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大、重型工件的高效加工经验

高效加工(HPC)是指通过提高单位时间内金属材料的切除量和加工过程的全面优化,进一步降低切削基本时间和辅助时间,提高加工效率,降低加工费用的一个系统工程。其核心是提高材料切除率,特别是在大型、重型工件的粗加工工序比较实用,能够显着降低基本切削时间。这一概念的提出是伴随着现代刀具技术的发展和机床数控技术的推广应用而产生的一种综合加工概念。其主线是降低生产成本,提高经济效益。

1.应用现代刀具

“工欲善其事,必先利其器”,刀具材料和涂层技术的发展为高效加工提供了保障。现代刀具采用多种涂层技术(CVD、PVD、WC等)提高了刀具切削过程中的热硬性,刀基材料采用了超细粉末冶金,提高刀具的耐磨性。如山特维克可乐满、瓦尔特等国际着名刀具制造厂商采用的CVD涂层技术,其中α相的Al2O3结构稳定,性能优越,中温CVD形成的TiCN极大地消除了在硬质合金基体和氧化铝膜层之间脆弱的η相而提高了膜层的结合能力,从而可以大幅度提高切削速度;钴加强的硬质合金基材又对刀具的刃口韧性进行了增强,从而提高了进给率;它的刃口还在涂层之后进行了抛光,从而降低了切屑与刀片之间的摩擦,减少了粘结磨损的发生,提高了刀具寿命;切削刃长度不断加大,推出了15mm、19mm、25mm等大切深、重载荷的粗加工刀片。可以说,刀具技术的发展完全满足了重型、大型工件高效切削加工的需求,实际使用也越来越广,如密齿铣刀、长刃铣刀(俗称玉米铣刀)都是重型工件高效加工的常用刀具。

陶瓷刀具、立方氮化硼刀具的研究和推广,为解决高温、高硬度材料的加工提供了有效方案,有效减少了工件占用机床的时间。

刀柄、转塔、夹紧等连接方式的模块化设计,从径向、轴向全面高精度定位,保证每次装夹的尺寸一致性,显着降低换刀时间,减少了工件加工的辅助时间。

现代化的刀具分类较细,针对性较强,具体应用时要根据不同的材料、不同的加工方式、不同的工艺特点进行合理的选择,发挥刀具的最佳效能。这些现代化刀具的价格虽然比普通刀具高出1~2倍,但工件整体加工成本却可以降低15%~20%,经济效益显而易见。因为作为易耗品的刀具花费在产品制造总成本中仅占3%~4%,而主要的费用耗费在机床占用时间和人工的成本(占20%~25%)上。

2.选择较大的机床功率储备

实现高效加工的第二个方面是机床要有较大的切削功率和有一定的功率储备,即重型机床。这里的切削功率并不单指动力系统,而是指整个切削系统,包括机床结构、机床承重、齿轮传动、夹紧系统、刀具系统等。机床结构形式多采用重心较低的结构,重心越高刚性越差,切削过程中的不稳定因素就要增加,如颤动、共振等现象的发生,这对大的切削深度或者进给速度都是非常不利的。滑动导轨尽可能选用平面H形一体化导轨,保证切削过程的平稳滑动。机床最大承重载荷应该大于工件毛坯重量的1.5~2倍,从而使得坚固耐用的设备可以在最大功率范围内得到充分的利用。

重型机床是大型、重型工件实现高效加工的基础,其稳固的自身重量(一般>30t)为大型工件的高效切削加工提供了保证,刚性的刀具系统足可以满足高效切削的大转矩需求。

3.材料切除量

材料切除量Q 的计算。单位时间的材料切除量可以用下式表示:

可以看出加大切深a e或者切屑厚度a p都可以提高材料切除量,而加大切屑厚度a p也就是提高进给速度,在工件材料、刀具型号和机床一定的情况下,进给速度的提高往往带来主轴转速的提高,这会加快刀具的磨损,降低刀具的使用寿命。但是加大切深a e并不影响刀具的使用寿命,因此,在粗加工过程中往往采用加大切深a e来提高单位时间的材料切除量,减少走刀次数,实现高效加工,特别是长径(长宽)比例较大的工件,减少一次走刀所节省的机床占用时间是显而易见的。

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