數(shù)控機(jī)床必備金屬切削基礎(chǔ)知識(shí)

■ 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(zhuān)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(chēng)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)。現(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）。總計(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(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)床所使用的車(chē)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(chē)時(shí)，選用R型；精車(chē)時(shí)，選用F型；M型用于普通車(chē)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.