高速切削加工工藝研究

范學輝

（黑化集團化工裝備公司，黑龍江 齊齊哈爾 161041）

隨著數控機床、加工中心和柔性制造系統在機械制造中的應用,機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給速度,才有可能在提高生產率方面出現一次新的飛躍和突破。這就使高速加工技術得以迅速發展。高速加工技術是指采用超硬材料刀具和磨具,利用能可靠地實現高速運動的高精度、高自動化和高柔性的制造設備,以提高切削速度來達到提高材料切除率、加工精度和加工質量的先進加工技術。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均有很大不同,掌握高速切削工藝特點是高速切削應用技術中的一個重要環節。

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。金屬陶瓷刀具由于具有刀片強度高、密度低和化學穩定性好等優點,它的耐用度要比硬質合金好,但是當切削速度超過1000 m/min時,不使用這種刀具對于硬質合金和金屬陶瓷刀具,刀具耐用度隨著進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給速度下進行切削。徑向切深是影響刀具耐用度的關鍵因素之一,隨著切削區面積的增大,刀具壽命降低。而軸向切深的影響不大,當切深在1.5 mm～15 mm范圍內變動時,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,當切削GG40鑄鐵材料時,CBN刀具的耐用度達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

鋁是飛機和各種航天器零部件的主要材料,也是機器和儀表零部件的常用金屬。它的相對密度很輕,經過適當處理的鋁合金材料,其強度可高達540 MPa。近年來鋁合金在汽車和其他動力機械中的應用也逐漸增多。鋁鎂合金大多使用鑄件,這些輕合金的最大優點在于其固有的易切特性。加工輕合金的優越性主要表現在: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排屑自動化;③刀具磨損小,用涂層硬質合金、多晶金剛石等刀具在很高的切速下切削輕合金材料,可以達到很高的刀具壽命;④加工表面質量高,在近乎干切削的情況下,不用再經過任何加工或手工研磨,零件即可得到很高的表面質量;⑤可采用很高的切削速度和進給速度進行加工,切削速度可高達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,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。當切削速度達到1000 m/min時,可使用K型硬質合金刀具;當切削速度達到2000 m/min時,應使用金屬陶瓷刀具;當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合金刀具,甚至PCD刀具;在銑削鋁鎂合金時,可使用K10硬質合金刀具。刀刃圓角半徑對切削溫度和微粒火花的影響都很大,PCD刀具或硬質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，優化切削參數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。當進給速度增加時,刀具后角要減小;進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;負前角雖然能使刀片具有更高的切削穩定性,但是增大了切削力和月牙洼磨損。在高速銑削時,軸向進給量對刀具磨損的影響比較小,而徑向進給量的影響則較大,刀具壽命隨切削面的增加而降低。在以徑向進給進行切削時,常常會因為高速產生的高溫超過刀具材料的紅硬性而造成刀具失效。當徑向進給比較慢時,刀具的非接觸區時間比接觸區時間長,短時間的發熱可以由比較長時間的冷卻來彌補。因此,從整體上看,徑向進給速度應稍慢一點,建議進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度等力學性能的影響。工件材料的抗拉強度增大,則刀具壽命降低,所以要減小每齒的進給量。在高速切削刀具材料方面,金屬陶瓷刀具的壽命比硬質合金長,但也只適用于小切深和小進給量的切削。

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,刀具磨損嚴重。在這些難加工材料的切削中,導致刀片失效的典型形式是刀具磨損,磨損的痕跡會產生在刀尖部位及刀具和工件之間的通道處,因而形成嚴重的刀口毛刺。刀刃的磨損改變了刀具的幾何參數,增大了切削力,尤其在切削高強度合金時容易使刀片碎裂。刀片裂紋主要是由熱應力造成的,特別是在切削特殊合金時,梳狀裂紋很明顯,然后裂紋繼續擦傷擴大,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,熱量增加產生與氧的放熱反應。當磨損帶寬度達到0.3mm以上時,引起切屑燃燒。在磨損嚴重加劇的情況下,強烈的發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,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。當前角為負時,刀具的切削穩定性提高,但壽命降低,這是因為在刀刃處切削負荷增加。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 結束語

在機械加工方面，提高生產率一直是機械制造領域十分關注并為之不懈奮斗的主要目標。高速加工(HSM)不但成倍提高了機床的生產效率,而且進一步改善了零件的加工精度和表面質量,還能解決常規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加工技術也已引起了世界各國工業界和學術界的高度重視，并得到廣泛的發展。

[1]張維紀.金屬切削原理與刀具[M].杭州:浙江大學出版社,2005.

[2]趙云龍.先進制造技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.