车刀和操作

作者：George Schneider Jr.    来源：美国American Machinist杂志

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 车削是一种用来加工圆柱面的金属切削方法——工件绕主轴旋转，刀具做径向或轴向进给运动，切削出想要的表面。从一般意义上讲：车削指的是用单刃刀具切削出任意的圆柱面。讲的更具体些：车削经常被用来切削与工件轴平行的外圆表面。对与工件轴垂直的表面进行的切削叫做端面车削。车削时，刀具主要沿机床主轴做轴向进给动作。端面车削时，刀具则主要做径向进给动作。锥形和仿形表面的车削则要求刀具既做轴向，又做径向进给动作，这种车削又称作仿形车削。 大多数车削加工的切削特征都很相似。如果只能用一把刀具在一个既定的表面上进行车削。这把刀必须在一定程度上探出夹具一部分，才能让夹具与旋转的工件保持一定距离。车削开始后，刀具开始切削工件，直到整个加工过程结束。在这个过程中，刀具将工件车削成一个圆柱体表面，其切割速度和切割尺寸都是恒定的。在端面车削的时候，切削速度与工件直径成比例变化。当刀具即将接近工件中心的时候，切削速度会降低。有的时候当刀具接近工件中心时，主轴会加速以提高工件的转动速度。 总之，车削是一种常见的金属切削方法。除了开始和结束这两个时间点，其他时候刀具所受的力以及刀尖的温度，基本上都是恒定的。端面车削有所不同，其切削速度是变化的，因而刀尖温度会有所波动。在切削大直径工件时，还可能会产生高温。但是由于切削速度只是影响切削力的一个小因素，因此作用在端面车削刀具上的力可以看做是恒定的。 相关的车削操作 除了车削和端面车削外，车床还能被用来干别的事情。 在车床上可以进行的工作，几乎都采用单刃刀具。下文列出了车床可以胜任的其他6种加工： 切角：用刀具切除圆柱体边上的一个角。 切断：刀具做径向进给，沿着工件的长，在一个特殊的地点切入旋转的工件将其切成两半。 车缧纹：用一个尖口刀具直线进给到旋转工件的内或外表面，切削出内或外螺纹。 搪孔：扩大一个预制孔的尺寸。将一个尖口刀具与旋转轴平行直线进给来扩大孔的尺寸。 钻孔：将钻头沿着工件轴切入工件内，开出一个孔。钻孔完成后，可以再铰孔或是搪孔来提高孔的精确度和表面光洁度。 滚花：用刀具来在工件表面滚压出规则的交叉图案。 刀夹的类型 ANSI车削刀夹编码系统用几个字母，通过导程角和端刃角数值来说明车削刀夹的特定几何形状。ANSI车削刀夹系统共列出了7种基本的刀具类型，它们能够完成几乎所有的车床加工，包括车削、端面车削、切槽、车螺纹、和切断等等。这7种主要的刀具类型的代表符号是A，B，C，D，E，F，G。 A型：直柄，带0°斜切削刃角，用于车削。 B型：直柄，带15°斜切削刃角，用于车削。 C型：直柄，带0°端刃角，用于切断和切槽。 D型：直柄，带45°斜切削角，用于车削 E型：直柄，带30°斜切削角，用于车螺纹。 F型：曲柄。带0°端刃角，用于端面车削。 G型：曲柄。带0°斜切削角。这是A型刀具的一种，只不过间隙更大，用于离车床卡盘较近的车削。 切削刀片的形状 可转位车削刀片分多种形状、尺寸和厚度；有的带直孔，有的带埋头孔，有的不带孔；有的车削刀片一边带断屑槽，有的两边都有断屑槽，有的则不带断屑槽。要根据刀片和断屑槽的几何形状来选择合适的车削刀夹，只有这样才能提高生产效率，延长刀具的使用寿命。 针对一种工件材料或是工件硬度，确定采用何种几何形状的刀片时，应充分考虑到刀片的强度。三角刀片是应用最广泛也是最常见的刀片形状。上文提到的7种基本车削刀夹都能用三角刀片。菱形刀片主要用作仿形车削，而方形刀片则通常用作导角刀具。根据刀片的形状，我们可以判定刀片的强度：刀片边上的夹角越大，刀片的强度越大。 工作条件 工作条件决定了三个重要的金属切削变量：金属切削率、刀具寿命和表面光洁度。我们必须创造正确的工作条件，平衡好这三个变量的关系，从而以尽量低的单位加工成本，获得最大的生产效率和最好的表面光洁度。 任何加工生产的成功都依赖于工件和刀具的结构，尤其是当工件不刚或不硬，刀具或机床部件必须接触加工区域的时候，结构会变得尤其重要。 工件，刀具，以及机床的变形是不可避免的。这些变形通常都非常微小，不会给操作带来什么影响，也经常被人们所忽略。只有当变形导致产生咔嚓声，振动或是扭曲的时候，它才会成为一个问题。因此，我们有必要花时间和精力来确保刀具和工件结构尽可能的稳固，这一点在进行重型或是断续切削的时候尤其重要。 在加工异型工件，尤其是那些重量分布不均匀和偏心的工件的时候，要考虑到平衡性问题。不平衡可能会带来安全隐患，导致切削不精确，产生喀嚓声，甚至会损坏机床。在低速状态下，不平衡问题可能不是很突出，但随着速度的提高，这个问题会变得越来越严重。不平衡的情况大部分发生在使用转盘和车床面板的时候。 随着材料被刀具从工件上切削下去，平衡关系会发生相应改变。如果一系列的粗切导致工件变得不平衡，那么等到提高速度进行精切削的时候，不平衡问题就会变得更复杂。因此，在车削还没到精加工表面处理这个阶段的时候，就没法知晓究竟是什么原因导致了车削精度和表面光滑度问题。 工件固定方法 在车削加工中，有三种最常见的工件固定方法： ◆用夹头固定 ◆中心间固定 ◆用筒夹固定 夹头：最常见的工件固定方法。夹头安装在主轴的尾部，有3到4个钳口。3钳口的夹头用于固定圆柱体工件，让它与操作台共用同一个中心。 4钳口夹头的每个钳口都可以通过旋转径向安装的螺纹钉来进行调节。虽然工件的精确安装比较耗时，但在车削非圆柱体工件的时候通常要用到4钳口夹头。 中心间固定：当需要进行精确车削加工，或操作台并不是真正的圆柱体的时候，可以在中心间车削工件。首先，在工件的两端各钻一个锥形中心孔，给车床中心提供插入位置。用一个夹子先固定住工件，让夹子尖插入主轴上传送板上的槽，确保工件会与主轴一起旋转后，再将工件固定在车床的两个中心上（1个位于主轴箱，1个位于尾座），由它们提供支撑。 车床中心给主轴箱和尾座之间的工件提供支撑。主轴箱主轴内的中心又叫活中心，绕主轴箱主轴旋转。尾座主轴上的叫死中心，这个中心通常并不旋转，而且必须加固和润滑，以防止磨损。 主轴中心插入的那个孔通常是莫氏标准锥度。要确保这个孔没有灰尘，孔的锥度上没有切屑或是毛口。如果活中心的锥度上有灰尘颗粒或是毛口，它就不会正常地旋转。也就是说：这两个中心在车床加工中扮演着举足轻重的作用。这两个中心给工件提供支撑，它们必须与彼此对齐。工件必须打好两个完美的埋头孔来容纳这两个中心。 筒夹：在平圆钢块或粗加工工件的车削中，通常会用到筒夹。这类工件的加工精度要求更高，常规的3钳口或4钳口夹头无法做到这样的精度。筒夹其实就是相对较薄的管状钢套，它的长边的2/3被分成了3个纵向的部分。裂口尾端的外表面是一个锥度，可插入到主轴孔内一个套筒的内锥度。当筒夹被拉向主轴内的时候，拉杆就会与筒夹内端的螺纹相扣，两个交合的锥度此时就会将分开的筒夹部分挤压到一起，让它们固定住工件。 刀具夹具 最简单的刀具夹具或是刀座适合用于固定单刃刀具。一般来说，刀具的下方是一个曲块，曲块下方则是一个凹球面。这种支撑方法能轻易调整刀具的位置，让刀具在进行车削时出在正确的高度。在下面的图中，刀座安装在一个复式刀架上。剩余的是一个安装在车床横滑板上的小导轨，在水平线上的任何的角度位都可以被夹住。 另外一种常见的刀架叫四方转刀架，它也安装在复合刀架上。正如其名，这种四通式刀架能容纳最多四个刀具。只需要抬起控制杆，解开刀架的锁扣，就能快速地将刀具装入刀架，随后让刀架旋转，再合上控制杆即可。 所有的标准刀具夹具都是为了能让切削点在机床和工件的中心线上进行切削而设计的。如果切削点不在中心线上，刀具夹具和工件之间的间隙角就会缩小。如果夹具和工件之间缺乏一定的间隙，刀具的寿命就会大大缩短，切削出来的工件表面质量也会很低。 另一方面，如果刀刃在中心线下方，前角的负面影响会变得更大。在这种情况下，会产生很高的切削力，切屑将会成为紧密的卷曲状。刀片在这时候很容易破裂，直径较小的工件甚至会越过刀具顶部，与机床脱离。 有的时候，让切削点离开中心线能解决一个问题。举个例子：当需要加工易碎零件，或者说要避免出现深切槽振动，甚至是当要用到一个正前角刀具的时候，都需要将切削点离开中心线。将刀具轻微地越过中心线（工件直径的2%-4%）会轻微地改变前角，这样做会降低切削力，防止振动发生。 断续切削，尤其是在加工大直径工件的时候，会出现一些特殊的问题。这时候，最好将切削点轻微地放低到中心线下方，让刀片处在一个更结实的切削位置。 切削条件 在确定了机床和刀具后，就需要考虑以下的几个主要切削条件。 切削速度：切削速度指的是刀具和工件之间的相对表面速度，以表面英尺/分钟为单位（SFM）。不论是工件还是刀具，在切削的时候都能运动。由于机床是做旋转运动的，其单位是转/每分钟，因此必须有方法将表面速度转化为转/分钟（RPM）。 所有的刀具材料在切削不同工件材料的时候，都有一个特定的SFM。很多参考资料上会给出刀具和工件材料的推荐SFM范围。 切削深度：切削深度指的是刀尖进入工件的深度。切削深度决定切削区域的线性尺寸。比如：将一个工件的外径缩短0.500英寸，则切削深度为0.250英寸。 进给速率：车削车床的进给速率是工件每一次旋转，刀具沿着工件的轴向前进速度，它的单位是英寸/转（IPR），也可用一分钟时间内前进的距离来表示，单位是英寸/分钟（IPM）。 进给速率、切削速度、和切削深度会直接影响生产率，刀具寿命和机床。因此，要根据每个切削应用来慎重确定采取何种切削速度、进给速度和切削深度——对工件是进行粗切还是精切，将直接影响切削条件的选择。 硬车削 随着工件硬度的逐步提高，其可机械加工性能相应降低，导致刀具的磨损，以及工件表面的光洁度和完整度成了一个大问题。目前市场上有其他的机械方法和非机械方法可以经济地将材料从硬质合金上切削下来。但是，采用合适的刀具材料，以及高刚度和高速轴机床来切削硬质合金仍然是存在的。 常见的例子就是采用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具对热处理钢机器和汽车部件进行精加工。这个过程能提供良好的尺寸精度，表面光洁度和表面完整性。不论是从技术还是从经济角度上来看，这种方法都要比研磨更具优势。根据一些数据统计，研磨的成本是硬车削成本的10倍以上。 先进的刀具材料，例如PCBN和陶瓷（详见第一章中的刀具材料）使得用车削法来加工硬质合金钢比研磨更加划算。很多机械工厂都让它们的外圆磨床退役，改用更加便宜和多功能的CNC车床。 与研磨相比，硬车削具备以下优势： ◆更快的金属切削速率，更短的周期时间。 ◆无需冷却剂（下文将讨论干加工和湿加工的优劣）。 ◆缩短准备时间。 现在，精密的CNC车床能车削出与研磨效果一样的精确度和表面光滑度。 与研磨相比，硬车削消耗更少能量，更不容易对工件造成热和其他损伤，不需要使用切削液，而且车床比磨床便宜。但是，对于大型的和微型工件，硬车削容易出问题，因为切削力比研磨力大。 此外，与研磨轮的自动调整相比，硬车削时的刀具磨损和刀具控制是另外一个大问题。所以说，硬车削与研磨之间的竞争是全方位的，应根据每个应用的产品表面完整度，质量和总体经济性来决定采用何种方法。 干加工VS湿加工 仅仅20年前，切削液的成本还只占到大多数切削加工成本的3%。切削液的价格是如此之低，以至于当时很多工厂根本没把它当回事。然而，时过境迁，如今的情形有了大变化。 今天，切削液的成本占到了大多数工厂生产成本的15%，切削液已经成为了工厂老板们最头痛的问题之一。 切削液，尤其是那些含石油的切削液如今就像过街老鼠一样人人喊打。美国环保署（EPA）限制这类混合物的排放，很多州和地方政府甚至将它们列入危险废料的范畴，如果它们含石油或是特定的合金，则将面临更加严格的管制。 很多高速切削加工和液体喷嘴会在空气中生成薄雾——政府部门限制切削液排入空气中的数量。美国环保署甚至提议实施更加严格的空气颗粒物排放标准，而美国职业安全与保健管理总署（OSHA）正在考虑是否要提高工厂环境内液体雾的浓度标准。 高维护成本，保持记录，又要遵循现有和未来更加严格的排放法规，所有这样迅速地抬升了切削液的价格。因此很多工厂正在考虑采用干切削法替代湿切削法，彻底摆脱切削油这个不断给他们添麻烦的产品。 究竟是用湿法还是干法，应具体问题具体分析。在低速、难加工材料、困难工件、表面处理要求高的切削应用中，需要用到润滑油。而在碰到高速、容易加工材料等切削应有时，则需要用到具有高冷却性能的切削液。 然而，很多时候切削液能给我们带来的好处低于它的成本。有很多种切削应用，而且这个数量在变得越来越多，无需用到任何切削液。现代刀具能在更高的温度下切削，有的工厂用压缩空气将灼热的切屑吹离切削区域。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/13/2010)