高速切削加工工艺研究

范学辉

（黑化集团化工装备公司，黑龙江 齐齐哈尔 161041）

随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用,机械加工的辅助工时大为缩短,这使得切削工时占去了总工时的主要部分,因此,只有提高切削速度和进给速度,才有可能在提高生产率方面出现一次新的飞跃和突破。这就使高速加工技术得以迅速发展。高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具,利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备,以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。高速切削不同工件材料时,所用的切削刀具、工艺方法以及切削参数均有很大不同,掌握高速切削工艺特点是高速切削应用技术中的一个重要环节。

1 高速铣削铸铁

在高速铣削铸铁时,必须使用圆刃刀具,否则刀具很快就会因为高脆性而损坏。切削速度的选择取决于刀具材料。对于硬质合金和金属陶瓷刀具,高速切削中的最主要问题是刀具磨损。在高速铣削铸铁时,刀具后角的情况和钢件差不多。对于象氮化硅刀具这样的脆性刀具材料,影响刀具磨损的主要因素是刀片的形状和几何参数。金属陶瓷刀具由于具有刀片强度高、密度低和化学稳定性好等优点,它的耐用度要比硬质合金好,但是当切削速度超过1000 m/min时,不使用这种刀具对于硬质合金和金属陶瓷刀具,刀具耐用度随着进给速度的增加而提高。而氮化硅刀具和CBN刀具只是适合于在比较低的进给速度下进行切削。径向切深是影响刀具耐用度的关键因素之一,随着切削区面积的增大,刀具寿命降低。而轴向切深的影响不大,当切深在1.5 mm～15 mm范围内变动时,刀具的磨损量几乎是一样的。被加工零件材料也影响刀具的耐用度。被切材料的铁含量,对于CBN刀具的耐用度影响很大,当切削GG40铸铁材料时,CBN刀具的耐用度达到了最低值使用镀层时,刀具寿命可提高10倍～20倍。使用CBN刀具时,切削速度可高达4000 m/min。实际上,只有CBN和氮化硅刀具才能在这么高的速度下进行切削,特别是CBN刀具,可得到很长的刀具寿命。

2 高速切削轻金属

铝是飞机和各种航天器零部件的主要材料,也是机器和仪表零部件的常用金属。它的相对密度很轻,经过适当处理的铝合金材料,其强度可高达540 MPa。近年来铝合金在汽车和其他动力机械中的应用也逐渐增多。铝镁合金大多使用铸件,这些轻合金的最大优点在于其固有的易切特性。加工轻合金的优越性主要表现在:①切削力和切削功率小,大约比切削钢件小70%;②切屑短、不卷曲,因而在高速加工中易于实现排屑自动化;③刀具磨损小,用涂层硬质合金、多晶金刚石等刀具在很高的切速下切削轻合金材料,可以达到很高的刀具寿命;④加工表面质量高,在近乎干切削的情况下,不用再经过任何加工或手工研磨,零件即可得到很高的表面质量;⑤可采用很高的切削速度和进给速度进行加工,切削速度可高达1000 m/min～7500 m/min,高速加工使95%以上的切削热被切屑迅速带走,工件可保持室温状态,热变形小,加工精度高。

由于在轻金属的高速切削过程中存在较大的冲击载荷,金刚石和立方氮化硼刀具的寿命特性并不好。高速钢也不适合于加工轻金属。当切削速度达到1000 m/min时,可使用K型硬质合金刀具;当切削速度达到2000 m/min时,应使用金属陶瓷刀具;当用更高切削速度加工时,特别是切削低熔点的硅铝合金材料时,要使用金刚石镀层硬质合金刀具,甚至PCD刀具;在铣削铝镁合金时,可使用K10硬质合金刀具。刀刃圆角半径对切削温度和微粒火花的影响都很大,PCD刀具或硬质合金刀具的刀刃半径必须精密刃磨到纳米级的水平。

3 高速铣削钢

高速铣削钢的主要问题是刀具磨损，优化切削参数的目的不仅仅为了提高金属切除率,而且更注重于降低切削力,提高工件的表面质量、尺寸精度和形状精度以及减少刀具磨损。高速铣削钢材时,刀具采用更锋利的切削刃和较大的后角,这样可以减少切削时刀具的磨损,提高刀具的使用寿命。当进给速度增加时,刀具后角要减小;进给速度对刀具前角的影响相对比较小。在高速下,正前角并不比0o前角更多地降低切削力;负前角虽然能使刀片具有更高的切削稳定性,但是增大了切削力和月牙洼磨损。在高速铣削时,轴向进给量对刀具磨损的影响比较小,而径向进给量的影响则较大,刀具寿命随切削面的增加而降低。在以径向进给进行切削时,常常会因为高速产生的高温超过刀具材料的红硬性而造成刀具失效。当径向进给比较慢时,刀具的非接触区时间比接触区时间长,短时间的发热可以由比较长时间的冷却来弥补。因此,从整体上看,径向进给速度应稍慢一点,建议进给量之值等于刀具直径的5%～10%高速切削时刀具的磨损也受到加工材料强度等力学性能的影响。工件材料的抗拉强度增大,则刀具寿命降低,所以要减小每齿的进给量。在高速切削刀具材料方面,金属陶瓷刀具的寿命比硬质合金长,但也只适用于小切深和小进给量的切削。

4 高速切削难加工材料

难加工材料包括特殊合金钢、钛合金、镍合金等,这些材料由于强度大、硬度高、耐冲击,大多用于航空制造和动力部门。但加工中这些材料容易硬化,切削温度高,刀具磨损严重。在这些难加工材料的切削中,导致刀片失效的典型形式是刀具磨损,磨损的痕迹会产生在刀尖部位及刀具和工件之间的通道处,因而形成严重的刀口毛刺。刀刃的磨损改变了刀具的几何参数,增大了切削力,尤其在切削高强度合金时容易使刀片碎裂。刀片裂纹主要是由热应力造成的,特别是在切削特殊合金时,梳状裂纹很明显,然后裂纹继续擦伤扩大,形成磨痕。难加工材料的另一个特点是它们的粘附性,使切屑粘在刀刃上,随着切削速度提高,粘附的切屑增多,烧热的切屑堆积在刀具切入工件的切入点处,形成积屑。在切削钛合金时,热量增加产生与氧的放热反应。当磨损带宽度达到0.3mm以上时,引起切屑燃烧。在磨损严重加剧的情况下,强烈的发热能超过材料的熔化温度。虽然高速加工中工件的温度没有明显上升,但是切屑的温度大大升高了。刀具前角的变化范围是在8度～28度之间,在此前角范围内,加大前角可明显地减小切削力,加工上述所有材料时的刀具寿命都能提高。当前角为负时,刀具的切削稳定性提高,但寿命降低,这是因为在刀刃处切削负荷增加。提高切削速度后,切削消耗的功率更大,切削温度升高,加速了刀具磨损。但高切削速度也缩短了刀具和工件的接触时间,传递到工件上的切削热减少了,切削热主要由飞快的切屑带走。

5 结束语

在机械加工方面，提高生产率一直是机械制造领域十分关注并为之不懈奋斗的主要目标。高速加工(HSM)不但成倍提高了机床的生产效率,而且进一步改善了零件的加工精度和表面质量,还能解决常规加工中某些特殊材料难以解决的加工问题。因此,超高速加工这一先进加工技术也已引起了世界各国工业界和学术界的高度重视，并得到广泛的发展。

[1]张维纪.金属切削原理与刀具[M].杭州:浙江大学出版社,2005.

[2]赵云龙.先进制造技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.