雙刀車削在數控立式車床上的應用
2023-3-21 來源： 甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司 作者：寇建昌 毛華
摘要：有效應用雙刀車削，是數控立式車床的重要選擇，也是數控立式機床未來的發展方向。基于此，在數控立式車床中，應探討雙刀車削的優勢和具體應用，為生產工作的有序進行提供有力支持。本研究針對工件的材質以及性能，結合工件結構以及立式車床規格提出了雙刀車削的方法，并結合工件形狀和具體尺寸編制車削過程數控加工程序，有效提高了工件車削效率。
關鍵詞：雙刀車削；數控立式車床；應用
1、研究意義
裝備制造業反映了一個國家的國防科技實力與國民經濟實力。隨著現代工業的迅猛發展，一方面，汽車、船舶、航天航空等上游產業有強烈需求；另一方面，各企業也面臨著產品的升級換代，需提升產品的技術水平并拓寬服務領域。在此機遇下，應當抓住機會，提升我國裝備制造能力。國內數控機床的研究起步較晚，特別是智能化、專業化的大型高端數控裝備與國外的差距更為明顯，多數以立式或臥式數控車床、加工中心等單機的形式為主，并普遍存在加工精度不穩定等技術缺陷。與此同時，部分技術人員在設計過程中局限于傳統的經驗，沒有從優化的角度進行充分研究，導致設計出來的產品達不到生產要求，對機床的精度造成影響，進而影響使用壽命。
隨著數控機床的發展趨勢朝著高速、高精度以及高柔度等方向迅速發展，對機床的要求除了具有良好的工藝性、可靠性外，還對機床的加工性能提出了更高的要求。數控機床對靜剛度和動態特性方面的要求比普通機床更高，在剛度系數方面有標準規定，數控機床應比類似的普通機床高 50% 左右。因此亟須改進生產工藝，從而提高生產效率。在數控立式車床上應用雙刀車削，可以在進行大直徑環形零件端面加工時，有效提高生產效率，提高單位時間金屬去除量。這是由于傳統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，受限于機床剛性以及加工行業現有切削刀具的限制，傳統的切削工藝在實際應用過程中效果并不理想。
結合現有工件情況，在端面加工過程實施雙刀車削的工藝過程，可以較大地提高生產效率，有效地保證刀片使用壽命。將雙刀車削應用于數控立式車床上，可以較好地優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，通過運用車刀對旋轉的工件落實相應的車削加工，而車床加工隸屬于機械加工。針對車床開展的加工工作主要依靠鉆頭、擴孔鉆、板牙等實現。車床作為機械制造中比較常見的機床加工種類，對于軸、盤、套等工件具有良好的價值體現。所謂工件旋轉，指的是在平面內車刀會采用直線或曲線的運行方式，從而實現良好的切削加工 [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外面得到良好體現。車削內外圓柱面過程中，車刀的運動方向應該是與工件旋轉軸線相平行的。在進行車削端面或者切斷工件工作時，車刀的運動方向應該是與工件旋轉軸線相垂直的。當車刀的運動軌跡和工件旋轉軸線形成相應的斜角，即可構成一個完整的圓錐面。在進行車削時，在機床主軸的帶動旋轉下，工件進行主運動。而車刀此時處在刀架上，進行進給運動。這時切削速度由旋轉工件加工表面與車刀接觸點處的線速度可以得知，而切削深度則體現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的角度。
而車削主要由兩部分構成：粗車和精車。在車削加工過程中，工件同時在旋轉，車刀會與工件以一定的轉速比進行相同方向的旋轉，由此，車刀和工件的運動軌跡都會具有相應的變化，最后呈現出多邊形的工件。與此同時，當車刀縱向進給時，工件每旋轉一次，刀架就會多一個周期的徑向往復運動，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原理為，通過將原來單獨的車刀車削量，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：外圓內孔類的車削、端面臺階面車削。所謂外圓內孔類車削，當加工程度可以實現一刀車削時，有效利用并排雙刀的方式進行車刀安裝，指的是在原有刀架的基礎之上，在一段距離之外再安設一車刀，從而使兩車刀形成并排的狀態。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，從而傳統加工工藝中車床X軸進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，需要針對表面落實車削作業時，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行相應的對刀，大拖板或者小拖板會被退出來，再進行第一柄車刀的安裝工作，隨之中拖板會進行進刀，之后就可以進行車削作業。
科學調整第二柄車刀的角度，能夠極大地提升加工的精確度，優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。當車削臺階面時，通過良好落實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，同時已經完成加工的表面不會出現二次加工的情況，即表面干涉問題。而當車削端面時，通過科學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，從而不會出現表面干涉問題。
其次，配車。通常配車會出現在軸瓦澆鑄之前，其對于軸瓦澆鑄作業良好進行具有十分重要的作用，確保合金能與鋼體實現充分黏合[5]。由此，應該在軸瓦的表面車出相應的環槽，即有規則的曲線。同時，在澆鑄之前工件表面很有可能會出現氧化的問題，從而影響到切削速度。針對這個問題，應該在傳統車刀配車的基礎之上，有效利用單車刀在工件表面進行拉槽，從而實現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，導致生產效率降低，且完成加工的工件表面更容易出現氧化的問題。而通過雙刀結合配車，加工時間會被極大地縮短，生產效率和配車質量得到充分的保障。內孔類配車與雙刀車削內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該對雙刀刀頭之間的距離進行精確計算，從而切實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。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
從加工方法實際來看，可以從粗車和精車兩個角度落實。首先，粗車車削加工對于外圓粗加工來說，能夠實現較高的效益和價值。粗車的應用價值體現在，能夠確保毛坯上多余的金屬被充分地清除掉，從而生產率得到相應的提升。粗車基于提升生產力的目的，會有效運用背吃刀量以及進給量。而為了減少對刀具的傷害，促使刀具得到持續性利用，應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、后角以及負值的刃傾角比較小的情況下，車刀切削部分的強度得到相應的提升。而精車加工的目的更多體現在保障零件的精度以及維護表面的質量。精車外圓表面所使用的背吃刀量與進給量相對較小，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量得到相應的提升。對于精度比較高的外圓來說，精車能夠很好地應用在其最終加工中以及預加工中。
2.4 車床保養
針對車床落實的保養工作，可以體現在兩個方面：裝夾校正以及管理工具和車刀。首先，在進行裝夾校正工件時，應該注意以下事項。工件中會攜帶泥沙等雜質，需要對其進行全面清理，從而避免雜質被帶進拖板滑動面，使導軌出現損壞。同時針對一些比較大、結構復雜、裝夾比較小的工件，落實裝夾和校正工作時，應該提前將相應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頂針，確保工件被完全頂住，避免其掉落導致車床被砸毀 [8-10]。當出現工件位置不良的問題時，應該有效利用夾爪、壓板以及頂針，將其暫時松開再進行相應的調整。避免對其強力敲擊，強行扳正，導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，車刀和工具不應該被放置在床面上，因為容易導致導軌被損壞。在有需求的情況，應該用床蓋板將床面和工具隔離開，避免二者直接接觸。
3、數控立式車床
所謂數控立式車床，指的是 CNC 立式車床，其適用于一些中型、小型、蓋類零件等，優勢為自身結構的穩定性和抗震性很高，裝夾工件簡便，安放設備需要的面積小。其所具有的油水分離結構，能夠有效維護冷卻水的清潔環保性，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構時具有良好的表現，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對于機床有效運用以及穩定性具有良好的體現，主軸所使用的潤滑脂，能夠確保機器達到全封閉、免維護的狀態。而床鞍、立柱導軌在超重負荷直線滾動導軌的基礎之上，實現較高的動態響應能力，精度得到相應提升。結合良好的立式電動刀架，使得車床具有剛性良好、換刀快速等優勢。
4、雙刀車削在數控立式車床上的應用
在加工過程中，所采用的數控立式車床為 6.3 m立式車床，其結構為雙刀架，右刀架和左刀架分別為數控刀架、程控刀架。在充分了解工件材質、機械性能、產品結構以及車床使用實際的基礎之上，通過有效利用雙刀車削，促使車床得到更為高效的利用，生產效率和質量得到充分保障。在選擇刀片時，應該從刀片的材質、表面涂層、角度結構等方面進行考慮，確保刀片為雙刀車削的良好使用奠定基礎。在實際使用過程中，相應調整切削過程的ap值和fn值。調整不當會使刀片的使用壽命極大地縮短，進而造成機床橫梁的振動，設備的良好使用也會受到一定的影響。因此，通過對 6.3 m 立式車床進行深入分析，在有效應用雙刀車削過程中，對于端面加工切削參數進行科學調整，確保車床得以良好運轉。
在實際進行端面加工過程中，將兩把車刀科學地安設在立車滑枕端刀臺兩端處，結合相應的切削參數，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。將左側刀尖對準明確的坐標點，工作臺隨之旋轉相應的角度。在切削初始階段，左側刀會吃刀車削，而右側刀則不動。作出一定調整之后，右側車刀也需要開展相應的車削，這時，左側刀和右側刀同時基于工件端面厚度以及兩刀尖之間的距離進行車削，當左側車刀刀尖超出了端面，明確其中完成加工的區域以及未加工區域，進行雙刀抬刀和退刀，再次進刀，開始下一刀車削加工。除此之外，基于雙刀車削實際，將其良好運用在數控立式車床中，結合端面加工過程，在現有程序背吃刀量、進給量基礎上，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。針對特種材質或者加工難度系數比較高的材質車削，切削參數達到一定程度之后難以再提升參數，從而生產效率也難以進一步提高。而通過科學使用雙刀車削技術，相對于單刀加工手段，生產效率得到極大提升，生產工作得以充分保障。
5、結語
綜上所述，通過對數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。結合當前數控立式車床實際，在加工過程中，雙刀車削的應用對提升工件車削效率具有直接影響。因此，應立足于數控立式車床實際，深入分析雙刀車削落實情況，有效運用雙刀車削，避免傳統單刀加工方式存在的問題，從而保障生產工作的高效進行，使生產效率和生產質量要求得到充分滿足。在特種材質或是難加工材質車削方面，切削參數調整到一定數值后很難再通過提高參數來提高生產效率。而選用雙刀車削工藝方式，相較于單刀加工方式，將進一步地提高生產效率，在實際生產過程中有重大意義。
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