張立君，張樹軍，劉悅，劉春城，張國(guó)斌

(東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心，遼寧沈陽(yáng)110004)

脆性金屬材料具有流動(dòng)性較好、容易成形等特點(diǎn)，適合鑄造形狀復(fù)雜的毛坯，在機(jī)械制造中應(yīng)用較多。除難加工鑄鐵外，其他材料的硬度、塑性相對(duì)較低，均具有良好的切削加工性。隨著更多的脆性金屬材料在數(shù)控機(jī)床上加工，由于這些材料的力學(xué)和切削特點(diǎn)，在加工時(shí)，容易出現(xiàn)一些問(wèn)題:(1)由于切屑呈崩碎狀，使用冷卻液會(huì)造成冷卻泵噴管堵塞，并使切屑黏附在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上;(2)由于不便使用冷卻液，以較高的速度車削時(shí)，產(chǎn)生的切削熱會(huì)影響機(jī)床—工件—刀具。機(jī)床熱變形，影響機(jī)床精度;工件熱變形，使精加工的尺寸超差，在加工剛性差的工件時(shí)，使工件產(chǎn)生彎曲、振動(dòng)，影響其圓柱度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)，工件會(huì)折斷;切削熱集中在刀刃上，加快刀具的磨損;(3)灰口鑄鐵外層有白口時(shí)，刀具極易磨損;(4)砂型鑄造毛坯表面質(zhì)量較差時(shí)，粗車時(shí)背吃刀量較難控制。且易造成裝夾不牢固，粗車時(shí)工件松動(dòng)，輕則影響加工精度，重則出現(xiàn)安全事故;(5)高速切削時(shí)，漂浮的細(xì)小切屑對(duì)機(jī)床電氣設(shè)備和操作者人身健康造成危害。

隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛使用和金屬切削刀具的不斷發(fā)展，機(jī)械加工生產(chǎn)方式也隨之逐漸改變，從多機(jī)床、工序分散，向少機(jī)床、工序集中轉(zhuǎn)變，精加工更多采用以車(銑)代磨。鑒于此，研究脆性金屬材料的數(shù)控加工技術(shù)就很有必要。

1 應(yīng)用案例—拉伸試件的分析

圖1所示的拉伸試件，材料為HT200，毛坯采用砂型鑄造，毛坯尺寸φ18 mm×450 mm。加工數(shù)量為600 件。該試件雖然形狀比較簡(jiǎn)單，但拉伸部分的尺寸、形狀精度及表面粗糙度要求較高，拉伸部分直徑只有φ8 mm，工件剛性較差。由于毛坯是細(xì)長(zhǎng)類，采用砂型鑄造時(shí)，鑄件經(jīng)常出現(xiàn)砂眼、氣孔、彎曲、白口等鑄造缺陷，給數(shù)控車削帶來(lái)困難。

圖1 拉伸試件

2 加工存在的問(wèn)題

由于該試件毛坯的鑄造工藝性較差，數(shù)控車削時(shí)，出現(xiàn)了以下問(wèn)題:(1)由于試件剛性差，刀尖車至有砂眼、氣孔的位置時(shí)，易產(chǎn)生“扎刀”，使試件折斷，損壞刀具;(2)鑄造的毛坯有時(shí)尺寸大小不一，按大尺寸毛坯編程，在加工小尺寸毛坯會(huì)空走刀。按小尺寸毛坯編程，在加工大尺寸毛坯時(shí)會(huì)超出刀具、夾具所允許的切削力和夾緊力而出現(xiàn)打刀或試件折斷的現(xiàn)象。也不能在毛坯尺寸改變時(shí)，修改程序，既麻煩也不穩(wěn)妥;(3)毛坯表面粗糙、有粘砂或硬度過(guò)高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裝夾不牢或切削力增大導(dǎo)致試件產(chǎn)生松動(dòng);(4)毛坯經(jīng)常出現(xiàn)外硬(白口)內(nèi)軟，會(huì)造成粗車刀急劇磨損，使精加工余量增大，造成拉伸部分的尺寸精度以及表面粗糙度超差;精車刀磨損后，切削力增大，使拉伸部分出現(xiàn)尺寸、圓柱度精度超差，精車時(shí)還會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，使試件的加工質(zhì)量很不穩(wěn)定，廢品率較高。

3 脆性金屬材料的數(shù)控車削內(nèi)容

在數(shù)控車床上加工脆性金屬材料工件，根據(jù)毛坯狀態(tài)、工件的表面質(zhì)量、加工時(shí)易出現(xiàn)的問(wèn)題、工藝系統(tǒng)、數(shù)控加工的安全可靠性等，研究合理的數(shù)控車削技術(shù)，其技術(shù)包括以下內(nèi)容:

3.1 加工工藝的制定原則

工藝方案的制定應(yīng)該遵循以下原則:

(1)基準(zhǔn)先行的原則。脆性材料的毛坯若是鑄造狀態(tài)，其定位基準(zhǔn)的選擇至關(guān)重要，選擇粗基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該選擇與加工表面之間相互位置要求較高的不加工表面作為粗基準(zhǔn)，并且要考慮快速裝夾及可靠性;選擇精基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)以保證工件的形位精度為首先考慮因素，其次需要考慮裝夾的快速和可靠性。

(2)粗精加工分開的原則。對(duì)于精度較高的表面，應(yīng)考慮粗加工時(shí)因夾緊力、切削熱、切削力、內(nèi)應(yīng)力所引起工件的變形和松動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于鑄造毛坯或加工余量較大的工件，應(yīng)該實(shí)行粗精加工分開，通過(guò)粗加工，可以及早發(fā)現(xiàn)毛坯內(nèi)部的鑄造缺陷和減少變形;如果精加工的定位基準(zhǔn)是毛坯，為了減少定位誤差以及安裝找正時(shí)間，應(yīng)安排一次裝夾，先粗后精的加工順序。精車時(shí)，要考慮粗加工時(shí)工件熱變形對(duì)尺寸精度的影響。為了避免工件冷卻后外圓尺寸變小導(dǎo)致工件報(bào)廢、內(nèi)孔尺寸變小導(dǎo)致需要重新加工所造成的一系列問(wèn)題，首件加工時(shí)，可以根據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)，精加工時(shí)外圓尺寸適當(dāng)加大，而內(nèi)孔尺寸按圖樣尺寸加工，待其冷卻至室溫時(shí)，測(cè)量其尺寸變化值，后續(xù)加工以該尺寸變量確定精車的實(shí)際控制尺寸。如條件允許，可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)確定精加工的尺寸值;如果定位基準(zhǔn)是已加工表面，可以在粗車、半精車后，重新裝夾進(jìn)行精加工。

(3)一次裝夾的原則。在單件小批生產(chǎn)中，有位置精度要求的表面，為了避免多次裝夾影響位置精度，應(yīng)在一次裝夾中完成車削加工的內(nèi)容。

3.2 加工方案

根據(jù)脆性金屬材料工件的結(jié)構(gòu)、尺寸及形位精度、表面粗糙度、加工數(shù)量、毛坯狀態(tài)，結(jié)合加工條件，綜合質(zhì)量、效率、成本等因素，確定合理的加工方案。以上述拉伸試件為例，可以制定3 種加工方案，

(1)采用粗車→半精車→磨削的加工方案，雖然車削難度降低，但試件兩端需要鉆中心孔，試件需要3 次裝夾，在3 臺(tái)機(jī)床上完成，試件的加工周期長(zhǎng)，成本增加;

(2)工序分散，兩次裝夾，第一次裝夾，進(jìn)行粗車和半精車，第二次裝夾，精車?yán)觳糠帧Ｄ軌蚝侠硎褂脵C(jī)床，由于精車時(shí)切屑較少，可以使用合適的切削液，以保證拉伸部分的加工質(zhì)量，提高刀具耐用度，但需要兩次裝夾，加工時(shí)間增長(zhǎng);

(3)工序集中，一次裝夾，進(jìn)行粗車→半精車→精車，能夠減少機(jī)床的使用數(shù)量，加工效率高，但切削熱使工件熱變形，對(duì)刀具的耐用度和工件的尺寸、形位精度影響較大，試件的精車加工質(zhì)量不穩(wěn)定。

3.3 工件的裝夾方法

在數(shù)控車床上加工脆性金屬材料，毛坯是鑄造狀態(tài)時(shí)，需要選擇正確的裝夾方法以保證加工質(zhì)量和安全，對(duì)于表面粗糙、質(zhì)量較大、粗加工余量大的工件，要使用四爪卡盤裝夾，并附加軸向定位裝置，以防止軸向移位和松動(dòng)。使用液壓及氣動(dòng)卡盤時(shí)，其夾緊力要適當(dāng)加大;毛坯尺寸長(zhǎng)短不一，無(wú)法使用軸向限位裝置時(shí)，為了避免粗加工產(chǎn)生軸向移位，可以使用反向走刀;利用數(shù)控機(jī)床的自身特點(diǎn)，使用一些指令如“M00”暫停指令，以重新夾緊或調(diào)整夾緊力;在加工細(xì)長(zhǎng)軸類工件時(shí)，可以使用彈性活頂尖，以減少工件的熱伸長(zhǎng)對(duì)工件形位精度的影響;脆性材料硬度低，在裝夾已加工表面時(shí)，易產(chǎn)生夾痕，可以使用軟爪或開口夾套、對(duì)開夾套裝夾工件;在加工軸類、套類工件時(shí)，以加工表面定位時(shí)，為了減少安裝及找正時(shí)間，可以使用三爪卡盤、芯軸、兩頂尖、軸向定位、專用夾具進(jìn)行裝夾。在兩次裝夾加工拉伸試件時(shí)，可以制作帶有止口的軟爪或開口套，不僅減少軸向定位時(shí)間，也能避免夾壞已加工表面。對(duì)于需多次裝夾或工序較多的軸類工件，使用雙頂尖裝夾，能夠保證同軸度精度，但中心孔的長(zhǎng)度尺寸要求控制準(zhǔn)確，否則在數(shù)控加工時(shí)，會(huì)造成工件的軸向尺寸超差，甚至出現(xiàn)撞刀事故。

3.4 刀具的選擇

3.4.1 刀具的材料

針對(duì)脆性金屬材料的切屑呈崩碎狀、對(duì)刀具的沖擊較大、且切削力集中在切削刃附近的情況，綜合性能、價(jià)格、刀具耐用度幾方面因素，宜選適合加工脆性材料的刀具。加工鑄造鋁合金時(shí)，不適宜選擇氧化鋁基陶瓷刀具材料。加工鑄鐵時(shí)，在數(shù)控車床的主軸轉(zhuǎn)速高、功率大、機(jī)床—工件—刀具工藝系統(tǒng)剛性好時(shí)，首選各種陶瓷刀具材料。

粗加工時(shí)，首先選擇抗彎強(qiáng)度高、韌性好、同時(shí)熱硬性高、耐磨性好的刀具材料，如普通硬質(zhì)合金的YG 類、YW 硬質(zhì)合金，條件允許，可以使用一些適合加工脆性材料的細(xì)晶粒或超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、TiC(N)基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)。

精加工時(shí)，切削層很薄，相對(duì)粗加工對(duì)刀具的沖擊很小，為了保證加工精度，降低表面粗糙度，在高速切削時(shí)，應(yīng)該選用硬度高、耐磨性好、強(qiáng)度又較好的刀具材料。如條件允許，可以使用一些適合加工脆性材料的涂層硬質(zhì)合金和陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN、PCBN)。加工鑄造銅合金時(shí)，可以選擇所有適合加工脆性材料的刀具。機(jī)床及生產(chǎn)條件允許時(shí)，可以選擇金剛石(PCD)刀具材料。必要時(shí)，也可以選擇立方氮化硼(CBN)刀具材料。

可供選擇的部分脆性金屬刀具材料見表1。

表1 可用于脆性金屬材料切削的部分國(guó)產(chǎn)刀具材料

3.4.2 刀具的結(jié)構(gòu)

基于減少刀具磨損、提高刀具耐用度、保證加工精度、減少換刀時(shí)間的原則，最好選擇機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀。條件不允許，使用焊接式刀具時(shí)，應(yīng)該選擇耐磨性好、強(qiáng)度高的的材料，以減少刀具磨損、崩刃而導(dǎo)致的換刀時(shí)間。

3.4.3 刀具的幾何形狀

刀具材料確定后，針對(duì)不同脆性金屬材料的性能、工件的結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量、工藝系統(tǒng)(車床、工件、刀具、夾具)剛性等綜合因素，選擇刀具的幾何形狀是加工脆性材料時(shí)必須考慮的重要因素。切削脆性金屬材料時(shí)，為了保護(hù)刀尖，相比塑性材料，應(yīng)該選擇較小的前角。切削鑄造鋁合金、銅合金時(shí)，要求刀具切削刃鋒利，應(yīng)有較大的正前角;為了保證刀頭強(qiáng)度，粗加工時(shí)的后角要比精加工小一些;機(jī)床—工件剛性差時(shí)，為了減少切削時(shí)的振動(dòng)，主偏角盡量大一些，一般選擇在75° ～90°之間，甚至大于90°;機(jī)床—工件剛性好，為了提高刀頭強(qiáng)度，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，可以減少主偏角;加工剛性差的工件時(shí)，為了減少刀具副后刀面與已加工表面的摩擦而引起的振動(dòng)，副偏角可以加大至20° ～60°;工件剛性好時(shí)，為了增強(qiáng)刀頭強(qiáng)度，刃傾角取負(fù)值，精加工時(shí)，為了防止切屑流出后劃傷已加工表面，刃傾角取正值或零;使用涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、CBN 刀具時(shí)，刀片刃口一般需要強(qiáng)化處理，強(qiáng)化的主要方式有刃口倒棱、刃口倒圓和倒棱+倒圓3 種。

刀尖圓弧半徑的選擇一般原則是:粗加工、加工較硬材料或刀具易磨損時(shí)，工藝系統(tǒng)剛性好，選取較大的圓弧半徑;精加工、工藝系統(tǒng)剛性差時(shí)，宜選取適當(dāng)或較小的圓弧半徑。

3.4.4 加工試件選用的刀具

該試件的尺寸細(xì)長(zhǎng)且需要頂尖支撐，限制了刀頭的結(jié)構(gòu)，考慮加工數(shù)量較多，粗車刀選用耐磨性較好的YW2 材料，用焊接式螺紋車刀刃磨成形，刀頭的主偏角Kr=75°，副偏角K'r=45°，前角γ =5°，后角α=8°，λS=0，在保持刀具鋒利、減少?gòu)较蚯邢髁Φ幕A(chǔ)上，能夠保證刀具的耐用度。

選用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位精車刀，刀片夾固采用壓孔式，刀片材料為金屬陶瓷，牌號(hào)為YN05，刀片為V 形，前角γ=5°，后角αo=10°，λS=0，刀尖角εr=35°，該刀尖帶有rε=0.5 mm 的圓弧修光刃。精車時(shí)，使加工表面穩(wěn)定達(dá)到Ra0.8 ～0.4 μm。

切斷刀選用YG8 焊接式車刀。

3.5 切削用量的選擇

脆性材料的切削速度要比塑性材料適度降低。粗加工、工件剛性好時(shí)，應(yīng)該選擇較大的背吃刀量和進(jìn)給量，相對(duì)精加工，切削速度要選取較低值;工件剛性差時(shí)，為了減少工件變形，背吃刀量和進(jìn)給量應(yīng)適當(dāng)減小，為了提高效率，切削速度可以適當(dāng)提高。

3.6 編程技巧的應(yīng)用

利用數(shù)控車床的編程技巧、指令解決常規(guī)技術(shù)難以解決的問(wèn)題。對(duì)于毛坯余量變化不大的工件，可以按輪廓連續(xù)走刀，以減少空走刀時(shí)間。如果毛坯與工件形狀相似，可以使用G73 仿形循環(huán)指令編程，以減少走刀路線和編程內(nèi)容，同時(shí)使刀具切削時(shí)的切削層變化很小，以減少變化的切削力對(duì)工件的影響，并能提高刀具耐用度和加工效率;使用“/”跳步指令解決鑄造毛坯尺寸大小不一時(shí)，反復(fù)修改粗車程序的問(wèn)題;使用“M00”暫停指令進(jìn)行尺寸檢查、調(diào)整夾緊力;使用一臺(tái)數(shù)控車床成批生產(chǎn)時(shí)，還可以使用“M00”暫停指令進(jìn)行程序暫停，卸下粗加工后溫度較高的留有精加工余量的工件，重新裝夾已冷卻至室溫的工件進(jìn)行精加工，以保證加工精度、減少等待時(shí)間。

3.7 加裝吸塵裝置

數(shù)控車床雖然有半封閉、全封閉的防護(hù)罩，但在成批量高速加工脆性金屬材料時(shí)，細(xì)小的切屑仍會(huì)四處飛揚(yáng)，對(duì)設(shè)備的絕緣和操作者的健康影響甚大，可以加裝吸塵裝置，以吸塵口對(duì)準(zhǔn)切削部位進(jìn)行吸塵，吸塵裝置不僅能夠以強(qiáng)力吸入細(xì)小切屑和灰塵，同時(shí)也能吸走一定的切削熱量，減少對(duì)機(jī)床、刀具、工件的影響。

3.8 采用先進(jìn)切削技術(shù)

工藝系統(tǒng)(車床、工件、刀具、夾具)允許時(shí)，車削脆性金屬材料，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用高速切削技術(shù)和干切削技術(shù)，能夠充分發(fā)揮這兩類技術(shù)的特點(diǎn)，以滿足越來(lái)越高的加工效率、加工精度和表面質(zhì)量要求，以及經(jīng)濟(jì)性要求和生態(tài)性要求(綠色生產(chǎn)要求)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，針對(duì)不同的脆性金屬材料特性以及毛坯和結(jié)構(gòu)情況，從加工方案、裝夾方法、加工路線、刀具的材料及幾何形狀、切削用量、編程技巧幾個(gè)方面確定適合的數(shù)控車削技術(shù)，以提高生產(chǎn)效率、保證加工質(zhì)量，并減少刀具損耗，以充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工優(yōu)勢(shì)。

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