高速切削刀具的分析研究

鲍锡琴， 高东强

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

高速切削(High Speed Machining, HSM)加工作为制造业中最为重要的一项先进制造技术，已经越来越受到人们的关注.随着高速切削加工的应用范围扩大，高速切削在制造领域的应用主要是加工复杂曲面[1],其中高速铣削(也称为硬铣削,Hard Milling, HM)可以把复杂形面加工得非常光滑.加工表面粗糙度值很小、浅腔大曲率半径的零件完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率半径的零件可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，而电加工只作为精加工.这样可大大节约电火花和抛光的时间以及有关材料的消耗，这对保护环境的贡献是不言而喻的.同时，极大地缩短了加工周期,提高了加工效率，降低了加工成本.

1 高速切削加工相对传统加工的优势

高速切削加工系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、热传导等环节组成，避免了传统加工时在刀具和工件接触处产生大量热的缺点，保证刀具在温度不高的条件下工作，延长了刀具的使用寿命.在高速切削中95%～98% 的切削热被切屑带走，切削温度增加缓慢，工件温度低，基本可以保持冷态加工，工件安全可靠的高速切削CAM软件系统等构成.随着科技进步，高速切削加工技术广泛应用，具有如下优势.

1.1 高速切削加工减少切削产生的热量

因为高速切削加工是浅切削，同时进给速度很快，刀刃和工件的接触长度和接触时间非常短，减少了刀刃和工件的表面热损伤，适用于加工易变形的零件.如图1所示，A为高速切削加工时的热传导过程，B为传统加工的热传导过程.

图1 高速加工和传统加工的热传导

图2 高速切削薄壁零件

高速切削时的切削力小，有较高的稳定性，可高质量地加工出薄壁零件.采用如图2所示的分层顺铣加工方法，可高速切削出壁厚0.2mm、壁高20 mm的薄壁零件.此时，刀刃和工件的接触时间非常短，避免了侧壁的变形.

1.2 高速切削加工生产效率高

切削加工允许进给速度提高5～10倍，切削速度提高15%～20%, 可降低成本10%～15%, 而高速切削可降低制造成本20%～40%[2]，高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对零件进行高速切削加工.用高速加工中心或高速铣床加工零件，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和其他部位的机械加工，即所谓“一次过”技术(One Pass Machining).高速切削可加工粗硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面加工也可直接达到零件表面质量要求.因此，高速切削工艺往往可省却电火花加工、手工磨修等工序，缩短工艺路线，进而大大提高加工生产率.

1.3 高速切削加工可获得高质量的加工表面

由于高速机床具备高刚性和高精度等性能，而高速机床主轴激振频率远远超过“机床-刀具-工件”系统的固有频率范围，同时由于切削力小，工件热变形减少，刀具变形小，加工过程平稳且工艺系统振动小，所以可以获得良好的加工精度和表面质量，加工表面质量可以提高1～2级，可获得相当于磨削加工的表面粗糙度.

1.4 高速切削加工可简化加工工序

此外，高强度和高硬度的加工也是高速切削的一大特点，目前，高速切削已可加工硬度达HRC60的零件[3]，因此，高速切削能够加工经热处理硬化后的工件.常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形.用高速切削加工替代传统切削的加工方法可以不会出现电加工所导致的表面硬化.另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及零件细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产周期，简化了加工工艺和投资成本.

2 高速切削刀具参数的合理选择

高速切削刀具是实现高速加工技术的关键，不合适的刀具会使复杂、昂贵的机床或加工系统形同虚设,完全不起作用.由于高速切削的切削速度快,而高速加工线速度主要受刀具限制,因为在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快.因此,高速切削对刀具提出了更高的要求.

2.1 高速切削对刀具材料的要求

高速切削加工时切削温度很高，高速切削刀具的失效主要取决于刀具材料的热性能(包括刀具的熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等).高速干切削、高速硬切削和高速切削黑色金属时的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐热性.因此，高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还特别要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能以及高的可靠性.为了适应高速切削加工技术的需要，保证优质、高效、低耗地完成高速切削加工任务，对高速切削刀具材料提出了如下要求[4]：

(1)高的可靠性.高速切削一般在数控机床或加工中心上进行，刀具应具有很高的可靠性，要求刀具的寿命高、质量一致性好，切削刃的重复精度高.如果刀具可靠性差，将会增加换刀时间，降低生产率，这将使高速切削加工失去意义.如果刀具可靠性差还将产生废品，损坏机床与设备，甚至造成人员伤亡.因此，高速切削的刀具可靠性十分重要，解决刀具的可靠性问题，成为高速切削加工成功应用的关键技术之一.在选择高速切削刀具时，除需要考虑刀具材料的可靠性以外，还应考虑刀具的结构和夹固的可靠性.需要对刀具进行最高转速的试验和动平衡试验.

(2)高的耐热性和抗热冲击性能.高速切削加工时切削温度很高，因此，要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击能力强.

(3)良好的高温力学性能.要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如高温强度、高温硬度、高温韧性等.

(4)刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要.随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多的被采用.它们大多属于难加工材料，目前难加工材料己占工件的40%以上.因此，高速加工刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要.尽管已出现不少新的刀具材料，但同时满足上述要求的刀具材料是很难找到的.因此，在具有比较好的抗冲击韧度的刀具材料的基体上，再加上高热硬性和耐磨性镀层的刀具技术发展很快.另外，还可以把金刚石等硬度很高的材料烧结在抗冲击韧度好的硬质合金或陶瓷材料的基体上，形成综合切削性能非常好的高速加工刀具.

目前，高速切削刀具材料主要有以下几类：金刚石刀具(PCD)、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具(PCBN)、硬质合金刀具和涂层刀具等.每一种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应一定的工件材料或是切削速度范畴，因此，寻求刀具材料与工件材料及切削速度之间的最佳匹配关系是高速切削加工的重要技术.通过大量的切削试验及材料性能比较分析，对各类刀具材料所适应的工件材料做了简单归类如表1所示.

表1 高速加工刀具与工件材料的匹配关系[5]

表中：●-优，○-良，▲-一般，◇-不适合

2.2 高速切削对刀具结构和几何参数的要求

除了刀具材料的选择外，正确选择刀具结构、切削刃的几何参数以及刀具的断屑方式等对高速切削的效率、表面质量、刀具寿命以及切削热量的产生等都有很大影响，这些都是高速刀具技术中一个重要的组成部分.

在高速切削过程中，很关键的问题是要想办法把切削热尽可能多地传给切屑，并利用高速切离的切屑把切削热迅速带走.合适的刀具几何角度对顺利进行高速切削具有非常重要的作用.选择合适的刀具几何角度的作用如下[6]：

(1)合适的刀具后角和合理的进给速度能产生足够大的切屑厚度，以便带走热量，避免切削硬化.

(2)刀刃前角是影响刀具切削载荷的重要参数，应合理选择.

(3)切削载荷与刀具每切刃的进给量有关.对于多片镶嵌刀具，切削载荷作用在每一个刀片上；对于实体刀具，切削载荷作用在每个齿上.因此，进给量应该在一个合理的数值之间来进行选择.

(4)高速切削时，刀具的合理几何参数依据加工材料的不同而不同，为获得较佳的刀具几何参数，还可以采用合适的刀体材料和安全的结构，使用较短的切削刃，提高刀具的整体剐性；采用较大的刀尖角，合适的断屑措施等.

2.3 加强高速切削刀具的安全性

高速切削刀具安全性涉及的主要对象是高速旋转的铣刀和镗刀，尤其是高速铣刀，因为高速铣削是目前高速切削应用的主要工艺.加工实践表明，普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求，因此高速铣刀安全性的研究更具有紧迫性和现实性.

高速切削刀具系统的平衡更为重要.引起高速切削刀具系统不平衡的主要因素有：刀具的平衡极限和残余不平衡度、刀具结构不平衡、刀柄不对称、刀具及夹头的安装(如单刃镗刀)不对称等.高速切削刀具(主要是旋转刀具)使用前除进行静平衡外还必须进行动平衡，应根据其使用速度范围进行平衡，以实现最佳加工效益.对高速切削刀具进行平衡时，首先需对刀具、夹头、主轴等各个元件单独进行平衡，然后对刀具与夹头组合体进行平衡，最后将刀具连同主轴一起进行平衡.推荐采用微调螺钉进行精细平衡，或直接采用内装动平衡机构的镗刀，通过转动补偿环移动内部配重以补偿刀具不平衡量.做好刀具的动平衡，防止刀具的甩飞和破损，保证工作人员的安全.

3 切削参数对高速加工刀具寿命的影响研究

刀具的寿命是切削加工中一个十分重要的因素，直接影响着加工效率的提高及生产成本.高速切削时，由于刀-屑接触面的温度高、接触压力大，且接触面多为新鲜表面，化学活性很强，因此切屑很容易与前刀面发生粘结，产生很大的摩擦阻力，而刀具摩擦必然会导致磨损.研究发现，高速切削时造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等引起的磨损和破损.

3.1 切削用量对刀具磨损的影响

切削加工时影响刀具寿命的因素很多，刀具的磨损机理也各不相同.研究表明，高速工况下对刀具寿命产生影响的因素主要有：刀具材料与工件材料的匹配关系、刀具几何形状、加工方式、切削用量、切削振动、冷却液等[7]，其中切削用量对刀具磨损的影响尤为显著，其影响规律可以通过切削加工试验来具体分析.另外，不同加工材料及刀具材料的主要磨损形式不同，高速切削加工时常见的刀具磨损形态主要有前刀面磨损(月牙洼)、后刀面磨损、边界磨损、片状剥落以及微崩刃等[8].

3.2 镍基高温合金切削试验

图3为CrA1TiN涂层刀具高速切削镍基高温合金时切削速度对刀具磨损的影响规律曲线[9].随切削速度的增加，刀具磨损总体呈现上升趋势，但中间会有拐点的存在，分析可能原因有：刀具磨损的方式很多，如磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损等.在不同切削速度下，刀具磨损的方式不同，有时只是其中一种方式作用，而有时多种方式同时作用，故曲线会有起幅；另外，通过比较发现，该曲线与切削速度-温度的变化规律曲线相似，这说明刀具磨损受温度变化的影响比较明显.

图3 切削速度对刀具磨损的影响

图3为刀具寿命随进给量f变化的规律曲线，相比切削速度v其曲线变化比较平缓，影响程度次之.而切削深度ap对刀具寿命的影响最小，曲线变化不明显.

图4 进给量对刀具磨损的影响

不同的切削工艺参数对高速加工的影响规律不同，通过对高速加工切削力、切削温度、刀具寿命、表面粗糙度及切削稳定性等进行单因素试验和多元正交试验分析，得到切削速度v、每齿进给量fZ、轴向切深ap、径向切深ae对高速切削加工性能的影响规律和显著程度.

(1)从高速加工切削力的预测模型看[10]，切削深度(包括轴向切深ap和径向切深ae)对各切削力分力的影响最大，进给量f次之.而切削速度v的影响程度相对较小，但影响关系复杂，一方面切削速度的提高导致剪切角增大、且切削温度上升使刀具与工件的摩擦系数降低，切削力减小；另一方面剪切角增大及切削速度本身的提高又会使切屑惯性力增大，导致切削力上升.

(2)从表面粗糙度预测模型看，适应提高切削速度能有效的改善工件表面粗糙度.主轴转速增大，粗糙度值减小，而轴向切深、径向切深、进给速度增大，粗糙度值增大，但增大的幅度不同，表明影响程度各不相同.

(3)切削颤振对主轴转速n非常敏感，高速加工时必须合理选择主轴转速范围；进给量f对系统颤振存在突变，当越过临界值f1时，振幅会突然降低，故切削中可以采用适当增加每齿进给量fz的方法来消除系统中的颤振.

4 结束语

高速切削加工是多种先进加工技术的集成，在高速切削加工中优质的刀具是实现高速加工的保证，合理的选择和使用刀具对高速切削尤为重要.在高速铣削加工中刀具的选择依据如下：(1)工件的因素：工件的结构特点、大小、材料的硬度和粘性以及工件的质量要求；(2)加工中心的因素：机床的转速范围、刚性、精度及高低速时的性能；(3)刀具本身的因素：刀具的材料、涂层、耐热性、耐磨性、热稳定性以及刀具的刚性和几何结构特点等因素综合考虑.合理选择刀具，才能充分发挥出高速切削加工的优势.

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[8] 王先逵．精密加工和纳米加工、高速切削、难加工材料的切削加工[M]．北京：机械工业出版社，2008.

[9] 黎忠炎．高速切削工艺参数与刀具参数的分析研究[D]．西安：陕西科技大学，2011：25-53.

[10] 师汉民．金属切削理论及其应用新探[M]．武汉：华中科技大学出版社，2003.