高速切削加工在機(jī)械加工中的應(yīng)用

袁玉福

摘 要：機(jī)械加工是當(dāng)前生產(chǎn)加工行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容，而高速切削是當(dāng)前機(jī)械加工手段中最先進(jìn)的方式之一。從其工藝角度分析，在加工的過(guò)程中可以從材料加工特性入手進(jìn)行合理加工，因而無(wú)論在對(duì)輕金屬、鋼鐵以及難以鑄造加工的材料進(jìn)行加工的過(guò)程中都具有專(zhuān)門(mén)的加工方案予以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：加工；高速切削；輕金屬；鑄鐵；難加工材；料鋼

數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用以及柔性加工系統(tǒng)的應(yīng)用，是的當(dāng)前的機(jī)械制造業(yè)飛速發(fā)展，而加工中心的應(yīng)用更是大大縮短了機(jī)械加工過(guò)程中所產(chǎn)生的輔助工時(shí)，因而在所有的加工過(guò)程中切削占據(jù)了大部分工時(shí)，所以，有效提高進(jìn)給速度以及切削速度可以有效提高生產(chǎn)效率。這也是高速加工的發(fā)展基礎(chǔ)，而所謂的高速加工技術(shù)即采用超硬磨具以及刀具，通過(guò)高速、高精度、高自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)材料的高效切削，從而完成一些高精度工件加工的先進(jìn)技術(shù)。但是在高速切削中，針對(duì)不同的工件材料進(jìn)行加工時(shí)需要使用不同的工藝方法以及刀具材料，并且對(duì)于切削參數(shù)的設(shè)置也有所差異，因此在高速切削應(yīng)用中，對(duì)切削工藝進(jìn)行把握也是重要的環(huán)節(jié)之一。

1 高速切削輕金屬

輕金屬是各類(lèi)精密儀器的重要材料，例如，鋁是各類(lèi)航天器材的主要部件、零件的制造材料也是各類(lèi)儀表儀器的常用金屬。由于鋁的密度較低、質(zhì)量輕，但是經(jīng)過(guò)處理的合金材料強(qiáng)度卻非常高。當(dāng)前的生產(chǎn)生活中，鋁的使用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。輕金屬在應(yīng)用中最大的優(yōu)勢(shì)便是加工容易，其加工特性主要有以下幾方面：首先，輕金屬加工所使用的切削功率以及企鵝學(xué)歷相對(duì)較小，相比較鋼件的切削加工少70%；其次，加工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生卷曲切屑也相對(duì)較短，因而進(jìn)行高速加工時(shí)便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排屑；再者由于輕金屬的質(zhì)地柔軟，因而對(duì)刀具的磨損相對(duì)較小，采用多晶金剛石以及硬質(zhì)合金刀具在高速狀態(tài)下進(jìn)行切削，則能夠有效延長(zhǎng)刀具使用壽命；若工件加工所需要的表面質(zhì)量較高，那么即便是不經(jīng)過(guò)任何加工以及研磨，也能夠立刻獲得很高的表面質(zhì)量；最后，輕金屬的加工可以采用很高的速度進(jìn)行切削，并且加工時(shí)只需要保持室溫狀態(tài)，也可以獲得較高的精度。

但是在輕金屬的切削加工中，由于沖擊荷載較大，因而切削時(shí)，氮化硼刀具以及金剛石刀具的使用壽命較短。另外進(jìn)行輕金屬的加工也不適用高速鋼。當(dāng)切削速度達(dá)到1000m/min時(shí)，可使用K型硬質(zhì)合金刀具；當(dāng)切削速度達(dá)到2000m/min時(shí)，應(yīng)使用金屬陶瓷刀具；當(dāng)用更高切削速度加工時(shí)，特別是切削低熔點(diǎn)的硅鋁合金材料時(shí)，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(shí)，可使用K10硬質(zhì)合金刀具。刀刃圓角半徑對(duì)切削溫度和微粒火花的影響都很大，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(jí)的水平。

2 高速銑削鑄鐵

鐵制材料工件加工時(shí)，需要使用專(zhuān)用的圓刃刀具，如若不然，由于加工過(guò)程中刀具會(huì)因高脆性而出現(xiàn)損壞。另外切削效率以及切削速度都會(huì)受到刀具材料的影響，無(wú)論是何種材質(zhì)的刀具，在高速切削中都會(huì)出現(xiàn)磨損，這也是加工過(guò)程中最主要的問(wèn)題之一。在進(jìn)行鑄鐵的銑削過(guò)程中，刀具后角同鋼件情況相似。而針對(duì)脆性刀具，在銑削過(guò)程中，刀片的幾何參數(shù)以及形狀是影響刀具磨損的主要原因。而相比較于硬質(zhì)合金刀具，金屬陶瓷材料的刀片優(yōu)勢(shì)較為明顯，不但密度低、強(qiáng)度高，并且還具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，因而耐用性相對(duì)較高，但是僅僅適用于切削速度在1000m/min以下的加工。無(wú)論是金屬陶瓷到刀具還是硬質(zhì)合金刀具，其進(jìn)給速度越高，則耐用度越高。而在低速切削時(shí)，CBN以及氮化硅刀具較為適用。另外當(dāng)適用CBN刀具作為切削刀具時(shí)，會(huì)受到切削材料中鐵含量的影響，若切削鑄鐵材料為GG40鑄鐵，那么刀具的耐用度最低。這種情況下對(duì)刀具使用鍍層則可以有效提高其使用壽命。另外在低速切削的狀態(tài)下進(jìn)行加工也只能使用氮化硅刀具以及CBN刀具，才能夠?qū)Φ毒邏勖兴娱L(zhǎng)，尤其是CBN刀具最為明顯。

3 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(dòng)力部門(mén)。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(huì)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(shí)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(shí)，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(gè)特點(diǎn)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(diǎn)處，形成積屑。當(dāng)磨損帶寬度達(dá)到0.3mm以上時(shí)，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(guò)材料的熔化溫度。雖然高速加工中工件的溫度沒(méi)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(shí)的刀具壽命都能提高。當(dāng)前角為負(fù)時(shí)，刀具的切削穩(wěn)定性提高，但壽命降低，這是因?yàn)樵诘度刑幥邢髫?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(shí)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。

4 高速銑削鋼

進(jìn)行鋼材的銑削需要主要考慮的問(wèn)題是在加工過(guò)程中所產(chǎn)生的刀具磨損，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化主要是為了提高切除金屬的效率，但這并非是唯一的目的，另外對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化還是為了降低切削例，從而提高工件精度，保證表面質(zhì)量和形狀，并降低由于加工而對(duì)刀具造成的磨損。進(jìn)行鋼材銑削的刀具相對(duì)于其他的刀具更加鋒利，并且后角較大，通過(guò)這種方式能夠最大程度降低銑削動(dòng)作對(duì)于刀具的磨損，延長(zhǎng)刀具使用壽命。但是一旦加工過(guò)程中需要提高進(jìn)給速度，那么后角必然會(huì)縮小。若高速切削過(guò)程中，負(fù)前角對(duì)于切削力沒(méi)有降低的作用，雖然切削相對(duì)較為穩(wěn)定，但是會(huì)增大月牙洼磨損。在刀具的磨損影響中，軸向進(jìn)給不會(huì)對(duì)其造成過(guò)多的影響，但是徑向進(jìn)給對(duì)于刀具的磨損相對(duì)較大，切削面越大，刀具的壽命就會(huì)隨之降低。若切削的進(jìn)給形式為徑向進(jìn)給時(shí)，由于切削速度較高，因而在加工過(guò)程中會(huì)由于高溫令刀具失效。若使用徑向進(jìn)給時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)慕档瓦M(jìn)給速度，那么刀具便有更多的時(shí)間進(jìn)行冷卻。所以，從整體進(jìn)行分析，徑向進(jìn)給切削時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)姆怕?，保證進(jìn)給量在刀具直徑的8%左右最佳。另外，刀具磨損同材料硬度也休戚相關(guān)。若工件材料具有較大的抗拉強(qiáng)度，那么刀具容易受損，使用壽命便會(huì)縮短，因此需要對(duì)每齒進(jìn)給量適當(dāng)減小。而刀具的選擇中，金屬陶瓷材料相對(duì)于硬質(zhì)合金具有更強(qiáng)的性能和更長(zhǎng)的壽命，但是金屬陶瓷刀具只能應(yīng)用與小進(jìn)給量切削以及小切深切削中。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展方向便是最大程度的提高生產(chǎn)效率，這也是機(jī)械加工領(lǐng)域全體人員的不懈努力的目標(biāo)。HSM是現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的告訴加工，其應(yīng)用不但提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)還進(jìn)一步提高了加工工件的質(zhì)量、精度，并針對(duì)某些特殊材料難加工的問(wèn)題給予了解決。所以，超高速加工技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始成為了各國(guó)工業(yè)領(lǐng)域、科研領(lǐng)域重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

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