数控车床加工表面质量分析

蒋毅

【摘    要】影响数控车床的加工精度因素较多，包括机床本身结构刚性、加工工艺、材料及刀具的选用，只有合理选择所有的因素才能有效提高工件表面的质量。

【关键词】毛坯材料  刀具材料  加工工艺参数

中图分类号：G4      文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.13.008

数控车床加工作为机械类加工中的重要组成部分，被广泛应用于回转类零件的加工生产，如何提高数控加工的质量也是体现加工者技术水平的重要依据之一。加工质量主要包括及表面粗糙度、尺寸精度、位置精度、形状精度等，而影响数控车床的加工精度因素较多，包括机床本身结构刚性、加工工艺、毛坯材料及刀具的选用等。

首先，毛坯材料。在机械加工中碳钢（如45钢）、304不锈钢、铜棒、铝棒（6061铝）等都是常见的毛坯材料，根据材质以及刀具的不同，数控车床加工所能达到的粗糙度主要在Ra0.2～3.2之间。理论上由于45钢硬度主要集中在55～62HRC，硬度相对较硬，在忽略工艺参数等其他影响的情况下，数控车床所能达到的最佳粗糙度精车主要在Ra0.8～1.6之间，端面表面粗糙度可达Ra0.4～3.2之间。车工常见的其他毛坯材料中，304不锈钢硬度不高于92HRB，紫铜的布氏硬度为35～45HB，6061铝的布氏硬度为35～45HB，这几类常见毛坯硬度均低于45钢的硬度，在加工时可采用比加工碳钢更高的主轴转速，且其加工表面也比碳钢更加光洁，故其车工加工表面质量理论上也高于45钢，表面粗糙度可以达到Ra0.2左右。

其次，刀具材料。在数控车工的加工中，常见的刀具材料主要有高速钢、硬质合金及其他超硬材料。

1.高速钢刀具。高速钢又称锋钢，具有较好的韧性、强度及良好的工艺性，可根据加工需要刃磨成多种成型刀面，能承受较大的冲击力，且价格低廉，但硬度为62～68HRC，相对硬质合金较低，虽方便多次刃磨使用，但不适合用于精车削硬度较高的毛坯，且加工所得表面质量不高，主要集中在Ra3.2～6.3之间，常用于粗加工、半精加工、低转速加工或硬度较低工件的加工。

2.硬质合金车刀。主要分为焊接车刀、机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都较高，硬质合金的常温硬度一般为89～93HRA，相当于78～82HRC，允许的切削温度高达800℃～1000℃，即使在540℃时其硬度仍保持在77～85HRA，相当于高速钢的常温硬度，合适用于高转速加工，有利于获得较好的表面质量。机夹车刀和可转位车刀的刀片可直接使用刀片产品，其刀具角度更加合理，有利于提高表面质量，其加工表面粗糙度可达Ra0.2～3.2，常用于半精加工和精加工，但硬质合金韧性不如高速钢，脆性较大，抗弯性较低，容易出现裂纹。另外机夹车刀、可转位车刀通常不适合反复刃磨使用，使用成本较高。

3.其他超硬材料刀具。随着科技的发展，加工工件的材料也越来越丰富，难度也越来越高，新出现了毛坯硬度更高、耐热性更高或加工过程中有其他特殊要求的工件，传统普通刀具很难保证其加工质量，甚至难以加工。这就要求加工者采用硬度更高、耐热性更高、耐磨性更好的其他超硬材料，如陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼等超硬材料。比如复杂精密的碳纤维结构件是一種比普通钢硬度高10倍的超硬材料，仅次于金刚石的硬度，纤维铺层多变整体的强度和硬度很高，进行加工会产生非常高的温度，不但加工的部件容易软化烧焦，对于加工刀具的损耗也很严重，且在加工时为了避免油污等对部件产生影响，往往会有不加冷却液的干切削要求。由于此类碳纤维制品往往有着极高的精度要求，所以在加工此类制品需要选择红耐磨、耐热不粘黏的加工刀具。

最后，加工工艺参数。在使用数控车床加工工件时，加工者先根据零件图纸、加工要求、毛坯材料制定工艺流程，其中加工的主轴转速、进给速度、背吃刀量也直接影响工件的最终表面粗糙度。当然这些参数不能一概而论，还需结合具体情况具体分析。

1.主轴转速。在一般情况下主轴转速越高越有利于提高工件的表面质量，如在用硬质合金刀具加工Ф50的表面时，在其他参数和工量具都一致的情况下，采用S1600转速和采用S800转速加工，前者的表面质量肯定高于后者。但转速并非越高越好，还需考虑机床的承受极限、转速对机床刚性的影响、刀具的硬度等参数影响。通常可参考所使用刀具说明书或包装中注明的推荐进给速度参数，结合公式n=1000V/∏D计算所得。

2.进给速度。可以理解为刀具刀尖轨迹在毛坯表面的分布密度，进给速度越小，该密度越大，工件表面质量越高，但加工效率越低;反之，该密度越小，表面质量越低，加工效率越高，但如果进给速度过大，超过刀具的承受极限，就会加快刀具的磨损，甚至导致刀具崩裂。通常可参考所使用刀具说明书或包装中注明的推荐进给速度参数。

3.背吃刀量。粗加工中背吃刀量在刀具的承受范围内越大越好，可有效提高加工效率，虽然较大的背吃刀量会降低中途工件的表面质量，但由于其后还有精加工对表面质量的把控，故不影响最终表面质量。在精加工中背吃刀量不能过大，也不能太小，如果过大，会直接影响最终表面质量;如果加工背吃刀量过小，也不能获得较好的表面质量，因为精加工时还必须考虑刀具和工件的韧性影响。假如精车时采用刀具的刀尖圆弧半径为0.3mm，设置半径值0.4mm的背吃刀量，在加工韧性较高的工件时，由于刀尖和工件表面都具有一定的韧性，仅有0.4mm的背吃刀量会导致刀具与工件之间本来应该是切削运动关系转化成为“切削+摩擦”的运功方式，表面摩擦降低了最后的表面质量。所以粗车背吃刀量半径值通常在1～3mm之间，精车背吃刀量半径值通常在0.5～1.5mm之间。

总之，数控车床加工所得工件表面质量受毛坯材料、刀具、加工工艺、机床构造等诸多因素共同的影响结果，只有合理选择所有的因素，才能有效提高工件表面质量。而合理选择这些因素也只有操作者通过不断学习材料、工艺等相关知识，在实际加工中不断累积加工经验，才能更好地掌控加工工件的表面质量。

参考文献

[1]杨高峰.碳纤维/聚酰亚胺复合材料的合成及其性能研究[J].橡塑技术与装备，2017（02）.

[2]王长青，顾天军.高职学生中级车工技能实训教学方法探究[J].科技经济导刊，2016（35）.

[3]齐长隆.数控车工操作的能力结构[J].科技视界，2014，000（014）.

[4]杨永利.分析数控车工技术的应用实践探析[J].科学技术创新，2015（33）.