提高金屬切削加工精度的工藝與方法研究

趙傳生

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

近年，國內航空航天、機械制造、機床加工等諸多領域對制造行業表現出較高依賴性。為減輕自體重量，提升結構強度，很多中大型復雜結構的零件，尤其是裝備上安設的主要活動構件，多數情況采用整體化結構的設計方法。針對這種構件，需要確保加工制造的質量，其中產品要高質量、高精度，利用聯合使用切削加工技術并拓展工藝技術研究的深度性。若切削加工技術方案不合理，則生產出的零部件會存在質量缺陷，限制了我國制造行業的發展。這就要求采用切削加工制造金屬產品時，不斷完善工藝技術與方法，重視創新，善于總結經驗。

1 影響金屬零件加工精度的主要因素

（1）容易受力變形。部分金屬工件壁面較薄，在加工階段夾緊力作用下形體容易改變，進而降低工件的尺寸與形狀精確度。

（2）容易受熱變形。若工件偏薄，很可能在切削熱作用下誘導工件熱變形過程，在這種工況下，操作人員難以準確調控工件的規格尺寸。

（3）容易振動變形。在切削力（尤其是徑向切削力）作用下，容易形成振動與變形，很可能造成工件規格精確度、外部形狀、方位準確度以及表層粗糙程度和設計要求之間出現偏差[1]。

2 提升金屬切削加工精度的工藝

金屬切削加工實踐中，在力的相互作用下，刀具與待加工工件之間會遵照一定規律形成組織改變。在規劃設計機床與刀具、加工零部件的切削工藝以及其定額使用階段，要求相關人員遵照以上變動規律完成金屬構件的切削任務。為明顯提升金屬切削加工的精準度，生產實踐中有必要選擇適宜工藝。高速切削速度為傳統切削法的6～15 倍，應用該技術可以體現出切削的整體效能。據資料記載，傳統切削工法的切削速度、各齒輪進給量、進給速度、部件表面粗糙度依次為60 mm/min、0.35 mm、600 mm/min 和12.5 R/μm；高速切削法以上4 項指標對應值分別為700 mm/min、0.15 mm、3500 mm/min 和5.2 R/μm。

高速切削法用于生產實踐中，不僅可以提升工作效率，還能降低零件加工中造成的變形問題。和傳統的切削工法進行對比，切削的力度有所增加，同時告訴切削的深度和寬度更高，幅度最高時達到30.0%，因此有效保證了金屬零部件加工制造的精確度。減少或規避熱變形情況[2]。這主要因為在傳統切削加工制造工況下，被加工的金屬零部件會釋放出很多分布不勻稱的應力，并且熱處理工藝參數也得以改進完善。上述原因會造成金屬部件在加工工程中因為有剩余的預應力外泄出現的變形問題，進而造成金屬零部件整體精度降低，勢必會對產品品質造成不良影響。零部件出現一定程度的變形或破損，會影響金屬部件的整體裝配性，同時也會嚴重影響產品質量。在高速切削工況下，約有90%切削熱伴隨切屑被帶走，金屬構件局部表層溫度沒有顯著上升，在這種工況下熱變形程度偏小，有助于提升產品加工制造的精確度。

3 提高金屬切削加工精度的方法

3.1 正確選用刀具

對金屬進行切削處理的目的，主要是為獲得一個外部形狀、規格大小、精確度等多項指標均符合國標要求的零部件。因此，刀具在金屬切削加工工藝中占有較高地位。

從某種程度分析，金屬切削階段選用的刀具性能優劣對零部件加工質效起到決定性作用。若刀具選用不當，很可能造成金屬零部件精度和規定的標準要求之間存在較大出入，或導致金屬表層過度粗糙、凹凸不平等。如果上述原因得不到重視，則會降低機器加工制造水平。因此，在金屬切削實踐中，一定要依照切削部件屬性選擇最適宜的刀具。可以從兩方面著手。

（1）選用刀具時，一方面在考慮企業生產效益的基礎上，盡量選擇耐高溫、耐摩擦性能好的刀具，能適度延長刀具使用年限，同時也降低了壓縮金屬的生產成本，提升了刀具的質量。另一方面，應依照不同金屬材料屬性、加工方法的差異性選擇刀具，例如，打磨金屬零部件時，推薦選用做工較精細、硬度較高、磨粒規格適宜的刀具；要想順利的完成鋸切，通常會選擇該類型的刀具，可以避免其他刀具因為質量問題造成的延誤工期等問題[3]。

（2）科學設定刀具的幾何角度。例如，加工制造薄壁金屬構件時，刀具的幾何角度會因為切削環節出現的熱變形量，切屑力度，切屑軸向等問題帶來一定的影響。首先，刀具前角大小對刀具鋒利程度起著決定性作用。前角角度越大，刀具越鋒利；切削力小，刀具與零部件形成的摩擦力降低，熱變形量隨之下降。如果前角值超過了一定的范圍，會導致刀具鍥角降低，削弱刀具的強度值，刀具耐用性能也相應降低。例如，對40Cr 金屬工件進行切削處理，若選用硬質合金刀具，粗車時前角取值為5°～8°，有助于增強刀具剛性；精車時前角取8°～12°，目的是減少刀具與金屬工件間的摩擦力，優化被加工面表層質量。其次，分析刀具后角，其和刀具背面與工件表層摩擦程度存在一定相關性。伴隨后角增大過程，摩擦力有降低趨勢，切削刀熱也會由此下降。但后角偏大時，會削弱刀具強度。若切削對象為薄壁零件時，粗車設定的后角偏小，精車后角可以適度提高。再次，切削力軸向或徑向主要是因為刀具的主偏角大小所決定的。伴隨主偏角增加過程，徑向切削力隨之降低，軸向切削力不減反增。在切削薄壁零件時，推薦盡量選用主偏角偏大的刀具[4]。最后，刀具副偏角大小影響被加工金屬構件表層粗糙程度，和刀具的強低有直接的聯系。副偏角偏小，會增加副后面和已加工金屬構件表層間的摩擦力，切削會出現振動現象。進行處理薄壁零件切削過程中，通常建議取副偏角8°～15°。粗車階段可以適度提升副偏角數值，其目的是強化刀具的耐用性，確保已加工表面粗糙度符合設計要求。

3.2 科學裝夾工件

對于薄壁金屬零部件，壁薄是其典型特征，在切削力作用下徑向形體容易發生變化。科學裝夾操作有助于提升產品加工的精確度。因此，在具體生產實踐中，不推薦簡單的采用三爪卡盤直接裝夾薄壁零件，這主要是因為夾緊力匯聚于三位點時，增加了工件變形的風險。

若能夠增設薄壁零件的裝夾接觸面，使裝緊力盡量均勻分布，則可以較為明顯改善金屬構件的受力狀態，降低初有形體改變的概率。結合物理學壓強公式，當壓力F 一定時，伴隨物體受力面積S 的擴增過程，壓強P 有不斷降低趨勢，這也從理論層面證實了上述觀點。為拓展薄壁零件的夾持面積，推薦使用開縫夾套、扇形爪等輔助器具，實踐表明這些均是成本低廉、效果較好的工藝方法。

在科學技術日新月異的大背景下，金屬切削加工也逐漸踐行現代化運作路線。數控機床應用范疇有不斷拓展趨勢，要求夾具定位精確、安裝快捷，且能智能化夾緊。依賴彈性心軸在薄壁套上制造孔定位，夾具體完成端側面定位任務，拉桿和數控車床主軸的回轉油缸銜接，回轉油缸對拉桿運作過程起到驅動作用，達成智能化夾緊目的[5]。

3.3 合理使用切削液

這是降低切削熱對產品加工精度影響程度的有效方法。這主要是因為切削金屬零部件階段，工件對切削過程會形成一定阻力，引起彈性與塑形變形。切削區段會形成大量的切削熱，切屑、刀具、工件間摩擦過程也會釋放大量熱，會給刀具造成不同程度的損傷，使得被加工工件表層粗糙度不符合設計要求，誘導工件受熱變形過程。在切削薄壁零件時，要提升切削液利用率，確保切削以及切屑的有效性。

4 案例應用與分析

以某型號設備的工作臺為例，加以說明[6]。

（1）設計要求。其中工作臺安裝面的平整度要求＜0.15 mm，材料力學、堅硬度等指標均符合國標要求。

（2）仿真目標?；诜抡婕夹g，分析切削、熱處理等工藝參數，剖析機械加工工藝全過程對工件、刀具形成的影響及作用機制。

（3）要按照國標的具體要求，參考目前工藝標準和具體參數。要求即時處理，溫度180 ℃，保溫時長8 h，總時間≥20 h。當溫度為180 ℃、160 ℃、190 ℃時，工作臺變形范圍依次為-1.1～0.636 mm、-0.986～0.665 mm、-1.1～0.634 mm，殘余應力分別為0.0344～377 MPa、0.0282～355 MPa、0.0344～377 MPa。

（4）設置切削加工仿真參數?？赊D位刀具內徑25 mm，齒數2 個，轉數18 800 r/min，進給速度800 mm/min，切削量2 mm，刀具制造材料以Carbide-General 為主，工件材料選為AL6061。

（5）優化切削加工工藝。將轉速轉數18 800 r/min，進給速度800 mm/min，切削量2 mm 設定為設計變量，要優化切削的加工工藝[7]。

結合熱處理工藝仿真分析結果，本工作臺的變形量為0.634～-1.10 mm。通過維持現存的切削材料進給速度、提升主軸轉速，刀具的軸向以及進給方向的切削力度也有所降低。

基于熱處理與切削優化工藝參數對試件做加工處理，認為仿真優化切削工藝參數有助于提升金屬整體件加工精度。

5 結束語

分析金屬切削加工工藝，探究幾種可執行度較高的工藝與方法。立足于金屬加工切削現實需求，科學選用刀具，有針對性地調整刀具使用過程中的幾何角度，合理使用切削液等，加大仿真分析技術的應用，希望對提升金屬加工切削精度有所幫助。