教你如何提升加工中心的切削效率

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。

一、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。

二、提高切削效率的途径

（一）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。

（二）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度和刀具材料体积，以提高刀具刚性和减少刀具破损率。

（三）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)，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。

（四）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 ～5μ m 。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、ＷC ｏ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。

（五）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。

（六）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。

（七）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。

（八）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。

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