切削技术在机械加工中的应用

  机械加工是对结构复杂的零件进行再加工，加工工艺复杂，设计到模具、光学元件、集成电路、计算机技术等多个领域。金属切削加工是机械加工必不可少的手段，在机械加工过程中选择合理的切削刀具及切削用量是提高机械加工工件质量的保障，研究数控切削加工技术特点，对于提高加工工件精度具有重要的现实意义。
    随着现代工业经济的快速发展，机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位, 金属切削加工是机械加工过程中必不可少的手段。随着数控技术及刀具技术共同发展的同时，切削刀具及切削速度都得到了高速发展，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进步到5μm，精密级加工中心则从3～5μm进步到1～1.5μm，（高速加工中心）并且超精密加工精度已开端进入纳米级（0.01μm）。刀具材料和涂层技术使用范围不断扩大，涂层硬质合金刀具的切削性能得到大幅提高。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，高速切削还适用于硬切削、干切削和重切削，是提高切削效率的有效手段。
    国内外切削技术现状分析
    为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，切削刀具表面涂层可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。
    目前先进国度的车削和铣削的切削速度已抵达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，国外的切削速度普通大于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，许多加工中心的理论切削时间不到工作时间的55%。因此，如何进步加工效率，降低废品率成了众多企业共同讨论的问题。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。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、加工光亮度低、工艺设备不配套等诸多问题。我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。
    提高切削效率的技术分析
    2.1. 选择合理的切削刀具
    在数控机床切削加工中，切削加工刀具种类很多，金属切削刀具的作用不亚于瓦特发明的蒸气机，为了适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，制造刀具的材料必需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、锻造和热处置等），并不易变形。所用刀具正朝着标准化、通用化和模块化的方向发展，主要包括铣削刀具和孔加工刀具两大类。先进刀具有三大技术特征：材料、涂层和结构创新。高速切削刀具主要依赖的是刀具材料和涂层技术的进步。高速切削可提高切削效率但不是惟一的手段。刀具的结构创新也是提高切削效率的有效手段。当前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。刀具切削部分的几何参数对切削效率的上下和加工质量有很大影响，高速切削时的刀具前角普通比普通切削时小10°，后角大5°～8°。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃衔接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，（cnc雕铣机）以增大局部刀尖角，增大刀尖左近切削刃的长度和刀具材料体积，以进步刀具刚性和减少刀具破损率。
    2.2.选择合理的切削速度。
    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，提高消费率及刀具寿命。当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺成为制造技术进步加工效率和质量、降低成本的主要途径。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则：1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。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。假设将切削速度进步到350m/min，每齿进给为0.18mm（高速加工中心），进给速度则抵达2785m/min，是原来加工效率的817%，而刀具寿命增加到了117件。2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20~50mm/min范围内选取。3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20~50mm/min范围内选取。
    2.3.加工方式的选择
    注重刀具的结构创新往往是提高切削效率的更有效和更可行的手段，但提高切削效率仅靠先进刀具是不够的，应该掌握和运用与切削过程相关的技术，全面提高生产效率。通过对加工工艺方式的创新是提高生产效率的有效手段。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，并有恰当的阻尼比，因此可以采用顺铣的方式加工，以进步加工效率。此外，根据加工阅历，顺铣比逆铣时刀具寿命要进步1倍多，采用不对称的立铣方法，刀具寿命可进步2～3倍。

    金属切削加工将机械加工与电、化学、超声波等不合事理加工方法进行复合，在机械、电机、电子等各种现代产业部门中都起着重要的作用。刀具选择、加工路径规划 、切削用量设定，切削加工工艺方式选择都是提高了加工精度和表面加工质量基础手段。