高速加工刀具工藝參數(shù)

1、摘要：以幾種典型模具材料的高速加工為例，介紹了德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)PTW研究所對高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化的研究成果。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

2、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)用處于世界領(lǐng)先地位，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，InstituteofProductionEngineeringMachineTools)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

3、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)化方面的最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(HighSpeedCutting，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

4、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(mmin)HSC切削速度(mmin)纖維增強(qiáng)塑料～8001200～9000輕金屬～800200～5000銅合金～4001200～45000鑄鐵～3001000～3000普通工具鋼～25

5、0700～2000鈦合金～80200～1000鎳基合金～20100～300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常規(guī)切削速度(mmin)HSC切削速度(mmin)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：≥4000mmin；每齒進(jìn)給量：0.005～0.5mm；進(jìn)給速度：加工AlSi合金(Si12%)時(shí)vf=1～8mmin；切削率：加工AlSi合金(Si12%)時(shí)為40～70cm3mmkW。加工AlS

6、i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，MinimumVolumeLubrication)，合理的冷卻潤滑可使刀具壽命提高50%。4)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。②刀具磨損：當(dāng)VB0.2mm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VB0.2mm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1m的人造金剛石刀具并輔以冷卻潤滑，可獲得

7、良好的加工表面質(zhì)量(表面粗糙度可達(dá)Ra0.1m)；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2～3m)加工時(shí)，表面粗糙度分別可達(dá)Ra0.3～0.4m和Ra0.4～0.6m；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。3.2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

8、鋼外的工具鋼高速加工。1)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P2030系列涂層硬質(zhì)合金刀具，其加工性能優(yōu)于僅含WCCo成分的K系列硬質(zhì)合金刀具。該刀具采用TiNPVD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1600min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

9、、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)。2)刀具幾何參數(shù)高速加工工具鋼時(shí)最重要的刀具參數(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)

10、可選用鋒利的刃型；在進(jìn)給量較大時(shí)采用倒棱(如0.220)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。3)加工工藝參數(shù)在200～400mmin切削速度下切削鋼材時(shí)，會形成較多積屑瘤，嚴(yán)重影響刀具使用壽命。當(dāng)切削速度提高到600mmin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600mmin時(shí)，產(chǎn)生的切削高溫會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