品牌鄭州六方	型號(hào)RNMN2008
類型粗車刀	材質(zhì)聚晶立方氮化硼
標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)ISO9001	車刀角度45度
刀片形狀圓形	刀片厚度08mm
刀片切削刃長度20mm	刀尖圓角半徑10mm
是否涂層非涂層	是否進(jìn)口否
加工范圍HRC45--HRC85	是否庫存非庫存
是否批發(fā)批發(fā)

高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化
1 引言
　　高速加工作為一種先進(jìn)的切削技術(shù)，自二十世紀(jì)八十年代以來得到了日益廣泛的應(yīng)用。高速加工采用遠(yuǎn)高于常規(guī)加工的切削速度和進(jìn)給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時(shí)，同時(shí)還可獲得很高的加工精度。隨著高速加工主軸技術(shù)的發(fā)展，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，對高速加工用刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也不斷深入。目前，德國、美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對高速加工技術(shù)的研究和應(yīng)用處于地位，特別是德國對高速加工的研究起步較早，成果較多。早在1984年，德國國家研究技術(shù)部(dfg)就出資700萬馬克資助德國darmstadt 工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)床研究所(ptw，institutof productionand engineering and machine tools)與41家公司進(jìn)行了為期4年的合作，全面開展對高速加工切削機(jī)理、高速加工工藝、高速加工用機(jī)床與刀具的研究。由于政府的高度重視和大力資助，研究工作取得了豐碩成果。德國不少公司很快掌握了高速加工技術(shù)，并不斷支持和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的深入研究與發(fā)展。
　　本文對德國ptw研究所近年來在高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化方面的***新研究成果作一介紹，希望能為國內(nèi)的高速加工研究及應(yīng)用提供有益的參考。
　　2 高速加工的特點(diǎn)
　　高速加工(high speed cutting，簡稱hsc)通常是指在高于常規(guī)加工速度5-10倍的條件下進(jìn)行的切削加工。在高速加工中，必須根據(jù)不同的加工材料、加工方式、加工工藝、刀具參數(shù)并考慮刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量來選擇切削速度。表1為加工不同工件材料時(shí)hsc銑削與常規(guī)加工的切削速度比較。表2 為采用不同加工方式切削合金鋼時(shí)hsc與常規(guī)加工的切削速度比較。
表1 加工不同材料時(shí)hsc銑削與常規(guī)加工的切削速度比較
被加工材料
常規(guī)切削速度
(m/min)
hsc切削速度
(m/min)
纖維增強(qiáng)塑料
-800
1200-9000
輕金屬
-800
200-5000
銅合金
-400
1200-45000
鑄鐵
-300
1000-3000
普通工具鋼
-250
700-2000
鈦合金
-80
200-1000
鎳基合金
-20
100-300
表2 加工合金鋼時(shí)hsc 與常規(guī)加工的切削速度比較 加工方式
加工方式
常規(guī)切削速度
(m/min)
hsc切削速度
(m/min)
鉆削
-100
-200
拉削
-40
-80
精鏜
-10
-300
3 高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化
　　高速加工的實(shí)現(xiàn)與刀具材料、刀具幾何形狀、被加工材料及加工參數(shù)等密切相關(guān)。下面以應(yīng)用廣泛的模具材料如鋁合金、工具鋼和鑄鐵的高速加工為例，介紹德國ptw研究所近年來對高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化研究的成果。
　　高速加工鋁合金的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化
　　刀具材料
　　加工鋁合金時(shí)，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。硬質(zhì)合金是高速切削鋁材的主要刀具材料。實(shí)際加工中通常使用無涂層的硬質(zhì)合金刀具，這是因?yàn)檩^厚的涂層會(huì)導(dǎo)致刀尖圓弧鈍化，而較薄的涂層則會(huì)在加工時(shí)迅速磨損，均難以起到延長刀具壽命的作用。由于p系列和m系列硬質(zhì)合金中含有tic成分，而tic與鋁的親和性好，不利于切削，因此在粗加工時(shí)宜選用k系列硬質(zhì)合金刀具。陶瓷材料材質(zhì)較輕，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于鋁材的高速切削，但al2o3陶瓷刀具因脆性較大而不常使用。多晶金剛石刀具的使用壽命在相同切削條件下可比硬質(zhì)合金刀具顯著延長，但昂貴的價(jià)格使其難以得到廣泛使用；在加工si含量較高的al-si合金時(shí)，由于硬質(zhì)合金刀具磨損很快，使用聚晶金剛石刀具則較為經(jīng)濟(jì)。近年來，綜合了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金兩者優(yōu)點(diǎn)的cvd聚晶金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已得到越來越廣泛的應(yīng)用。
　　刀具幾何參數(shù)
　　刀具幾何形狀的選擇取決于鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度和si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖鈍圓半徑是影響鋁合金加工質(zhì)量的主要因素。刀具后角的選取會(huì)影響刀具剛度，增大后角有利于提高刀具壽命，但會(huì)降低刀刃剛度。為此可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時(shí)保證刀具剛度。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應(yīng)適當(dāng)，圓弧半徑過大或過小都會(huì)降低刀具使用壽命。整體刀具的螺旋角優(yōu)化值為20°-25°。表3 列出了加工不同鋁合金材料時(shí)刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)值。
表3 加工鋁合金材料的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)值
工件材料
抗拉強(qiáng)度
或si含量
刀具材料
后角
前角
刃傾角
刀尖圓弧半徑
(mm)
鋁塑合金
rm<300n/mm2
硬質(zhì)合金
13°～18°
10°～15°
≥25°
0.005～0.01
鋁塑合金
rm>300n/mm2
硬質(zhì)合金
12°～15°
12°～18°
≥20°
0.005～0.01
鋁鑄鐵合金
si含量<12%
硬質(zhì)合金
12°
15°
0°
0.01～0.02
鋁鑄鐵合金
si含量>12%
聚晶金剛石
12°
0°
0°
0.01～0.02
加工工藝參數(shù)
　　研究表明，適合高速加工鋁合金材料的加工工藝優(yōu)化參數(shù)為：切削速度：≥4000m/min；每齒進(jìn)給量：0.005-0.5mm；進(jìn)給速度：加工al-si合金(si12%)時(shí)vf=1-8m/min；切削率：加工al-si合金( si 12%)時(shí)為40-70cm3/mm·kw。加工al-si合金時(shí)應(yīng)使用冷卻液(10%-15%乳化液，20-40巴)或微量冷卻潤滑技術(shù)(mvl，minimum volume lubrication)，合理的冷卻潤滑可使刀具壽命提高50%。
　　加工表面質(zhì)量
　　影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素有：①刀具徑向跳動(dòng)。②刀具磨損：當(dāng)vb>0.2mm時(shí)，加工表面質(zhì)量明顯降低，因此精加工時(shí)必須將刀具磨損量控制在vb<0.2mm以內(nèi)。③刀具工藝參數(shù)。④冷卻方法：使用刀尖圓弧半徑小于1?m的人造金剛石刀具并輔以冷卻潤滑，可獲得良好的加工表面質(zhì)量(表面粗糙度可達(dá)ra0.1?m)；采用p系列和k系列超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具(刀尖圓弧半徑2-3?m)加工時(shí)，表面粗糙度分別可達(dá)ra0.3-0.4?m和ra0.4-0.6?m；使用金屬陶瓷刀具得到的加工表面質(zhì)量介于使用硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具之間。⑤與常規(guī)加工類似，高速加工時(shí)進(jìn)給速度對表面加工質(zhì)量影響較大，但切削速度對表面加工質(zhì)量影響甚微。
　　高速加工工具鋼的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化
　　工具鋼種類繁多，下列優(yōu)化工藝參數(shù)適用于除奧氏體鋼及淬硬鋼外的工具鋼高速加工。
　　刀具材料
　　高速加工工具鋼時(shí)，原則上應(yīng)選用熱強(qiáng)度高的p20/30系列涂層硬質(zhì)合金刀具，其加工性能優(yōu)于僅含wc-co成分的k系列硬質(zhì)合金刀具。該刀具采用tin-pvd涂層，可獲得較長的使用壽命。
　　金屬陶瓷刀具因不含wc成分，擴(kuò)散性較小，亦可獲得較長的使用壽命，但由于脆性較大，只適于切深和進(jìn)給量較小的精加工時(shí)使用。
　　氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in時(shí)使用，且進(jìn)給量應(yīng)控制在硬質(zhì)合金刀具的50%，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格選擇vc、fz、ap、ae等切削參數(shù)值，以避免因刀刃破損降低刀具使用壽命。
　　加工淬火鋼時(shí)推薦使用cbn刀具，其性能價(jià)格比較合理，加工時(shí)通常應(yīng)選取較小的進(jìn)給量(與使用陶瓷刀具接近)。
　　刀具幾何參數(shù)
　　高速加工工具鋼時(shí)***重要的刀具參數(shù)是后角和刀尖圓弧半徑，刀具前角對加工性能影響不顯著(通常取為0°)。因高速加工時(shí)單位切削力減小，刀具后角可取16°-20°(大于20°后刀具穩(wěn)定性將明顯降低)。對于硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具，在進(jìn)給量較小時(shí)(如fz=0.2-0.3mm)可選用鋒利的刃型；在進(jìn)給量較大時(shí)采用倒棱(如0.2×20°)則可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和cbn刀具時(shí)亦應(yīng)采用刀刃保護(hù)棱。
　　加工工藝參數(shù)
　　在200-400m/min切削速度下切削鋼材時(shí)，會(huì)形成較多積屑瘤，嚴(yán)重影響刀具使用壽命。當(dāng)切削速度提高到600m/min以上時(shí)，因排屑速度提高減少了積屑瘤形成的接觸時(shí)間，可使加工條件得以改善。此外，當(dāng)切削速度低于600m/min時(shí)，產(chǎn)生的切削高溫會(huì)加速刀具中的碳化物向被加工材料中擴(kuò)散，從而破壞刀具材料的晶格結(jié)構(gòu)。因此，切削速度600m/min時(shí)的切削溫度常作為切削性能改善的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此外，刀具壽命與被加工材料性能密切相關(guān)，材料抗拉強(qiáng)度增大會(huì)降低刀具使用壽命。
　　對于整體硬質(zhì)合金刀具，每齒進(jìn)給量fz的選擇范圍為0.2-0.3mm。對于可更換刀片的刀具，目前還難以給出理想的fz優(yōu)化值，由于其fz值遠(yuǎn)大于整體硬質(zhì)合金刀具的fz值，且與其它參數(shù)(特別是ae值)密切相關(guān)，因此其可優(yōu)化范圍很小，這也給其它參數(shù)的優(yōu)化帶來困難。
　　采用陶瓷刀具和cbn刀具加工時(shí)，工藝參數(shù)的選取與此類似，但進(jìn)給量只能達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的50%左右。
　　加工表面質(zhì)量
　　當(dāng)切削速度vc=600-800m/min時(shí)，加工表面質(zhì)量。隨著切削速度的提高，表面粗糙度值***初變化不大，然后有所下降。表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增加而增大。高速加工鋼材時(shí)，使用冷卻液不僅不能提高加工表面質(zhì)量，反而會(huì)大大降低刀具使用壽命，因此對鋼材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面質(zhì)量可達(dá)ra0.1?m。
　　高速加工鑄鐵的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化
　　刀具材料
　　可用于高速加工鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵)的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氮化硅陶瓷和cbn等。
　　對鑄鐵的高速切削可分為750-1250m/min和1250-4500m/min兩個(gè)速度范圍，但應(yīng)盡可能在較高切削速度范圍內(nèi)加工。在1250-4500m/min速度范圍內(nèi)切削鑄鐵時(shí)，使用si3n4陶瓷刀具或cbn刀具。si3n4陶瓷刀具的優(yōu)化切削速度為2000m/min，cbn刀具的優(yōu)化切削速度為3000-4500m/min。cbn刀具使用壽命較長，但價(jià)格昂貴，應(yīng)視具體情況選擇。
　　若機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及刀具幾何參數(shù)不允許在高于1250m/min的速度下切削，則應(yīng)選用硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具。研究表明，涂層硬質(zhì)合金刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差10倍；金屬陶瓷刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差2-3倍。因此，選用p系列或k系列涂層硬質(zhì)合金刀具可獲得較滿意的加工效果(推薦選用p20/30系列帶tic/ tin多層涂層的硬質(zhì)合金刀具)，刀具的具體選擇則應(yīng)根據(jù)加工材料和加工參數(shù)而定。
　　刀具幾何參數(shù)
　　高速切削鑄鐵的刀具幾何參數(shù)與切削工具鋼時(shí)相似，但后角取值應(yīng)在12°左右。硬質(zhì)合金刀具、金屬陶瓷刀具和cbn刀具應(yīng)有10?m左右的刀尖圓角半徑；陶瓷刀具通常應(yīng)帶有0.1×10°的刀刃保護(hù)棱。
　　加工工藝參數(shù)
　　在750-1250m/min切削速度下，可采用硬質(zhì)合金刀具或金屬陶瓷刀具進(jìn)行加工，此時(shí)可選用較大的每齒進(jìn)給量(如fz=0.8mm)，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)刀具壽命可隨進(jìn)給量的增大而提高；在1250-4500m/min切削速度下，可采用si3n4陶瓷刀具或cbn刀具進(jìn)行加工，與前一種切削速度范圍相比，此時(shí)每齒進(jìn)給量應(yīng)減小50%左右，由于切削速度高，此時(shí)獲得的進(jìn)給速度仍比前一速度范圍高4-5倍。
　　與鋼的高速切削類似，高速加工鑄鐵時(shí)也建議采用干式切削。
　　加工表面質(zhì)量
　　一般情況下，加工表面質(zhì)量可隨切削速度及進(jìn)給速度的提高而改善。但在加工鑄鐵時(shí)應(yīng)注意，鑄鐵的縱向和橫向表面粗糙度相差較大，這主要是由加工時(shí)產(chǎn)生的鱗刺造成的(可在粗加工表面觀察到)。加工鑄鐵工件的***終表面粗糙度可達(dá)ra0.2?m。
　　其它材料的高速加工
　　石墨、纖維增強(qiáng)塑料、鎂合金、銅合金、表面淬火和整體淬火鋼、高合金鋼、鈦合金、鎳基合金等材料也可通過高速切削進(jìn)行加工，但對這些材料的高速加工仍存在不少技術(shù)難點(diǎn)，對有關(guān)切削機(jī)理的研究目前還在繼續(xù)進(jìn)行。
　　4 結(jié)語
　　由于高速加工過程及其機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技術(shù)，因此對高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化仍主要依賴于切削試驗(yàn)。由于切削試驗(yàn)條件與實(shí)際加工條件不完全一致，因此試驗(yàn)結(jié)果還需在加工實(shí)踐中進(jìn)一步校驗(yàn)修正。此外，德國與中國在使用的加工機(jī)床和刀具材料等方面存在較大差別，因此本文介紹的高速切削刀具工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果僅供國內(nèi)有關(guān)人員借鑒參考。
　　我國在二十世紀(jì)九十年代初期才開始對高速加工的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，與國外相比起步較晚，在模具制造領(lǐng)域差距更大。我們應(yīng)立足于我國的刀具、材料及技術(shù)條件，適當(dāng)借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對高速加工技術(shù)的研究及應(yīng)用，迅速提高我國高速加工技術(shù)水平。

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鄭州六方超硬材料有限公司
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13526850825
河南 鄭州 中原區(qū) 建設(shè)西路104號(hào)

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