高速切削加工工藝研究

范學(xué)輝

（黑化集團(tuán)化工裝備公司，黑龍江 齊齊哈爾 161041）

隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心和柔性制造系統(tǒng)在機(jī)械制造中的應(yīng)用,機(jī)械加工的輔助工時大為縮短,這使得切削工時占去了總工時的主要部分,因此,只有提高切削速度和進(jìn)給速度,才有可能在提高生產(chǎn)率方面出現(xiàn)一次新的飛躍和突破。這就使高速加工技術(shù)得以迅速發(fā)展。高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具,利用能可靠地實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化和高柔性的制造設(shè)備,以提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的先進(jìn)加工技術(shù)。高速切削不同工件材料時,所用的切削刀具、工藝方法以及切削參數(shù)均有很大不同,掌握高速切削工藝特點是高速切削應(yīng)用技術(shù)中的一個重要環(huán)節(jié)。

1 高速銑削鑄鐵

在高速銑削鑄鐵時,必須使用圓刃刀具,否則刀具很快就會因為高脆性而損壞。切削速度的選擇取決于刀具材料。對于硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具,高速切削中的最主要問題是刀具磨損。在高速銑削鑄鐵時,刀具后角的情況和鋼件差不多。對于象氮化硅刀具這樣的脆性刀具材料,影響刀具磨損的主要因素是刀片的形狀和幾何參數(shù)。金屬陶瓷刀具由于具有刀片強(qiáng)度高、密度低和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,它的耐用度要比硬質(zhì)合金好,但是當(dāng)切削速度超過1000 m/min時,不使用這種刀具對于硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具,刀具耐用度隨著進(jìn)給速度的增加而提高。而氮化硅刀具和CBN刀具只是適合于在比較低的進(jìn)給速度下進(jìn)行切削。徑向切深是影響刀具耐用度的關(guān)鍵因素之一,隨著切削區(qū)面積的增大,刀具壽命降低。而軸向切深的影響不大,當(dāng)切深在1.5 mm～15 mm范圍內(nèi)變動時,刀具的磨損量幾乎是一樣的。被加工零件材料也影響刀具的耐用度。被切材料的鐵含量,對于CBN刀具的耐用度影響很大,當(dāng)切削GG40鑄鐵材料時,CBN刀具的耐用度達(dá)到了最低值使用鍍層時,刀具壽命可提高10倍～20倍。使用CBN刀具時,切削速度可高達(dá)4000 m/min。實際上,只有CBN和氮化硅刀具才能在這么高的速度下進(jìn)行切削,特別是CBN刀具,可得到很長的刀具壽命。

2 高速切削輕金屬

鋁是飛機(jī)和各種航天器零部件的主要材料,也是機(jī)器和儀表零部件的常用金屬。它的相對密度很輕,經(jīng)過適當(dāng)處理的鋁合金材料,其強(qiáng)度可高達(dá)540 MPa。近年來鋁合金在汽車和其他動力機(jī)械中的應(yīng)用也逐漸增多。鋁鎂合金大多使用鑄件,這些輕合金的最大優(yōu)點在于其固有的易切特性。加工輕合金的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在:①切削力和切削功率小,大約比切削鋼件小70%;②切屑短、不卷曲,因而在高速加工中易于實現(xiàn)排屑自動化;③刀具磨損小,用涂層硬質(zhì)合金、多晶金剛石等刀具在很高的切速下切削輕合金材料,可以達(dá)到很高的刀具壽命;④加工表面質(zhì)量高,在近乎干切削的情況下,不用再經(jīng)過任何加工或手工研磨,零件即可得到很高的表面質(zhì)量;⑤可采用很高的切削速度和進(jìn)給速度進(jìn)行加工,切削速度可高達(dá)1000 m/min～7500 m/min,高速加工使95%以上的切削熱被切屑迅速帶走,工件可保持室溫狀態(tài),熱變形小,加工精度高。

由于在輕金屬的高速切削過程中存在較大的沖擊載荷,金剛石和立方氮化硼刀具的壽命特性并不好。高速鋼也不適合于加工輕金屬。當(dāng)切削速度達(dá)到1000 m/min時,可使用K型硬質(zhì)合金刀具;當(dāng)切削速度達(dá)到2000 m/min時,應(yīng)使用金屬陶瓷刀具;當(dāng)用更高切削速度加工時,特別是切削低熔點的硅鋁合金材料時,要使用金剛石鍍層硬質(zhì)合金刀具,甚至PCD刀具;在銑削鋁鎂合金時,可使用K10硬質(zhì)合金刀具。刀刃圓角半徑對切削溫度和微?；鸹ǖ挠绊懚己艽?PCD刀具或硬質(zhì)合金刀具的刀刃半徑必須精密刃磨到納米級的水平。

3 高速銑削鋼

高速銑削鋼的主要問題是刀具磨損，優(yōu)化切削參數(shù)的目的不僅僅為了提高金屬切除率,而且更注重于降低切削力,提高工件的表面質(zhì)量、尺寸精度和形狀精度以及減少刀具磨損。高速銑削鋼材時,刀具采用更鋒利的切削刃和較大的后角,這樣可以減少切削時刀具的磨損,提高刀具的使用壽命。當(dāng)進(jìn)給速度增加時,刀具后角要減小;進(jìn)給速度對刀具前角的影響相對比較小。在高速下,正前角并不比0o前角更多地降低切削力;負(fù)前角雖然能使刀片具有更高的切削穩(wěn)定性,但是增大了切削力和月牙洼磨損。在高速銑削時,軸向進(jìn)給量對刀具磨損的影響比較小,而徑向進(jìn)給量的影響則較大,刀具壽命隨切削面的增加而降低。在以徑向進(jìn)給進(jìn)行切削時,常常會因為高速產(chǎn)生的高溫超過刀具材料的紅硬性而造成刀具失效。當(dāng)徑向進(jìn)給比較慢時,刀具的非接觸區(qū)時間比接觸區(qū)時間長,短時間的發(fā)熱可以由比較長時間的冷卻來彌補(bǔ)。因此,從整體上看,徑向進(jìn)給速度應(yīng)稍慢一點,建議進(jìn)給量之值等于刀具直徑的5%～10%高速切削時刀具的磨損也受到加工材料強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響。工件材料的抗拉強(qiáng)度增大,則刀具壽命降低,所以要減小每齒的進(jìn)給量。在高速切削刀具材料方面,金屬陶瓷刀具的壽命比硬質(zhì)合金長,但也只適用于小切深和小進(jìn)給量的切削。

4 高速切削難加工材料

難加工材料包括特殊合金鋼、鈦合金、鎳合金等,這些材料由于強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊,大多用于航空制造和動力部門。但加工中這些材料容易硬化,切削溫度高,刀具磨損嚴(yán)重。在這些難加工材料的切削中,導(dǎo)致刀片失效的典型形式是刀具磨損,磨損的痕跡會產(chǎn)生在刀尖部位及刀具和工件之間的通道處,因而形成嚴(yán)重的刀口毛刺。刀刃的磨損改變了刀具的幾何參數(shù),增大了切削力,尤其在切削高強(qiáng)度合金時容易使刀片碎裂。刀片裂紋主要是由熱應(yīng)力造成的,特別是在切削特殊合金時,梳狀裂紋很明顯,然后裂紋繼續(xù)擦傷擴(kuò)大,形成磨痕。難加工材料的另一個特點是它們的粘附性,使切屑粘在刀刃上,隨著切削速度提高,粘附的切屑增多,燒熱的切屑堆積在刀具切入工件的切入點處,形成積屑。在切削鈦合金時,熱量增加產(chǎn)生與氧的放熱反應(yīng)。當(dāng)磨損帶寬度達(dá)到0.3mm以上時,引起切屑燃燒。在磨損嚴(yán)重加劇的情況下,強(qiáng)烈的發(fā)熱能超過材料的熔化溫度。雖然高速加工中工件的溫度沒有明顯上升,但是切屑的溫度大大升高了。刀具前角的變化范圍是在8度～28度之間,在此前角范圍內(nèi),加大前角可明顯地減小切削力,加工上述所有材料時的刀具壽命都能提高。當(dāng)前角為負(fù)時,刀具的切削穩(wěn)定性提高,但壽命降低,這是因為在刀刃處切削負(fù)荷增加。提高切削速度后,切削消耗的功率更大,切削溫度升高,加速了刀具磨損。但高切削速度也縮短了刀具和工件的接觸時間,傳遞到工件上的切削熱減少了,切削熱主要由飛快的切屑帶走。

5 結(jié)束語

在機(jī)械加工方面，提高生產(chǎn)率一直是機(jī)械制造領(lǐng)域十分關(guān)注并為之不懈奮斗的主要目標(biāo)。高速加工(HSM)不但成倍提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率,而且進(jìn)一步改善了零件的加工精度和表面質(zhì)量,還能解決常規(guī)加工中某些特殊材料難以解決的加工問題。因此,超高速加工這一先進(jìn)加工技術(shù)也已引起了世界各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，并得到廣泛的發(fā)展。

[1]張維紀(jì).金屬切削原理與刀具[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2005.

[2]趙云龍.先進(jìn)制造技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.