雙刀車削在數(shù)控立式車床上的應(yīng)用
2023-3-21 來源： 甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司 作者：寇建昌 毛華
摘要：有效應(yīng)用雙刀車削，是數(shù)控立式車床的重要選擇，也是數(shù)控立式機(jī)床未來的發(fā)展方向。基于此，在數(shù)控立式車床中，應(yīng)探討雙刀車削的優(yōu)勢和具體應(yīng)用，為生產(chǎn)工作的有序進(jìn)行提供有力支持。本研究針對工件的材質(zhì)以及性能，結(jié)合工件結(jié)構(gòu)以及立式車床規(guī)格提出了雙刀車削的方法，并結(jié)合工件形狀和具體尺寸編制車削過程數(shù)控加工程序，有效提高了工件車削效率。
關(guān)鍵詞：雙刀車削；數(shù)控立式車床；應(yīng)用
1、研究意義
裝備制造業(yè)反映了一個國家的國防科技實(shí)力與國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，一方面，汽車、船舶、航天航空等上游產(chǎn)業(yè)有強(qiáng)烈需求；另一方面，各企業(yè)也面臨著產(chǎn)品的升級換代，需提升產(chǎn)品的技術(shù)水平并拓寬服務(wù)領(lǐng)域。在此機(jī)遇下，應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)會，提升我國裝備制造能力。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的研究起步較晚，特別是智能化、專業(yè)化的大型高端數(shù)控裝備與國外的差距更為明顯，多數(shù)以立式或臥式數(shù)控車床、加工中心等單機(jī)的形式為主，并普遍存在加工精度不穩(wěn)定等技術(shù)缺陷。與此同時，部分技術(shù)人員在設(shè)計過程中局限于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，沒有從優(yōu)化的角度進(jìn)行充分研究，導(dǎo)致設(shè)計出來的產(chǎn)品達(dá)不到生產(chǎn)要求，對機(jī)床的精度造成影響，進(jìn)而影響使用壽命。
隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢朝著高速、高精度以及高柔度等方向迅速發(fā)展，對機(jī)床的要求除了具有良好的工藝性、可靠性外，還對機(jī)床的加工性能提出了更高的要求。數(shù)控機(jī)床對靜剛度和動態(tài)特性方面的要求比普通機(jī)床更高，在剛度系數(shù)方面有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，數(shù)控機(jī)床應(yīng)比類似的普通機(jī)床高 50% 左右。因此亟須改進(jìn)生產(chǎn)工藝，從而提高生產(chǎn)效率。在數(shù)控立式車床上應(yīng)用雙刀車削，可以在進(jìn)行大直徑環(huán)形零件端面加工時，有效提高生產(chǎn)效率，提高單位時間金屬去除量。這是由于傳統(tǒng)方式為增加背吃刀量，加大走刀量或提高切削速度。但針對難加工材質(zhì)工件例如奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相鋼以及超級雙相鋼，受限于機(jī)床剛性以及加工行業(yè)現(xiàn)有切削刀具的限制，傳統(tǒng)的切削工藝在實(shí)際應(yīng)用過程中效果并不理想。
結(jié)合現(xiàn)有工件情況，在端面加工過程實(shí)施雙刀車削的工藝過程，可以較大地提高生產(chǎn)效率，有效地保證刀片使用壽命。將雙刀車削應(yīng)用于數(shù)控立式車床上，可以較好地優(yōu)化立式車床的切削性能。
2、雙刀車削
2.1 車削概念
所謂車削，指的是車床加工，通過運(yùn)用車刀對旋轉(zhuǎn)的工件落實(shí)相應(yīng)的車削加工，而車床加工隸屬于機(jī)械加工。針對車床開展的加工工作主要依靠鉆頭、擴(kuò)孔鉆、板牙等實(shí)現(xiàn)。車床作為機(jī)械制造中比較常見的機(jī)床加工種類，對于軸、盤、套等工件具有良好的價值體現(xiàn)。所謂工件旋轉(zhuǎn)，指的是在平面內(nèi)車刀會采用直線或曲線的運(yùn)行方式，從而實(shí)現(xiàn)良好的切削加工 [1-2]。一般情況下，車削加工在車床上完成，從而使加工工件的內(nèi)外面得到良好體現(xiàn)。車削內(nèi)外圓柱面過程中，車刀的運(yùn)動方向應(yīng)該是與工件旋轉(zhuǎn)軸線相平行的。在進(jìn)行車削端面或者切斷工件工作時，車刀的運(yùn)動方向應(yīng)該是與工件旋轉(zhuǎn)軸線相垂直的。當(dāng)車刀的運(yùn)動軌跡和工件旋轉(zhuǎn)軸線形成相應(yīng)的斜角，即可構(gòu)成一個完整的圓錐面。在進(jìn)行車削時，在機(jī)床主軸的帶動旋轉(zhuǎn)下，工件進(jìn)行主運(yùn)動。而車刀此時處在刀架上，進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動。這時切削速度由旋轉(zhuǎn)工件加工表面與車刀接觸點(diǎn)處的線速度可以得知，而切削深度則體現(xiàn)在每次的切削行程中，工件未加工以及已加工的表面之間具有相應(yīng)的角度。
而車削主要由兩部分構(gòu)成：粗車和精車。在車削加工過程中，工件同時在旋轉(zhuǎn)，車刀會與工件以一定的轉(zhuǎn)速比進(jìn)行相同方向的旋轉(zhuǎn)，由此，車刀和工件的運(yùn)動軌跡都會具有相應(yīng)的變化，最后呈現(xiàn)出多邊形的工件。與此同時，當(dāng)車刀縱向進(jìn)給時，工件每旋轉(zhuǎn)一次，刀架就會多一個周期的徑向往復(fù)運(yùn)動，從而凸輪以及其他非圓形斷面表面就能得到良好的加工。同樣地，將該加工原理落實(shí)在鏟齒車床上，一些多齒刀具刀齒的后刀面也能夠得到良好的加工。
2.2 雙刀車削加工
雙刀車削加工的落實(shí)原理為，通過將原來單獨(dú)的車刀車削量，分成兩個車刀開展有效的車削工作。由此，原有車削量由一次增加到兩次，同時加工時間得到縮減，極大地提升了加工效率。
首先，從車削工序來看，可以從以下兩個方面落實(shí)：外圓內(nèi)孔類的車削、端面臺階面車削。所謂外圓內(nèi)孔類車削，當(dāng)加工程度可以實(shí)現(xiàn)一刀車削時，有效利用并排雙刀的方式進(jìn)行車刀安裝，指的是在原有刀架的基礎(chǔ)之上，在一段距離之外再安設(shè)一車刀，從而使兩車刀形成并排的狀態(tài)。這時兩車刀刀頭之間的距離與總加工長度相對比，前者要在后者長度的一半以下，從而傳統(tǒng)加工工藝中車床X軸進(jìn)給的長度也會隨之減少，但是會極大地提升工作效率。在加工余量很大的情況下，需要針對表面落實(shí)車削作業(yè)時，充分利用階梯雙刀安裝手段。所謂兩柄車刀安裝，第一刀去所具有的加工余量，即在背吃刀量方向兩車刀的高度差。而雙刀的車削余量總量，與工件加工余量總量相等 [3-4]。對刀時，第二刀和工件表面會進(jìn)行相應(yīng)的對刀，大拖板或者小拖板會被退出來，再進(jìn)行第一柄車刀的安裝工作，隨之中拖板會進(jìn)行進(jìn)刀，之后就可以進(jìn)行車削作業(yè)。
科學(xué)調(diào)整第二柄車刀的角度，能夠極大地提升加工的精確度，優(yōu)化工件表面的粗糙度。從端面臺階面車削來看，一般情況下，車削端面和臺階面所采用的安裝方法為并排雙刀以及并排加階梯雙刀。當(dāng)車削臺階面時，通過良好落實(shí)雙刀并排以及階梯安裝工藝方法，促使雙刀的背吃刀量得到充分的保障，同時已經(jīng)完成加工的表面不會出現(xiàn)二次加工的情況，即表面干涉問題。而當(dāng)車削端面時，通過科學(xué)使用并排雙刀的安裝手段，確保雙刀刀頭之間的距離在端面半徑的一半以內(nèi)，從而不會出現(xiàn)表面干涉問題。
其次，配車。通常配車會出現(xiàn)在軸瓦澆鑄之前，其對于軸瓦澆鑄作業(yè)良好進(jìn)行具有十分重要的作用，確保合金能與鋼體實(shí)現(xiàn)充分黏合[5]。由此，應(yīng)該在軸瓦的表面車出相應(yīng)的環(huán)槽，即有規(guī)則的曲線。同時，在澆鑄之前工件表面很有可能會出現(xiàn)氧化的問題，從而影響到切削速度。針對這個問題，應(yīng)該在傳統(tǒng)車刀配車的基礎(chǔ)之上，有效利用單車刀在工件表面進(jìn)行拉槽，從而實(shí)現(xiàn)澆鑄表面曲線的有效加工。在加工表面寬度相對較大的情況下，通常需要較長的配車時間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，且完成加工的工件表面更容易出現(xiàn)氧化的問題。而通過雙刀結(jié)合配車，加工時間會被極大地縮短，生產(chǎn)效率和配車質(zhì)量得到充分的保障。內(nèi)孔類配車與雙刀車削內(nèi)孔基本原理是相同的，車刀安裝方式通常會采用并排雙刀，在安裝的過程中，需要明確的是配車時應(yīng)該對雙刀刀頭之間的距離進(jìn)行精確計算，從而切實(shí)保障雙刀一次安裝能配車全部加工表面寬度，同時表面干涉問題不會出現(xiàn)。端面、臺階面配車與雙刀車削端面臺階面在原理上是一致的。
2.3 加工方法
從加工方法實(shí)際來看，可以從粗車和精車兩個角度落實(shí)。首先，粗車車削加工對于外圓粗加工來說，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效益和價值。粗車的應(yīng)用價值體現(xiàn)在，能夠確保毛坯上多余的金屬被充分地清除掉，從而生產(chǎn)率得到相應(yīng)的提升。粗車基于提升生產(chǎn)力的目的，會有效運(yùn)用背吃刀量以及進(jìn)給量。而為了減少對刀具的傷害，促使刀具得到持續(xù)性利用，應(yīng)該有效降低切削速度 [6-7]。粗車時，較大的主偏角對于車刀有更好的效用，從而背向力相應(yīng)地減小，工件的彎曲變形和振動問題得以充分避免。在前角、后角以及負(fù)值的刃傾角比較小的情況下，車刀切削部分的強(qiáng)度得到相應(yīng)的提升。而精車加工的目的更多體現(xiàn)在保障零件的精度以及維護(hù)表面的質(zhì)量。精車外圓表面所使用的背吃刀量與進(jìn)給量相對較小，切削速度比較快。針對一些大型軸類零件外圓進(jìn)行加工時，寬刃車刀低速精車有良好的利用效果。同時精車時車刀所具有的前角、后角以及正值的刃傾角一般比較大，從而使加工表面的質(zhì)量得到相應(yīng)的提升。對于精度比較高的外圓來說，精車能夠很好地應(yīng)用在其最終加工中以及預(yù)加工中。
2.4 車床保養(yǎng)
針對車床落實(shí)的保養(yǎng)工作，可以體現(xiàn)在兩個方面：裝夾校正以及管理工具和車刀。首先，在進(jìn)行裝夾校正工件時，應(yīng)該注意以下事項。工件中會攜帶泥沙等雜質(zhì)，需要對其進(jìn)行全面清理，從而避免雜質(zhì)被帶進(jìn)拖板滑動面，使導(dǎo)軌出現(xiàn)損壞。同時針對一些比較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝夾比較小的工件，落實(shí)裝夾和校正工作時，應(yīng)該提前將相應(yīng)的木制床蓋板放置在工件下的車床床面上，并利用壓板或者活絡(luò)頂針，確保工件被完全頂住，避免其掉落導(dǎo)致車床被砸毀 [8-10]。當(dāng)出現(xiàn)工件位置不良的問題時，應(yīng)該有效利用夾爪、壓板以及頂針，將其暫時松開再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。避免對其強(qiáng)力敲擊，強(qiáng)行扳正，導(dǎo)致車床主軸的精確度受到不良影響。其次，針對工具以及車刀的管理。一般情況下，車刀和工具不應(yīng)該被放置在床面上，因?yàn)槿菀讓?dǎo)致導(dǎo)軌被損壞。在有需求的情況，應(yīng)該用床蓋板將床面和工具隔離開，避免二者直接接觸。
3、數(shù)控立式車床
所謂數(shù)控立式車床，指的是 CNC 立式車床，其適用于一些中型、小型、蓋類零件等，優(yōu)勢為自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性很高，裝夾工件簡便，安放設(shè)備需要的面積小。其所具有的油水分離結(jié)構(gòu)，能夠有效維護(hù)冷卻水的清潔環(huán)保性，而分離式冷卻水箱，在清洗一些高精度、高剛度的彈筒式主軸結(jié)構(gòu)時具有良好的表現(xiàn)，同時主軸套筒的維修工作也得到了良好的保障，極大地避免了加工精度受到不良影響的熱變形問題。大功率交流主軸電機(jī)對于機(jī)床有效運(yùn)用以及穩(wěn)定性具有良好的體現(xiàn)，主軸所使用的潤滑脂，能夠確保機(jī)器達(dá)到全封閉、免維護(hù)的狀態(tài)。而床鞍、立柱導(dǎo)軌在超重負(fù)荷直線滾動導(dǎo)軌的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)較高的動態(tài)響應(yīng)能力，精度得到相應(yīng)提升。結(jié)合良好的立式電動刀架，使得車床具有剛性良好、換刀快速等優(yōu)勢。
4、雙刀車削在數(shù)控立式車床上的應(yīng)用
在加工過程中，所采用的數(shù)控立式車床為 6.3 m立式車床，其結(jié)構(gòu)為雙刀架，右刀架和左刀架分別為數(shù)控刀架、程控刀架。在充分了解工件材質(zhì)、機(jī)械性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及車床使用實(shí)際的基礎(chǔ)之上，通過有效利用雙刀車削，促使車床得到更為高效的利用，生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到充分保障。在選擇刀片時，應(yīng)該從刀片的材質(zhì)、表面涂層、角度結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行考慮，確保刀片為雙刀車削的良好使用奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際使用過程中，相應(yīng)調(diào)整切削過程的ap值和fn值。調(diào)整不當(dāng)會使刀片的使用壽命極大地縮短，進(jìn)而造成機(jī)床橫梁的振動，設(shè)備的良好使用也會受到一定的影響。因此，通過對 6.3 m 立式車床進(jìn)行深入分析，在有效應(yīng)用雙刀車削過程中，對于端面加工切削參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，確保車床得以良好運(yùn)轉(zhuǎn)。
在實(shí)際進(jìn)行端面加工過程中，將兩把車刀科學(xué)地安設(shè)在立車滑枕端刀臺兩端處，結(jié)合相應(yīng)的切削參數(shù)，有效利用對刀儀確定兩車刀刀尖的高度差，并明確兩刀尖之間的距離，同時清晰工件端面的厚度。將左側(cè)刀尖對準(zhǔn)明確的坐標(biāo)點(diǎn)，工作臺隨之旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。在切削初始階段，左側(cè)刀會吃刀車削，而右側(cè)刀則不動。作出一定調(diào)整之后，右側(cè)車刀也需要開展相應(yīng)的車削，這時，左側(cè)刀和右側(cè)刀同時基于工件端面厚度以及兩刀尖之間的距離進(jìn)行車削，當(dāng)左側(cè)車刀刀尖超出了端面，明確其中完成加工的區(qū)域以及未加工區(qū)域，進(jìn)行雙刀抬刀和退刀，再次進(jìn)刀，開始下一刀車削加工。除此之外，基于雙刀車削實(shí)際，將其良好運(yùn)用在數(shù)控立式車床中，結(jié)合端面加工過程，在現(xiàn)有程序背吃刀量、進(jìn)給量基礎(chǔ)上，有效計算單刀車削工時，從而明確雙刀車削和單刀車削的效率。針對特種材質(zhì)或者加工難度系數(shù)比較高的材質(zhì)車削，切削參數(shù)達(dá)到一定程度之后難以再提升參數(shù)，從而生產(chǎn)效率也難以進(jìn)一步提高。而通過科學(xué)使用雙刀車削技術(shù)，相對于單刀加工手段，生產(chǎn)效率得到極大提升，生產(chǎn)工作得以充分保障。
5、結(jié)語
綜上所述，通過對數(shù)控立式車床的分析可知，在加工過程中采取雙刀車削，對保障加工效果具有重要意義。結(jié)合當(dāng)前數(shù)控立式車床實(shí)際，在加工過程中，雙刀車削的應(yīng)用對提升工件車削效率具有直接影響。因此，應(yīng)立足于數(shù)控立式車床實(shí)際，深入分析雙刀車削落實(shí)情況，有效運(yùn)用雙刀車削，避免傳統(tǒng)單刀加工方式存在的問題，從而保障生產(chǎn)工作的高效進(jìn)行，使生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量要求得到充分滿足。在特種材質(zhì)或是難加工材質(zhì)車削方面，切削參數(shù)調(diào)整到一定數(shù)值后很難再通過提高參數(shù)來提高生產(chǎn)效率。而選用雙刀車削工藝方式，相較于單刀加工方式，將進(jìn)一步地提高生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)過程中有重大意義。
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