刀具：高速加工不等同于高效生產(chǎn)

高速加工是相對(duì)傳統(tǒng)加工系統(tǒng)而言的，它包含兩層含義：高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給量，即利用高性能的機(jī)床，以通常意義上的幾倍甚至幾十倍的加工速度來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工的高精度、高效率，最終達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。然而，選用了高速加工中心是否意味著生產(chǎn)效率就一定能夠得到提高嗎？答案并非如此。

10年前，加工中心的快速移動(dòng)速度＜18m/min、換刀速度＞10s，其性能與今日的加工中心是不可同日而語的。那時(shí)，使用加工中心組成的柔性加工線的成本也是非常昂貴的。由于早期的加工中心的刀具和刀庫在結(jié)構(gòu)上的問題還未得到完全解決，在某些工序，特別是對(duì)關(guān)鍵孔的加工工序上還必須使用專機(jī)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，新式刀具層出不窮，上述問題現(xiàn)在已基本得到解決。主軸轉(zhuǎn)速在12000r/min以上的現(xiàn)代化高速加工中心彼彼皆是，完全由加工中心組成的柔性生產(chǎn)線也得到了廣泛應(yīng)用。然而這時(shí)，又一個(gè)問題擺在了人們的面前：在什么情況下選用什么樣的加工中心呢？

本文例舉的加工實(shí)例就三臺(tái)性能不同的機(jī)床分別在粗加工和半精加工、精加工工況下，加工不同材質(zhì)工件時(shí)的性能進(jìn)行了比較和分析。

粗加工和半精加工

在柔性加工中，粗加工機(jī)床為最終的精加工提供穩(wěn)定的毛坯，因此，粗加工工序是柔性加工線中非常重要的一個(gè)組成部分。選用粗加工工序的原則是：根據(jù)不同的加工材料選用剛性相符合的加工中心。然而，現(xiàn)在仍有相當(dāng)多的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠沒有重視到粗加工工序應(yīng)該選用何種機(jī)床。

目前，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠使用的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體大多采用鑄鐵結(jié)構(gòu)。與進(jìn)口毛坯相比較，國產(chǎn)毛坯加工余量較大且不均勻，材質(zhì)也不穩(wěn)定。因此，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠在該工序上使用的機(jī)床應(yīng)該比國外相同工序上使用的機(jī)床要求相對(duì)高一些。

加工實(shí)例

以完成4108柴油機(jī)粗鏜汽缸孔為例：

缸體材料：HT250

缸孔直徑：110mm

單邊余量：5mm

加工部位：粗銑頂面、粗銑底面、粗銑前后端面、粗鏜汽缸孔

選用A、B、C三種不同性能的機(jī)床進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，機(jī)床的主要參數(shù)如表1所示。

加工工序可選用的刀具材料如下：

1、硬質(zhì)合金涂層刀片：刀片韌性較好、安全可靠、線速度較低、價(jià)格便宜，適用于品質(zhì)較差的毛坯。

2、金屬陶瓷刀片：刀片韌性較差、易崩刃、線速度較高、價(jià)格中等，適用于品質(zhì)較好的毛坯。

由于國內(nèi)毛坯質(zhì)量不穩(wěn)定，建議選用硬質(zhì)合金涂層刀片；查詢切削手冊(cè)，Vc為150～240m/min，建議選用180m/min的進(jìn)給速度；從工藝上決定粗加工汽缸孔時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速為520r/min。

觀察在主軸轉(zhuǎn)速為520r/min時(shí)A、B、C三種機(jī)床的性能，表2所示為其對(duì)比情況，由此分析可以得出以下結(jié)論：

A機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速在400～500r/min時(shí)，不能提供適合粗加工所需要的功率和扭矩。該機(jī)床不適合用于粗加工，但此機(jī)床可用于小平面和油孔的加工。

B機(jī)床可以滿足材質(zhì)較好毛坯的粗加工和半精加工的要求，但須再提高機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速才可能獲得較大的功率，且扭矩已不能再提高。采用此機(jī)床，可選用4～5個(gè)刀片的鏜刀。主軸轉(zhuǎn)速的提高將導(dǎo)致刀具壽命的降低，加大刀片破碎的機(jī)率。

C機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速在300～600r/min時(shí)，可以提供足夠大的功率和扭矩，滿足粗加工的需要。對(duì)于粗加工和半精加工，此機(jī)床具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。此加工工序可選用5～7個(gè)齒的鏜刀。

在粗銑大面工序中，如頂面、底面、前后端面，通常會(huì)采用直徑為?160～200mm的盤銑刀。若選用C機(jī)床，將得到非常穩(wěn)定的加工過程；若選用B機(jī)床，只有通過提高主軸轉(zhuǎn)速降低每齒進(jìn)給的方式才能提高進(jìn)給，但是可能會(huì)讓用戶加大對(duì)刀具的投入。

在毛坯質(zhì)量較好的情況下，B機(jī)床的表現(xiàn)最為出色。它不僅可以加工鑄鐵缸體，還可以兼容鑄鋁缸體的加工。Ｂ機(jī)床具有較大的柔性，在歐洲，此類機(jī)床的使用十分普及，而A機(jī)床則是專為有色金屬的加工而設(shè)計(jì)的。

精加工

主軸是加工中心的心臟，采用強(qiáng)勁的主軸是選用高剛性加工工序的關(guān)鍵。精加工應(yīng)選用主軸剛性好、精度穩(wěn)定性好的機(jī)床。

那么，精加工應(yīng)該選用什么刀片呢？從德國發(fā)動(dòng)機(jī)廠的使用情況看，缸孔的精鏜、曲軸孔、凸輪軸孔的精鏜采用CBN刀片效果比較好。從理論上講，CBN刀片的價(jià)格是硬質(zhì)合金刀片的10倍，但其壽命也是硬質(zhì)合金刀片的10倍。

但是，目前國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠的使用情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這種效果，特別是曲軸孔的加工。由于有油槽和瓦槽的影響，加上鑄鐵材質(zhì)的不穩(wěn)定，CBN刀片在實(shí)際加工中Vc只能達(dá)到300～350m/min，fZ在0.07～0.1mm/Z。

采用電主軸的機(jī)床適合使用CBN刀具，因?yàn)閂c達(dá)到300～350m/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為800～1000r/min，此區(qū)間通常是電主軸的黃金轉(zhuǎn)速區(qū)域，既可以輸出較大的主軸電機(jī)功率，又可以有較大的扭矩輸出。為了防止在精加工中出現(xiàn)震動(dòng)，通常只選用單齒的MAPAL刀具。

個(gè)別機(jī)床供應(yīng)商選用CBN刀片加工頂平面，這也是迫不得已的。例如：直徑250的盤銑刀在Vc=280m/min（硬質(zhì)合金刀片的上限）時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速也只有360r/min，電主軸在這個(gè)轉(zhuǎn)速下不能發(fā)揮很好的作用。

如果被加工的機(jī)體毛坯質(zhì)量好，廠家在生產(chǎn)加工過程中能承受較高的刀具運(yùn)行費(fèi)用，那么就可以選用B機(jī)床。通常情況下，B機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，投資較少。

由于C機(jī)床采用變速機(jī)構(gòu)，機(jī)床的主軸支撐跨距較大。此結(jié)構(gòu)機(jī)床的主軸精度保持性好，再加上它在中低轉(zhuǎn)速時(shí)功率扭矩大的優(yōu)勢(shì)，因此，C機(jī)床是加工鑄鐵件的首選機(jī)床。

加工實(shí)例

現(xiàn)以加工4108凸輪軸孔為例，工件長526mm、直徑91H6、同軸度0.02mm，采用德國MAPAL公司的鉸刀，單向加工，可以達(dá)到圖紙的精度要求。

為了解決這個(gè)關(guān)鍵問題，斯達(dá)拉格?？铺毓静捎酶邉傂缘腃lassiCWK500臥式加工中心，采用3齒的MAPAL精密鉸刀，材料選用硬質(zhì)合金涂層刀片，單向加工。

Vc=125m/min，fZ為0.07～0.1mm/Z，此時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速為440r/min。斯達(dá)拉格?？铺毓緸橛脩籼峁X輪變速的機(jī)床在440r/min時(shí)，主軸提供超過1000Nm的扭矩和50kW的功率輸出。

采用硬質(zhì)合金涂層刀片加工曲軸孔可以給用戶帶來比CBN刀片更好的表面粗糙度。硬質(zhì)合金涂層刀片較CBN刀片抗沖擊性較強(qiáng)，刀片不會(huì)突然破碎，使用更加安全。硬質(zhì)合金刀片選擇較低的速度（Vc=125m/min）時(shí)，可以保證孔徑的穩(wěn)定性。如果用戶采用質(zhì)量較好的毛胚，也可以選用CBN刀片進(jìn)行加工，生產(chǎn)效率可大大提高。

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