張立君，張樹軍，劉悅，劉春城，張國斌

(東北大學工程訓練中心，遼寧沈陽110004)

脆性金屬材料具有流動性較好、容易成形等特點，適合鑄造形狀復雜的毛坯，在機械制造中應(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)控機床上加工，由于這些材料的力學和切削特點，在加工時，容易出現(xiàn)一些問題:(1)由于切屑呈崩碎狀，使用冷卻液會造成冷卻泵噴管堵塞，并使切屑黏附在機床的運動部件上;(2)由于不便使用冷卻液，以較高的速度車削時，產(chǎn)生的切削熱會影響機床—工件—刀具。機床熱變形，影響機床精度;工件熱變形，使精加工的尺寸超差，在加工剛性差的工件時，使工件產(chǎn)生彎曲、振動，影響其圓柱度和表面粗糙度，嚴重時，工件會折斷;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，刀具極易磨損;(4)砂型鑄造毛坯表面質(zhì)量較差時，粗車時背吃刀量較難控制。且易造成裝夾不牢固，粗車時工件松動，輕則影響加工精度，重則出現(xiàn)安全事故;(5)高速切削時，漂浮的細小切屑對機床電氣設(shè)備和操作者人身健康造成危害。

隨著數(shù)控機床的廣泛使用和金屬切削刀具的不斷發(fā)展，機械加工生產(chǎn)方式也隨之逐漸改變，從多機床、工序分散，向少機床、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。由于毛坯是細長類，采用砂型鑄造時，鑄件經(jīng)常出現(xiàn)砂眼、氣孔、彎曲、白口等鑄造缺陷，給數(shù)控車削帶來困難。

圖1 拉伸試件

2 加工存在的問題

由于該試件毛坯的鑄造工藝性較差，數(shù)控車削時，出現(xiàn)了以下問題:(1)由于試件剛性差，刀尖車至有砂眼、氣孔的位置時，易產(chǎn)生“扎刀”，使試件折斷，損壞刀具;(2)鑄造的毛坯有時尺寸大小不一，按大尺寸毛坯編程，在加工小尺寸毛坯會空走刀。按小尺寸毛坯編程，在加工大尺寸毛坯時會超出刀具、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，修改程序，既麻煩也不穩(wěn)妥;(3)毛坯表面粗糙、有粘砂或硬度過高時，會產(chǎn)生裝夾不牢或切削力增大導致試件產(chǎn)生松動;(4)毛坯經(jīng)常出現(xiàn)外硬(白口)內(nèi)軟，會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，精車時還會出現(xiàn)振動，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、加工時易出現(xiàn)的問題、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)基準先行的原則。脆性材料的毛坯若是鑄造狀態(tài)，其定位基準的選擇至關(guān)重要，選擇粗基準時，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，并且要考慮快速裝夾及可靠性;選擇精基準時，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。對于精度較高的表面，應(yīng)考慮粗加工時因夾緊力、切削熱、切削力、內(nèi)應(yīng)力所引起工件的變形和松動問題。對于鑄造毛坯或加工余量較大的工件，應(yīng)該實行粗精加工分開，通過粗加工，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是毛坯，為了減少定位誤差以及安裝找正時間，應(yīng)安排一次裝夾，先粗后精的加工順序。精車時，要考慮粗加工時工件熱變形對尺寸精度的影響。為了避免工件冷卻后外圓尺寸變小導致工件報廢、內(nèi)孔尺寸變小導致需要重新加工所造成的一系列問題，首件加工時，可以根據(jù)材料的熱膨脹系數(shù)，精加工時外圓尺寸適當加大，而內(nèi)孔尺寸按圖樣尺寸加工，待其冷卻至室溫時，測量其尺寸變化值，后續(xù)加工以該尺寸變量確定精車的實際控制尺寸。如條件允許，可以建立數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)確定精加工的尺寸值;如果定位基準是已加工表面，可以在粗車、半精車后，重新裝夾進行精加工。

(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 臺機床上完成，試件的加工周期長，成本增加;

(2)工序分散，兩次裝夾，第一次裝夾，進行粗車和半精車，第二次裝夾，精車拉伸部分。能夠合理使用機床，由于精車時切屑較少，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，加工時間增長;

(3)工序集中，一次裝夾，進行粗車→半精車→精車，能夠減少機床的使用數(shù)量，加工效率高，但切削熱使工件熱變形，對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，需要選擇正確的裝夾方法以保證加工質(zhì)量和安全，對于表面粗糙、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。使用液壓及氣動卡盤時，其夾緊力要適當加大;毛坯尺寸長短不一，無法使用軸向限位裝置時，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)控機床的自身特點，使用一些指令如“M00”暫停指令，以重新夾緊或調(diào)整夾緊力;在加工細長軸類工件時，可以使用彈性活頂尖，以減少工件的熱伸長對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，易產(chǎn)生夾痕，可以使用軟爪或開口夾套、對開夾套裝夾工件;在加工軸類、套類工件時，以加工表面定位時，為了減少安裝及找正時間，可以使用三爪卡盤、芯軸、兩頂尖、軸向定位、專用夾具進行裝夾。在兩次裝夾加工拉伸試件時，可以制作帶有止口的軟爪或開口套，不僅減少軸向定位時間，也能避免夾壞已加工表面。對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，但中心孔的長度尺寸要求控制準確，否則在數(shù)控加工時，會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

針對脆性金屬材料的切屑呈崩碎狀、對刀具的沖擊較大、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，不適宜選擇氧化鋁基陶瓷刀具材料。加工鑄鐵時，在數(shù)控車床的主軸轉(zhuǎn)速高、功率大、機床—工件—刀具工藝系統(tǒng)剛性好時，首選各種陶瓷刀具材料。

粗加工時，首先選擇抗彎強度高、韌性好、同時熱硬性高、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晶?；虺毦Я５挠操|(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，切削層很薄，相對粗加工對刀具的沖擊很小，為了保證加工精度，降低表面粗糙度，在高速切削時，應(yīng)該選用硬度高、耐磨性好、強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，可以選擇所有適合加工脆性材料的刀具。機床及生產(chǎn)條件允許時，可以選擇金剛石(PCD)刀具材料。必要時，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、減少換刀時間的原則，最好選擇機夾可轉(zhuǎn)位車刀。條件不允許，使用焊接式刀具時，應(yīng)該選擇耐磨性好、強度高的的材料，以減少刀具磨損、崩刃而導致的換刀時間。

3.4.3 刀具的幾何形狀

刀具材料確定后，針對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必須考慮的重要因素。切削脆性金屬材料時，為了保護刀尖，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，要求刀具切削刃鋒利，應(yīng)有較大的正前角;為了保證刀頭強度，粗加工時的后角要比精加工小一些;機床—工件剛性差時，為了減少切削時的振動，主偏角盡量大一些，一般選擇在75° ～90°之間，甚至大于90°;機床—工件剛性好，為了提高刀頭強度，延長刀具的使用壽命，可以減少主偏角;加工剛性差的工件時，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，副偏角可以加大至20° ～60°;工件剛性好時，為了增強刀頭強度，刃傾角取負值，精加工時，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，刀片刃口一般需要強化處理，強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，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，宜選取適當或較小的圓弧半徑。

3.4.4 加工試件選用的刀具

該試件的尺寸細長且需要頂尖支撐，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、減少徑向切削力的基礎(chǔ)上，能夠保證刀具的耐用度。

選用機夾可轉(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，使加工表面穩(wěn)定達到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，應(yīng)該選擇較大的背吃刀量和進給量，相對精加工，切削速度要選取較低值;工件剛性差時，為了減少工件變形，背吃刀量和進給量應(yīng)適當減小，為了提高效率，切削速度可以適當提高。

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)難以解決的問題。對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，同時使刀具切削時的切削層變化很小，以減少變化的切削力對工件的影響，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，反復修改粗車程序的問題;使用“M00”暫停指令進行尺寸檢查、調(diào)整夾緊力;使用一臺數(shù)控車床成批生產(chǎn)時，還可以使用“M00”暫停指令進行程序暫停，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行精加工，以保證加工精度、減少等待時間。

3.7 加裝吸塵裝置

數(shù)控車床雖然有半封閉、全封閉的防護罩，但在成批量高速加工脆性金屬材料時，細小的切屑仍會四處飛揚，對設(shè)備的絕緣和操作者的健康影響甚大，可以加裝吸塵裝置，以吸塵口對準切削部位進行吸塵，吸塵裝置不僅能夠以強力吸入細小切屑和灰塵，同時也能吸走一定的切削熱量，減少對機床、刀具、工件的影響。

3.8 采用先進切削技術(shù)

工藝系統(tǒng)(車床、工件、刀具、夾具)允許時，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，以滿足越來越高的加工效率、加工精度和表面質(zhì)量要求，以及經(jīng)濟性要求和生態(tài)性要求(綠色生產(chǎn)要求)。

4 結(jié)束語

在實際生產(chǎn)時，針對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)控機床的加工優(yōu)勢。

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