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高 速切削加工是近些年来迅猛发展的一项高新技术, 从出现至今20年左右时间。高速切削是以高切 削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。它所采用的切削参数要比传统工艺高出几倍、十几倍。其切削机理缘于德国切削专家萨洛蒙 (CarlSolomon)博士于1931 年提出的一个著名假设:对于每一种结定的工件材料都有一个临界切削速度,在此速度下切削温度最高。在切削速度达到临界速度之前,切削温度和刀具磨损随切削 速度增大而增大,但当切削速度超过这个临界值之后,随着切削速度的增加,切削温度和刀具磨损反而下降。尽管后人的研究表明 ,实际切削中切削温度并没有随切削速度的增加而降低,但他的思想给后来研究者一个非常重要的启示:如果切削过程中切削速度超过临界速度而进入高速区工作。 则可能利用现有的刀具进行高速切削,从而大幅度地提高机床的生产效率。由于高速切削加工具有高速高精度的特点,在加工过程中不仅可以大幅度提高零件的加工 效率,缩短加工时间,降低加工成本,而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。因此,尽管高速切削技术从研究到实用只有近20年的时间, 但它已广泛地应用于航空航天、动力机械、机床、模具、汽车等行业,并产生了巨大经济效益,对制造业产生了巨大的影响,被认为是21世纪最有发展潜力的几大 技术之一。1高速切削概念高速切削的“高速”是一个相对的概念,简单地说,就是相对于常规加工速度而言高得多的一种加工速度。具体如何定义,学术界对此没 有一个统一的说法,不同的研究者从各自的研究侧面对此有不同的理解。目前各个国家对于高速切削的速度范围没有一个统一的规定。因为对于不同的加工方式、不 同的工件材料,高速切削的速度是不同的、因此对此很难有一个一致的说法。通常高速切削的切削速度比常规切削速度高出5～10倍以上。其中以德国 Darmsradt大学H.Schul z教授提出的铣削速度范围比较具有代表性:铝合金1000～7000m/min,黄铜,青铜 900～5000m/min,铸铁800～3000m/min,钢500～2000m/mi n,钛合金100～1000m/min,镍基合金50～500m/min。根据高速切削机理的研究结果,当切削速度达到相当高的区域时,切削力下降,工件 的温升较低,热变形较小,刀具的耐用度提高等。高速切削不仅大幅度提高了单位时间材料切除率,而且还会带来一系列的其他优良特性。例如,利用在高速切削状 态下径向切削力小、工件温升低等特点,可以用高速加工方法来加工薄壁类零件、对温度敏感的零件和难加工材料等。因此,高速切削的速度范围应该定义在这样一 个给切削加工带来一系列优点的区域。这个切削速度区域比传统的切削速度高得多,因此也称超高速切削。2高速切削刀具高速切削技术的发展过程中,刀具技术起 到了非常关键的作用。高速切削技术发展的一个重要障碍就是刀具材料的耐高温和耐磨损问题。在近几十年的发展历程中,高速切削机床、高速刀具系统和高速切削 工艺是高速切削的三项主要技术,高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化,新材料、新工艺不断出现,刀具材料也由早期的高速钢、硬质合金发展到 陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具。为了提高刀具的综合性能,发展了刀具镀层技术和烧结压层技术。高速切削对刀具的性能不断提出新的要求,而刀具技术的发 展,又有力地促进了高速切削技术的发展和应用。刀具作为高速切削的切削工具,是高速切削推广应用中的一个关键问题。刀具材料的迅速发展是高速切削得以实施 的工艺基础。刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响 ,采用新型刀具材料可使切削加工速度大大提高,从而提高生产率,延长刀具寿命。目前用于高速切削加工常用的刀具材料有以下几种,硬质合金及其涂层刀具、陶 瓷刀具、立方氮化硼(CBN) ,聚晶立方氮化硼(PCBH),超硬材料金刚石,聚晶金刚石和金刚石涂层刀片等。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要 包括高耐磨性TiC基硬质合金 (TIC+Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC+TaC+WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金 (TiCN+NbC)等。金屑陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。高速切削对刀具结构提出了新的要求。高速切削时, 旋转类的刀具(如铣刀、镗刀)在高速旋转时会受到很大的离心力作用 ,会造成刀体的破碎。因此要求设计十分可靠的刀体结构和刀片夹紧结构。同时对高速回转刀具还应考虑刀具的动平衡。否则由于刀具回转的不平衡所引起的工艺系 统振动必然会影响已加工表面的质量和刀具寿命。在高速切削刀具技术中,除了合理选用刀具材料外,还必须解决刀具几何参数, 刀体材料与结构,刀片夹紧结构,刀具与机床连接装夹方式,高速主轴中刀具夹紧措施,以及回转刀具的动平衡等问题,一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具前 角约小10度而后角约大5～8 度。刀尖角亦应适当增大,刀具切削部分应短些。刀柄的研究也是高速切削刀具技术中的一个重要分支,高速切削过程中,随着刀具的高速旋转,刀柄的开口由于离 心力的作用会产生扩张,从而引起刀具的定位精度和连接刚性下降,为此,德国开发出HSK(短锥空心柄)刀柄,HSK连接具有接触刚度高、夹紧可靠、重复定 位精度高等优点,特别适合于高速主轴。高速切削刀柄结构要求几何精度和装夹重复精度高,装夹刚度高,一般采用HSK标准空心短刀柄代替传统的7:24锥 柄。3高速铣削刀具高速铣削的刀具与常规铣削刀具有较大的区别,有其特殊的要求,必须专门设计。高速铣削刀具必须高度旋转对称,具有高度的动平衡性,以免 在铣削过程中产生跳动,使切削刃上负荷平衡,减少切削力的波动。为了切削过程的平稳,还应采用多切削刃或大螺旋角的刀具。切削刃的几何形状应充分考虑高速 铣削切屑形成的不同特点。刀具应有较大的排屑槽以利排屑,特别是切削轻金属如铝合金的刀具,排屑槽磨制时应避免应力集中图1高速切削的可转位铣刀的产生。 因切削速度高、刀具所受热负荷大、易磨损,刀具尤其是切削钢材的刀具应选用高耐磨、高耐热、高硬度、韧性好的材料。还可在刀具表面采取适当的涂层来提高刀 具的性能。对于组合刀具,结构设计应充分考虑切削时的高转速,压块、螺钉、销等必须可靠地紧固,以防在高离心力的作用下产生松动。高速铣削时应根据被加工 的材料的性质、进给、刀具材料等合理地选择切削刃的几何形状,以获得稳定的切削刃口。因高速切削时,刀具上的温度高,是常常须加工淬火钢等硬质材料, 因此常采用硬度高、耐热性好,但较脆的刀具材料,所以刀具的楔口必须厚实,有时甚至采用负前角以提高切削刃口的稳定性。因切削速度高,刀具与工件的摩擦热 大.刀具的后角不能太小,以免进一步增加摩擦热。4高速切削可转位面铣刀的结构根据铣刀安全性要求,用于高速切削(n>6 000r/min)的可转位面铣刀,通常不允许采用摩擦力夹紧方式,而必须采用带中心孔的刀片,用螺钉夹紧。与安全性有关的刀片结构参数包括刀片中心孔相 对螺钉孔的偏心量、刀片中心孔和螺钉的形状等,这些参数决定了螺钉在静止状态下夹紧刀片时应受预应力的大小。如预应力过大 ,有可能使螺钉发生变形,降低夹紧系统失效转速。刀具夹紧方式也可采用带卡位的空刀槽,以保证刀具的精确定位和高速旋转时的可靠联接。另外,刀片、刀座夹 紧力方向最好与离心力方向一致。夹紧刀片时应施加规定的扭矩,并使用合格的夹紧螺钉,螺钉拧人前应涂敷润滑剂,以减少夹紧扭矩的损失,此外,螺钉必须定期 检查和更换。从安全性考虑,刀体的设计应减轻质量,减小直径 ,增加高度,选用比重轻、强度高的材料,目前,有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。刀体上的槽(刀片槽、容屑槽、键槽等)会引起应力集中,降低刀体 强度,因此铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽,减少尖角,防止应力集中。同时,还应减少机夹零件的数量;刀体结构应对称于回转轴,使其重心通过铣刀轴线; 对于不等分齿铣刀,应对刀体的质量分布作相应调整,使刀体膨胀比较均匀;刀片和刀座的夹紧、调整机构应尽可能消除游隙,且应保证良好的重复定位性。5高速 切削可转位铣刀的设计我们设计了用于高速切削的可转位铣刀。如图1所示。可转位铣刀采用的刀片切向排列,切削力方向刀片的厚度尺寸增大,切削刃的受力情况 改善,这样切削刃的强度和刚性大大提高,可以使每齿铣削量及切深相应提高,铣刀刀片不易崩刃,提高了铣刀的寿命;铣刀的刀片采用切削力夹紧,随着切削力的 增大夹紧力也增大,夹紧可靠。由于采用切削力夹紧方式,节省了元件;使排屑槽空间增大,排屑性能得到改善,结构简单紧凑。刀片用一个螺钉固定在刀槽上 ,转位方便;铣刀的刀体采用优质合金结构钢,并经过热处理及表面处理使铣刀刀体具有足够的强度及硬度;刀片材质采用金属基陶瓷刀片。我们在设计中,考虑到 高速铣削的刀具高速旋转,可转位铣刀刀片对称分布,具有动平衡性,以免在铣削过程中产生跳动,减少切削力的波动。刀具设计有较大的排屑槽,以利排屑。因切 削速度高、刀具所受热负荷大、易磨损,刀具尤其是切削钢材的刀具应选用高耐磨、高耐热、高硬度、韧性好的材料,Ti(C,N)基的金属陶瓷,有高硬度、耐 磨性能强、抗弯强度高的特点,特别是抗韧性较好,能抗氧化、抗粘刀性能强,其功能已覆盖了硬质合金WC基和TiC基的大部分使用范围。由于Ti(C,N) 金属陶瓷具有这些优越的性能 ,我们采用此种材料作为刀具材质,提高刀具的性能。选择切削刃的几何形状,采用负前角以提高切削刃口的稳定性。结构设计充分考虑切削时的高转速,螺钉、销 等必须可靠地紧固在刀体上。6结语高速切削技术是一种先进制造技术,具有广阔的应用前景,全面推广应用将对机械制造行业产生重要而深远的影响。
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