多轴数控加工工艺：工件、装备和切削液优化

多轴加工就是多坐标加工，常用于加工复杂曲面产品。本节介绍多轴加工零件、工装及切削液等。

1.多轴加工工件

采用多轴联动机床加工模具可以很快完成模具加工，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来的好处非常明显，但是如果用立式加工中心的话，其底面的线速度为零，这样底面的表面质量就很差，如果使用四轴、五轴联动机床加工技术加工模具，就可以克服上述不足。例如车灯模具（图2-1），汽车大灯模具的精加工用双转台五轴联动机床加工，由于大灯模具的特殊光学效果要求，用于反光的众多小曲面对加工的精度和表面质量都有非常高的指标要求，特别是表面质量，几乎要求达到镜面效果。

图2-1 车灯零件

典型复杂型面零件如图2-2所示，如采用三轴数控机床加工，由于其刀具相对于工件的姿态在加工过程中不能改变，加工某些复杂曲面时，就可能产生干涉和欠加工。而用五轴加工由于刀具的轴线可随时调整，避免刀具与工件的干涉，并能通过一次装夹完成全部加工，可用于发动机的叶片、船用螺旋桨和各种人工关节骨骼等的加工，此类零件占五轴加工类零件的5%，如图2-2和图2-3所示。

图2-2 典型复杂型面零件

a）叶片 b）叶轮

图2-3 人工关节骨骼

多轴定位加工是指两个旋转轴根据不同需要转动到一定的角度，然后锁紧进行加工，当完成某一加工区域后，再根据需要调整两个旋转轴的加工。此类零件占五轴加工类零件的95%。五轴定位加工零件如图2-4所示。

图2-4 五轴定位加工零件

2.工艺装备

数控机床夹具必须适应数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批量生产的特点。为此，对数控机床夹具提出了一系列新的要求：

● 标准化、系列化和通用化。

● 发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本。

● 高精度。

● 提高夹具的高效自动化水平。

（1）数控铣床夹具 数控铣床常用夹具是平口钳。先把平口钳固定在工作台上，找正钳口，再把工件装夹在平口钳上，这种方式装夹方便，应用广泛，适用于装夹形状规则的小型工件，如图2-5所示。

（2）组合夹具 组合夹具把专用夹具的设计、制造、使用、报废的单向过程变为组装、拆散、清洗入库、再组装的循环过程。可用几小时的组装周期代替几个月的设计制造周期，从而缩短了生产周期，节省了工时和材料，降低了生产成本，还可减少夹具库房面积，有利于管理。

组合夹具的元件精度高、耐磨，实现了完全互换，元件精度一般为IT6～IT7级。用组合夹具加工的工件，位置精度一般可达IT8～IT9级，若精心调整，可以达到IT7级。

由于组合夹具有很多优点，又特别适用于新产品试制和多品种、小批量生产，所以近年来发展迅速，应用较广。组合夹具的主要缺点是体积较大、刚度较差、一次投资多、成本高，这使组合夹具的推广应用受到一定限制。

图2-6所示为盘类件钻径向孔工序图，用来钻径向分度孔的组合夹具立体图及其分解图如图2-7所示。

图2-5 平口钳

1—底座 2—固定钳口 3—活动钳口 4—螺杆

图2-6 盘类件钻径向孔工序图

图2-7 钻盘类零件径向孔的组合夹具立体图及其分解图

1—基础件 2—支承件 3—定位件 4—导向件 5—夹紧件 6—紧固件 7—其他件 8—合件

（3）拼装夹具 拼装夹具是在成组工艺基础上，用标准化、系列化的夹具零部件拼装而成的夹具。它有组合夹具的优点，且比组合夹具有更好的精度和刚性、更小的体积和更高的效率，因而更适合柔性加工的要求，常用作数控机床夹具。(www.xing528.com)

图2-8所示为镗箱体孔的数控机床夹具，需在工件6上镗削A、B、C3个孔。工件在液压基础平台5及三个定位销孔3上定位；通过基础平台内两个液压缸8、活塞9、拉杆12、压板13将工件夹紧；夹具通过安装在基础平台底部的两个连接孔中的定位键10在机床T形槽中定位，并通过两个螺旋压板11固定在机床工作台上。可选基础平台上的定位孔2作为夹具的坐标原点，与数控机床工作台上的定位孔1的距离分别为X₀、Y₀。3个加工孔的坐标尺寸可用机床定位孔1作为零点进行计算编程，称为固定零点编程；也可选夹具上方便的某一定位孔作为零点进行计算编程，称为浮动零点编程。

图2-8 镗箱体孔的数控机床夹具

1、2—定位孔3—定位销孔4—数控机床工作台5—液压基础平台 6—工件7—通油孔8—液压缸9—活塞10—定位键11、13—压板12—拉杆

3.切削液

切削液的主要功能是起润滑和冷却作用，它对于减少刀具磨损、提高加工表面质量、降低切削区温度和提高生产效率都有非常重要的作用。

（1）切削液的作用

1）润滑作用。切削液能在刀具的前、后面与工件之间形成一层润滑薄膜，可减少或避免刀具与工件或切屑间的直接接触，减轻摩擦和黏结程度，因而可以减轻刀具的磨损，提高工件表面的加工质量。

切削速度对切削液的润滑效果影响最大，一般速度越快，切削液的润滑效果越差。切削液的润滑效果还与切削厚度、材料强度等切削条件有关。切削厚度越大，材料强度越高，润滑效果越差。

2）冷却作用。流出切削区的切削液带走大量的热量，从而降低工件与刀具的温度，提高刀具寿命，减少热变形，提高加工精度。不过切削液对刀具与切屑界面的影响不大，试验表明，切削液只能缩小刀具与切屑界面的高温区域，并不能降低最高温度，一般的浇注方法主要冷却切屑。切削液如喷注到刀具副后面处，对刀具和工件的冷却效果更好。

切削液的冷却性能取决于它的导热系数、比热容、汽化热、气化速度及流量、流速等。切削热的冷却作用主要靠热传导。因为水的导热系数为油的3～5倍，且比热也大一倍，所以水溶液的冷却性能比油好。

切削液自身温度对冷却效果影响很大。切削液温度太高，冷却作用小；切削液温度太低，切削液黏度大，冷却效果也不好。

3）清洗作用。在车、铣、磨削、钻等加工时，常浇注和喷射切削液来清洗机床上的切屑和杂物，并将切屑和杂物带走。

4）防锈作用。一些切削液中加入了防锈添加剂，它能与金属表面起化学反应，生成一层保护膜，从而起到防锈的作用。

（2）切削液添加剂及切削液分类

1）切削液添加剂。

①油性添加剂：单纯矿物油与金属的吸附力差，润滑效果不好，如在矿物油中添加油性添加剂，将改善润滑作用。动植物油、皂类、胺类等与金属吸附力强，形成的物理吸附油膜较牢固，是理想的油性添加剂。不过物理吸附油膜在温度较高时将失去吸附能力，因此一般油性添加剂切削液在200℃以下使用。

②极压添加剂：这种添加剂主要利用添加剂中的化合物，在高温下与加工金属快速反应形成化学吸附膜，从而起固体润滑剂作用。目前常用的添加剂中一般含氯、硫和磷等化合物。由于化学吸附膜与金属结合牢固，一般在400～800℃高温时仍起作用。硫与氯的极压切削油分别对有色金属和钢铁有腐蚀作用，应注意合理使用。

③表面活性剂：表面活性剂是一种有机化合物，它使矿物油微小颗粒稳定分散在水中，形成稳定的水包油乳化液。表面活性剂除起乳化作用外，还能吸附在金属表面，形成润滑膜，起润滑作用。

乳化液中除加入适量的乳化稳定剂（如乙二醇、正丁醇）外，还添加防锈添加剂（如亚硝酸钠等）、抗泡沫剂（二甲硅油等）和防霉添加剂（苯酚等）。

2）切削液的种类。切削液可分为水溶性和非水溶性两大类。

①切削油：切削油分为两类，一类是以矿物油为基体加入油性添加剂的混合油，一般用于低速切削有色金属及磨削中；另一类是极压切削油，是在矿物油中添加极压添加剂制成，适用于重切削和难加工材料的切削。

②乳化液：乳化液是用乳化油加70%～98%的水稀释而成的乳白色或半透明状液体，它由切削油加乳化剂制成。乳化液具有良好的冷却和润滑性能。乳化液的稀释程度根据用途定。浓度高润滑效果好，但冷却效果差；反之，浓度低冷却效果好，润滑效果差。

③水溶液：水溶液的主要成分是水，具有良好的防锈性能和一定的润滑性能，常加入一定的添加剂（如亚硝酸钠、硅酸钠等）。常用的水溶液有电介质水溶液和表面活性水溶液。电介质水溶液是在水中加入电介质作为防锈剂；表面活性水溶液是加入皂类等表面活性物质，增强水溶液的润滑作用。

（3）切削液的选用原则切削液的效果除由本身的性能决定外，还与工件材料、刀具材料、加工方法等因素有关，应该综合考虑，合理选择，以达到良好的效果。表2-1为常用切削液选用表。以下是一般的选用原则：

①粗加工：粗加工时，切削用量大，产生的切削热量多，容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却作用为主的切削液，如离子型切削液或3%～5%乳化液。切削速度较低时，刀具以机械磨损为主，宜选用润滑作用为主的切削液；速度较高时，刀具主要是热磨损，应选用冷却作用为主的切削液。

硬质合金刀具耐热性好，热裂敏感，可以不用切削液。如采用切削液，必须连续、充分浇注，以免冷热不均产生热裂纹而损伤刀具。

②精加工：精加工时，切削液的主要作用是提高工件表面加工质量和加工精度。

加工一般钢件，在较低的速度（6.0～30m/min）情况下，宜选用极压切削油或10%～12%极压乳化液，以减小刀具与工件之间的摩擦和黏结，抑制积屑瘤。

精加工铜及其合金、铝及合金或铸铁时，宜选用粒子型切削液或10%～12%乳化液，以及10%～12%极压乳化液，以减小加工表面粗糙度值。注意加工铜材料时，不宜采用含硫切削液，因为硫对铜有腐蚀作用。另外，加工铝时，也不适于采用含硫与氯的切削液，因为这两种元素宜与铝形成强度高于铝的化合物，反而增大刀具与切屑间的摩擦。也不宜采用水溶液，因高温时水会使铝产生针孔。

③难加工材料的切削：难加工材料硬质点多，热导率低，切削液不易散出，刀具磨损较快。此类加工一般处于高温高压的边界润滑摩擦状态，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。当用硬质合金刀具高速切削时，可选用冷却作用为主的低浓度乳化液。

表2-1 常用切削液选用表