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刀具：高速加工不等同于高效生产

发布时间：

2021-09-15

高速加工是相对传统加工系统而言的，它包含两层含义：高主轴转速和高进给量，即利用高性能的机床，以通常意义上的几倍甚至几十倍的加工速度来实现对工件加工的高精度、高效率，最终达到提高生产率的目的。然而，选用了高速加工中心是否意味着生产效率就一定能够得到提高吗？答案并非如此。

10年前，加工中心的快速移动速度＜18m/min、换刀速度＞10s，其性能与今日的加工中心是不可同日而语的。那时，使用加工中心组成的柔性加工线的成本也是非常昂贵的。由于早期的加工中心的刀具和刀库在结构上的问题还未得到完全解决，在某些工序，特别是对关键孔的加工工序上还必须使用专机。

随着科技的不断进步，新式刀具层出不穷，上述问题现在已基本得到解决。主轴转速在12000r/min以上的现代化高速加工中心彼彼皆是，完全由加工中心组成的柔性生产线也得到了广泛应用。然而这时，又一个问题摆在了人们的面前：在什么情况下选用什么样的加工中心呢？

本文例举的加工实例就三台性能不同的机床分别在粗加工和半精加工、精加工工况下，加工不同材质工件时的性能进行了比较和分析。

粗加工和半精加工

在柔性加工中，粗加工机床为最终的精加工提供稳定的毛坯，因此，粗加工工序是柔性加工线中非常重要的一个组成部分。选用粗加工工序的原则是：根据不同的加工材料选用刚性相符合的加工中心。然而，现在仍有相当多的发动机生产厂没有重视到粗加工工序应该选用何种机床。

目前，国内发动机厂使用的发动机缸体大多采用铸铁结构。与进口毛坯相比较，国产毛坯加工余量较大且不均匀，材质也不稳定。因此，国内发动机厂在该工序上使用的机床应该比国外相同工序上使用的机床要求相对高一些。

加工实例

以完成4108柴油机粗镗汽缸孔为例：

缸体材料：HT250

缸孔直径：110mm

单边余量：5mm

加工部位：粗铣顶面、粗铣底面、粗铣前后端面、粗镗汽缸孔

选用A、B、C三种不同性能的机床进行对比试验，机床的主要参数如表1所示。

加工工序可选用的刀具材料如下：

1、硬质合金涂层刀片：刀片韧性较好、安全可靠、线速度较低、价格便宜，适用于品质较差的毛坯。

2、金属陶瓷刀片：刀片韧性较差、易崩刃、线速度较高、价格中等，适用于品质较好的毛坯。

由于国内毛坯质量不稳定，建议选用硬质合金涂层刀片；查询切削手册，Vc为150～240m/min，建议选用180m/min的进给速度；从工艺上决定粗加工汽缸孔时的主轴转速为520r/min。

机床主要参数和性能的对比

观察在主轴转速为520r/min时A、B、C三种机床的性能，表2所示为其对比情况，由此分析可以得出以下结论：

A机床主轴转速在400～500r/min时，不能提供适合粗加工所需要的功率和扭矩。该机床不适合用于粗加工，但此机床可用于小平面和油孔的加工。

B机床可以满足材质较好毛坯的粗加工和半精加工的要求，但须再提高机床主轴转速才可能获得较大的功率，且扭矩已不能再提高。采用此机床，可选用4～5个刀片的镗刀。主轴转速的提高将导致刀具寿命的降低，加大刀片破碎的机率。

C机床的主轴转速在300～600r/min时，可以提供足够大的功率和扭矩，满足粗加工的需要。对于粗加工和半精加工，此机床具有较强的适应能力。此加工工序可选用5～7个齿的镗刀。

在粗铣大面工序中，如顶面、底面、前后端面，通常会采用直径为?160～200mm的盘铣刀。若选用C机床，将得到非常稳定的加工过程；若选用B机床，只有通过提高主轴转速降低每齿进给的方式才能提高进给，但是可能会让用户加大对刀具的投入。

在毛坯质量较好的情况下，B机床的表现最为出色。它不仅可以加工铸铁缸体，还可以兼容铸铝缸体的加工。Ｂ机床具有较大的柔性，在欧洲，此类机床的使用十分普及，而A机床则是专为有色金属的加工而设计的。

精加工

主轴是加工中心的心脏，采用强劲的主轴是选用高刚性加工工序的关键。精加工应选用主轴刚性好、精度稳定性好的机床。

那么，精加工应该选用什么刀片呢？从德国发动机厂的使用情况看，缸孔的精镗、曲轴孔、凸轮轴孔的精镗采用CBN刀片效果比较好。从理论上讲，CBN刀片的价格是硬质合金刀片的10倍，但其寿命也是硬质合金刀片的10倍。

但是，目前国内发动机厂的使用情况远远达不到这种效果，特别是曲轴孔的加工。由于有油槽和瓦槽的影响，加上铸铁材质的不稳定，CBN刀片在实际加工中Vc只能达到300～350m/min，fZ在0.07～0.1mm/Z。

采用电主轴的机床适合使用CBN刀具，因为Vc达到300～350m/min时，主轴转速为800～1000r/min，此区间通常是电主轴的黄金转速区域，既可以输出较大的主轴电机功率，又可以有较大的扭矩输出。为了防止在精加工中出现震动，通常只选用单齿的MAPAL刀具。

个别机床供应商选用CBN刀片加工顶平面，这也是迫不得已的。例如：直径250的盘铣刀在Vc=280m/min（硬质合金刀片的上限）时，主轴转速也只有360r/min，电主轴在这个转速下不能发挥很好的作用。

如果被加工的机体毛坯质量好，厂家在生产加工过程中能承受较高的刀具运行费用，那么就可以选用B机床。通常情况下，B机床的动态响应速度较快，投资较少。

由于C机床采用变速机构，机床的主轴支撑跨距较大。此结构机床的主轴精度保持性好，再加上它在中低转速时功率扭矩大的优势，因此，C机床是加工铸铁件的首选机床。

加工实例

现以加工4108凸轮轴孔为例，工件长526mm、直径91H6、同轴度0.02mm，采用德国MAPAL公司的铰刀，单向加工，可以达到图纸的精度要求。

为了解决这个关键问题，斯达拉格海科特公司采用高刚性的ClassiCWK500卧式加工中心，采用3齿的MAPAL精密铰刀，材料选用硬质合金涂层刀片，单向加工。

Vc=125m/min，fZ为0.07～0.1mm/Z，此时的主轴转速为440r/min。斯达拉格海科特公司为用户提供齿轮变速的机床在440r/min时，主轴提供超过1000Nm的扭矩和50kW的功率输出。

采用硬质合金涂层刀片加工曲轴孔可以给用户带来比CBN刀片更好的表面粗糙度。硬质合金涂层刀片较CBN刀片抗冲击性较强，刀片不会突然破碎，使用更加安全。硬质合金刀片选择较低的速度（Vc=125m/min）时，可以保证孔径的稳定性。如果用户采用质量较好的毛胚，也可以选用CBN刀片进行加工，生产效率可大大提高。