn),就不能很好地根據(jù)工件材料、結(jié)構(gòu)、精度和表面質(zhì)量,使用和發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效能。

2. 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用日益擴(kuò)大,將取代大部分普通切削機(jī)床,以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。但是,要充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削加工,達(dá)到低耗、高效及高質(zhì)量的目的,除熟練掌握數(shù)控機(jī)床的性能和編程規(guī)則外,還必須系統(tǒng)掌握金屬切削原理與刀具的知識(shí),只有兩者有機(jī)、靈活地結(jié)合在一起,才能使數(shù)控機(jī)床發(fā)揮出更大的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 北京市《金屬切削與實(shí)踐》編委員會(huì).金屬切削原理與實(shí)踐[M].北京:北京出版社,1985.

[2] 鄭文虎,張玉林,詹明榮.難切削材料加工技術(shù)問(wèn)答[M].北京:北京出版社,2001.

[3] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì).面向21世紀(jì)的生產(chǎn)工程[M].廣東:廣東省科技音像出版社,2001.

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