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高 速切削的主要特征是机床主轴转速比普通机床高得多,即切削速度比普通切削高出数倍、数 十倍的切削加工。按其加工目的可分为2种:(1)单位时间内材料切除率最大的高速切削;(2 )获得高质量加工表面的高速切削。高速切削加工已成为当前切削技术的重要发展趋向。1高速切削加工的特点与普通切削加工相比,高速切削具有以下特点: (1)切削速度大幅提高通常比普通切削高5~10倍,甚至更高,例如高速铣削加工切削速度可达 300~5000 m/min。(2)切削效率明显提高单位时间内材料切除率提高3~6倍,有效地节约加工时间, 加工成本降低20%~40%。(3)高速切削能获得相当于磨削的表面质量因主轴转速很高,机床的激振频率远远高于“机床-刀具-工件”工艺系统的固有振动 频率范围(50~300Hz),工艺系统振幅很小,且高速切削时积屑瘤、鳞刺和加工硬化等现象均受到一定程度的抑制。 (4)切削变形明显减小,切削力及切削功率降低高速切削时,切屑剪切变形区趋窄,剪切角增大 ,切削变形减小,切削力下降30%以上。尤其当背吃刀量很小时,适合于大型框架件、薄壁零件的高效精密铣削加工。(5)切削温度有所降低高速切削时,切削 热(92%以上)大部分被高速流出的切屑带走,工件基本上仍保持冷态,因此不会因切削温度骤升而导致工件变形,尤其适于加工一些热敏性材料。(6)可直接 以高速车削、高速铣削代替磨削或抛光对于一些淬硬钢铁件(硬度大于HRC55),采用高速切削可减少加工工序,缩短工艺流程,降低加工费用。例如:可在同 一台机床上,一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和精加工,即适用于模具加工的“一次过”技术,提高加工效率,加快产品开发周期,大大降低制造成 本。(7)高速切削可加工各种难加工材料对于航空和动力行业大量使用的镍基合金和钛合金,切削中易造成加工硬化、切削温度高和刀具磨损严重等弊端,而采用 高速切削,切削速度可提高到 100~1000 m/min,不但大幅度提高生产效率,而且有效地减缓刀具磨损。(8)高速切削有利于采用干式切削技术高速切削中,采用热硬性优的刀具材料,适于高速干式 切削,有效地消除了切削液使用所造成的一系列的环境污染问题,降低加工成本,实现清洁化切削加工。(9)采用高速切削,可减少刀具种类,简化刀具管理工作 例如:对于一些直径较大的孔可以用小直径的刀具通过内圆数控插补铣削法进行加工,仍能保持较高的孔加工效率,并相应减少了刀具购置与管理费用。2高速切削 加工对刀具与刀具系统的要求高速切削加工不仅要求切削刀具有很高的刚性、可靠性、适应性、动平衡性和操作方便性,而且对刀具系统与机床接口的连接刚性、精 度以及刀柄对刀具的夹紧力和夹持精度等均提出很高的要求。(1)性能优异的刀具材料高速切削加工要求刀具材料具有高硬度、高强度和高耐磨性;高韧度、高抗 冲击能力;高的热硬性和化学稳定性;高抗热冲击性和抗粘接性等。目前常用的高速切削刀具材料如下:①涂层硬质合金刀具。由于使用了耐热性好、硬度高的涂层 材料及多层涂敷材料(如CBN涂层和PCD涂层等复合材料新刀具),扩大了涂层硬质合金刀具的切削范围,延长了使用寿命,其切削性能大大优于非涂层硬质合 金。②陶瓷也是用于高速切削的刀具材料。其中晶须增强陶瓷刀具是一种特殊性能材料的刀具,由于它具有抗冲击韧度好、抗热冲击性能强的特点,适合于高速切削 加工。③超硬材料刀具。它主要包括金刚石和立方氮化硼刀具 ,其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。例如:在淬硬模具钢的加工中,使用CBN刀具进行高速切削,可起 到以铣代磨的作用,大大减少手工修光的工作量,因而大幅度提高加工效率。高速切削刀具材料必须按工件材料和加工特性进行选择,并优化切削参数,才能发挥其 优良的切削性能。(2)高的刚度与精度刀具系统刚性的高低将直接影响刀具系统振动和变形,且影响加工精度和效率。同时,系统的振动又会使刀具磨损加剧, 影响刀具和机床的使用寿命。为满足高速高精度加工要求,刀具系统必须具有高的精度,即定位夹持精度与刀具重复定位精度以及良好的精度保持性。例如高精度热 缩夹头、液压夹头和三棱变形夹头等。(3)高的适应性与互换性刀具系统应具有加工多种硬度材质的能力,具有较高的适应性, 以满足高速加工各种工件的要求。对于模块式刀具系统,要求刀具具有较高的柔性,便于调整与组装,快速适应不同工件的加工需要。(4)高的效率性刀具系统必 须具有高质量、高性能、高可靠性和高使用寿命等特性,以保证高速高效切削加工的技术要求。(5)刀具结构的高度安全性为保证操作过程中人机安全,防止刀具 高速旋转时刀片飞出,其结构必须具有高度安全性、可靠性,如采用新型刀片夹紧结构,以防止刀片飞出;刀体小、质量轻型化设计等,并要求确保旋转刀片在2 倍于最高转数时不破裂。(6)刀具系统高精度的动平衡性动平衡精度是高速切削刀具系统的重要指标。例如,某些精加工高速铣刀不平衡质量指标达到G2.5级 (按ISO1940/1规定,单位质量允许不平衡量e≤0.23873×105/nmax)。若动平衡精度低,高速旋转的刀具会产生很大的离心力,从而引 起刀杆 弯曲并产生振动,造成工件加工质量下降,严重者甚至损坏刀具。3高速切削刀具及刀具系统的选择要点实际使用中,除了应正确选择刀具材料和切削参数外,还应 充分考虑有关事宜。(1)刀具结构设计应根据被加工零件材料和工序,优化组合刀具材料、涂层和槽型等功能,开发具有最佳切削效果的刀片结构。如ISCAR 公司推出的多功能刀片,拥有空间切削刃和曲面前刀面,切削刃上的法前角可调整为零度或负值,而工作角度则为合适的正值,具有切削力小、刃口强度高、耐磨性 强等特点,尤其适宜高速切削。(2)采用强度高、刚性好的刀具结构,如适合高速切削的专用嵌入式刀具。嵌入式刀片的基片应具有高的刚性和耐磨性,可选择耐 用隔热复合涂层(如TiAe N)刀片,提高其耐磨性和使用寿命,并采用高精度刀片座和可靠的固定方式,提高标准化、系列化程度。(3)选择直径大的刀柄和锥柄,特别是小直径刀具更应 如此,且尽可能选择短粗的刀具 ,避免悬臂过长;尽可能选择短切削刃,减少振动。有条件的话,刀具中心可制成带孔结构,以便通气冷却,刀体上设计尽可能拥有大的容屑槽。(4)采用实体稳 定的刀具与主轴连接界面,避免切削中发生振动,保证安全可靠。对于要求高的刀具应确定较高的动平衡精度等级,或在刀柄上安装自动校正动平衡装置。(5)高 速切削中,不允许超过额定的最大切削速度。即刀具在高速旋转时所产生的离心力不允许超过额定的极限转速,以免发生恶性事故。此外,还应关注以下方面。( 1)提高切削工艺系统的刚度。高速切削加工中,夹具(含工件)和工作台应具有高的刚度,具有足够的质量和阻尼,以免引起切削振动,提高加工质量和延长刀具 寿命。(2)增加可靠的安全设施。对于高速旋转的刀具,要求保证绝对安全、可靠,且拥有极其可靠的防护设施。例如,当主轴转速达40000 r/min时,直径为40 mm的嵌入式铣刀,如果刀片脱落,其飞射出去的速度可达87 m/s,相当于机枪射出的子弹一样快的速度,危险性极为严重。4结语随着切削速度的大幅提高, 切削刀具的作用越来越重要。对于刀具材料、几何角度、刀体结构及切削参数等提出了不同于普通速度切削的要求,并且对刀具系统也提出了更高的要求。正确选择 和优化刀具及切削参数,有利于 提高切削效率和加工质量,延长刀具寿命,降低加工成本。
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