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高速切削刀具的分析研究
閱讀：550 發布時間：2013-4-22摘 要：介紹高速切削技術在機械加工上的優勢，通過高速切削加工對刀具材料、刀具結構、幾何角度和安全性的要求分析影響刀具壽命的因素，得出高速加工切削力、切削溫度、刀具壽命、表面粗糙度及切削穩定性影響規律，對今后的實踐加工具有參考和借鑒作用．
引言
高速切削（High Speed Machining，HSM）加工作為制造業中zui為重要的一項*制造技術，已經越來越受到人們的關注。隨著高速切削加工的應用范圍擴大，高速切削在制造領域的應用主要是加工復雜曲面，其中高速銑削（也稱為硬銑削，Hard Milling，HM）可以把復雜形面加工得非常光滑。加工表面粗糙度值很小、淺腔大曲率半徑的零件*可用高速銑削來代替電加工；對深腔小曲率半徑的零件可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工，而電加工只作為精加工。這樣可大大節約電火花和拋光的時間以及有關材料的消耗，這對保護環境的貢獻是不言而喻的。同時，極大地縮短了加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本。
１ 高速切削加工相對傳統加工的優勢
高速切削加工系統主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統、高速切削刀具、熱傳導等環節組成，避免了傳統加工時在刀具和工件接觸處產生大量熱的缺點，保證刀具在溫度不高的條件下工作，延長了刀具的使用壽命。在高速切削中９５％～９８％ 的切削熱被切屑帶走，切削溫度增加緩慢，工件溫度低，基本可以保持冷態加工，工件安全可靠的高速切削ＣＡＭ 軟件系統等構成。隨著科技進步，高速切削加工技術廣泛應用，具有如下優勢。
１.１ 高速切削加工減少切削產生的熱量
因為高速切削加工是淺切削，同時進給速度很快，刀刃和工件的接觸長度和接觸時間非常短，減少了刀刃和工件的表面熱損傷，適用于加工易變形的零件。如圖１所示，Ａ 為高速切削加工時的熱傳導過程，Ｂ 為傳統加工的熱傳導過程。
圖１ 高速加工和傳統加工的熱傳導
高速切削時的切削力小，有較高的穩定性，可高質量地加工出薄壁零件。采用如圖２所示的分層順銑加工方法，可高速切削出壁厚０.２ｍｍ、壁高２0ｍｍ的薄壁零件。此時，刀刃和工件的接觸時間非常短，避免了側壁的變形。
圖２ 高速切削薄壁零件
１.２ 高速切削加工生產效率高
切削加工允許進給速度提高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％，高速切削加工以高于常規切削10倍左右的切削速度對零件進行高速切削加工。用高速加工中心或高速銑床加工零件，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗、精加工和其他部位的機械加工，即所謂“一次過”技術（noe Pass Machining）。高速切削可加工粗硬零件，許多零件一次裝夾可完成粗、半精和精加工等全部工序，對復雜型面加工也可直接達到零件表面質量要求。因此，高速切削工藝往往可省卻電火花加工、手工磨修等工序，縮短工藝路線，進而大大提高加工生產率。
１.３ 高速切削加工可獲得高質量的加工表面
由于高速機床具備高剛性和高精度等性能，而高速機床主軸激振頻率遠遠超過“機床－刀具－工件”系統的固有頻率范圍，同時由于切削力小，工件熱變形減少，刀具變形小，加工過程平穩且工藝系統振動小，所以可以獲得良好的加工精度和表面質量，加工表面質量可以提高１～２級，可獲得相當于磨削加工的表面粗糙度。
１.４ 高速切削加工可簡化加工工序
此外，高強度和高硬度的加工也是高速切削的一大特點，目前，高速切削已可加工硬度達HRC60的零件，因此，高速切削能夠加工經熱處理硬化后的工件。常規銑削加工只能在淬火之前進行，淬火造成的變形必須要經手工修整或采用電加工zui終成形。用高速切削加工替代傳統切削的加工方法可以不會出現電加工所導致的表面硬化。另外，由于切削量減少，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及零件細節進行加工，節省了部分機械加工或手工修整工序，從而縮短了生產周期，簡化了加工工藝和投資成本。
２ 高速切削刀具參數的合理選擇
高速切削刀具是實現高速加工技術的關鍵，不合適的刀具會使復雜、昂貴的機床或加工系統形同虛設，*不起作用。由于高速切削的切削速度快，而高速加工線速度主要受刀具限制，因為在目前機床所能達到的高速范圍內，速度越高，刀具的磨損越快。因此，高速切削對刀具提出了更高的要求。
２.１ 高速切削對刀具材料的要求
高速切削加工時切削溫度很高，高速切削刀具的失效主要取決于刀具材料的熱性能（包括刀具的熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力學性能、抗熱沖擊性能等）。高速干切削、高速硬切削和高速切削黑色金屬時的zui高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性。因此，高速切削加工除了要求刀具材料具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還特別要求刀具材料具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學性能以及高的可靠性。為了適應高速切削加工技術的需要，保證、、低耗地完成高速切削加工任務，對高速切削刀具材料提出了如下要求：
（１）高的可靠性。高速切削一般在數控機床或加工中心上進行，刀具應具有很高的可靠性，要求刀具的壽命高、質量一致性好，切削刃的重復精度高。如果刀具可靠性差，將會增加換刀時間，降低生產率，這將使高速切削加工失去意義。如果刀具可靠性差還將產生廢品，損壞機床與設備，甚至造成人員傷亡。因此，高速切削的刀具可靠性十分重要，解決刀具的可靠性問題，成為高速切削加工成功應用的關鍵技術之一。在選擇高速切削刀具時，除需要考慮刀具材料的可靠性以外，還應考慮刀具的結構和夾固的可靠性。需要對刀具進行zui高轉速的試驗和動平衡試驗。
（２）高的耐熱性和抗熱沖擊性能。高速切削加工時切削溫度很高，因此，要求刀具材料的熔點高、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊能力強。
（３）良好的高溫力學性能。要求刀具材料具有很高的高溫力學性能，如高溫強度、高溫硬度、高溫韌性等。
（４）刀具材料能適應難加工材料和新型材料加工的需要。隨著科學技術的發展，對工程材料提出了愈來愈高的要求，各種高強度、高硬度、耐腐蝕和耐高溫的工程材料愈來愈多的被采用。它們大多屬于難加工材料，目前難加工材料己占工件的４０％以上。因此，高速加工刀具應能適應難加工材料和新型材料加工的需要。盡管已出現不少新的刀具材料，但同時滿足上述要求的刀具材料是很難找到的。因此，在具有比較好的抗沖擊韌度的刀具材料的基體上，再加上高熱硬性和耐磨性鍍層的刀具技術發展很快。另外，還可以把金剛石等硬度很高的材料燒結在抗沖擊韌度好的硬質合金或陶瓷材料的基體上，形成綜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幾類：金剛石刀具（ＰＣＤ）、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具（ＰＣＢＮ）、硬質合金刀具和涂層刀具等。每一種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應一定的工件材料或是切削速度范疇，因此，尋求刀具材料與工件材料及切削速度之間的*匹配關系是高速切削加工的重要技術。通過大量的切削試驗及材料性能比較分析，對各類刀具材料所適應的工件材料做了簡單歸類如表１所示。
２.２ 高速切削對刀具結構和幾何參數的要求
除了刀具材料的選擇外，正確選擇刀具結構、切削刃的幾何參數以及刀具的斷屑方式等對高速切削的效率、表面質量、刀具壽命以及切削熱量的產生等都有很大影響，這些都是高速刀具技術中一個重要的組成部分。
在高速切削過程中，很關鍵的問題是要想辦法把切削熱盡可能多地傳給切屑，并利用高速切離的切屑把切削熱迅速帶走。合適的刀具幾何角度對順利進行高速切削具有非常重要的作用。選擇合適的刀具幾何角度的作用如下：
（１）合適的刀具后角和合理的進給速度能產生足夠大的切屑厚度，以便帶走熱量，避免切削硬化。
（２）刀刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數，應合理選擇。
（３）切削載荷與刀具每切刃的進給量有關。對于多片鑲嵌刀具，切削載荷作用在每一個刀片上；對于實體刀具，切削載荷作用在每個齒上。因此，進給量應該在一個合理的數值之間來進行選擇。
（４）高速切削時，刀具的合理幾何參數依據加工材料的不同而不同，為獲得較佳的刀具幾何參數，還可以采用合適的刀體材料和安全的結構，使用較短的切削刃，提高刀具的整體剮性；采用較大的刀尖角，合適的斷屑措施等。
２.３ 加強高速切削刀具的安全性
高速切削刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉的銑刀和鏜刀，尤其是高速銑刀，因為高速銑削是目前高速切削應用的主要工藝。加工實踐表明，普通銑刀的結構和強度不能適應高速切削的要求，因此高速銑刀安全性的研究更具有緊迫性和現實性。
高速切削刀具系統的平衡更為重要。引起高速切削刀具系統不平衡的主要因素有：刀具的平衡極限和殘余不平衡度、刀具結構不平衡、刀柄不對稱、刀具及夾頭的安裝（如單刃鏜刀）不對稱等。高速切削刀具（主要是旋轉刀具）使用前除進行靜平衡外還必須進行動平衡，應根據其使用速度范圍進行平衡，以實現*加工效益。對高速切削刀具進行平衡時，首先需對刀具、夾頭、主軸等各個元件單獨進行平衡，然后對刀具與夾頭組合體進行平衡，zui后將刀具連同主軸一起進行平衡。推薦采用微調螺釘進行精細平衡，或直接采用內裝動平衡機構的鏜刀，通過轉動補償環移動內部配重以補償刀具不平衡量。做好刀具的動平衡，防止刀具的甩飛和破損，保證工作人員的安全。
３ 切削參數對高速加工刀具壽命的影響研究
刀具的壽命是切削加工中一個十分重要的因素，直接影響著加工效率的提高及生產成本。高速切削時，由于刀－屑接觸面的溫度高、接觸壓力大，且接觸面多為新鮮表面，化學活性很強，因此切屑很容易與前刀面發生粘結，產生很大的摩擦阻力，而刀具摩擦必然會導致磨損。研究發現，高速切削時造成刀具損壞的主要原因是在切削力和切削溫度作用下因機械摩擦、粘結、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等引起的磨損和破損。
３.１ 切削用量對刀具磨損的影響
切削加工時影響刀具壽命的因素很多，刀具的磨損機理也各不相同。研究表明，高速工況下對刀具壽命產生影響的因素主要有：刀具材料與工件材料的匹配關系、刀具幾何形狀、加工方式、切削用量、切削振動、冷卻液等，其中切削用量對刀具磨損的影響尤為顯著，其影響規律可以通過切削加工試驗來具體分析。另外，不同加工材料及刀具材料的主要磨損形式不同，高速切削加工時常見的刀具磨損形態主要有前刀面磨損（月牙洼）、后刀面磨損、邊界磨損、片狀剝落以及微崩刃等。
３.２ 鎳基高溫合金切削試驗
圖３為ＣｒＡ１ＴｉＮ涂層刀具高速切削鎳基高溫合金時切削速度對刀具磨損的影響規律曲線。隨切削速度的增加，刀具磨損總體呈現上升趨勢，但中間會有拐點的存在，分析可能原因有：刀具磨損的方式很多，如磨粒磨損、粘結磨損、擴散磨損、氧化磨損等。在不同切削速度下，刀具磨損的方式不同，有時只是其中一種方式作用，而有時多種方式同時作用，故曲線會有起幅；另外，通過比較發現，該曲線與切削速度－溫度的變化規律曲線相似，這說明刀具磨損受溫度變化的影響比較明顯。
圖３ 切削速度對刀具磨損的影響
圖３為刀具壽命隨進給量ｆ 變化的規律曲線，相比切削速度ｖ其曲線變化比較平緩，影響程度次之。而切削深度ａｐ 對刀具壽命的影響zui小，曲線變化不明顯。
不同的切削工藝參數對高速加工的影響規律不同，通過對高速加工切削力、切削溫度、刀具壽命、表面粗糙度及切削穩定性等進行單因素試驗和多元正交試驗分析，得到切削速度ｖ、每齒進給量ｆＺ、軸向切深ａｐ、徑向切深ａｅ對高速切削加工性能的影響規律和顯著程度。