高速加工刀具工艺参数的优化

高速加工刀具工艺参数的优化

1 引言

高速加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛的应用。高速加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。随着高速加工主轴技术的发展，与其配套的新型刀具不断出现，对高速加工用刀具工艺参数的优化研究也不断深入。目前，德国、美国、日本等工业发达国家对高速加工技术的研究和应用处于世界领先地位，特别是德国对高速加工的研究起步较早，成果较多。早在1984年，德国国家研究技术部(DFG)就出资700万马克资助德国Darmstadt 工业大学生产技术和机床研究所(PTW，Institutof Productionand Engineering and Machine Tools)与41家公司进行了为期4年的合作，全面开展对高速加工切削机理、高速加工工艺、高速加工用机床与刀具的研究。由于政府的高度重视和大力资助，研究工作取得了丰硕成果。德国不少公司很快掌握了高速加工技术，并不断支持和推动该项技术的深入研究与发展。

本文对德国PTW研究所近年来在高速加工刀具工艺参数优化方面的最新研究成果作一介绍，希望能为国内的高速加工研究及应用提供有益的参考。 2 高速加工的特点

高速加工(High Speed Cutting，简称HSC)通常是指在高于常规加工速度5-10倍的条件下进行的切削加工。在高速加工中，必须根据不同的加工材料、加工方式、加工工艺、刀具参数并考虑刀具使用寿命和加工表面质量来选择切削速度。表1为加工不同工件材料时HSC铣削与常规加工的切削速度比较。表2 为采用不同加工方式切削合金钢时HSC与常规加工的切削速度比较。

表1 加工不同材料时HSC铣削与常规加工的切削速度比较

被加工材料 常规切削速度 HSC切削速度 (m/min) 纤维增强塑料 轻金属 铜合金 铸铁 普通工具钢 钛合金 镍基合金 -800 -800 -400 -300 -250 -80 -20 (m/min) 1200-9000 200-5000 1200-45000 1000-3000 700-2000 200-1000 100-300 表2 加工合金钢时HSC 与常规加工的切削速度比较 加工方式

加工方式 常规切削速度 HSC切削速度 (m/min) 钻削 拉削 精镗 -100 -40 -10 (m/min) -200 -80 -300 3 高速加工刀具工艺参数的优化

高速加工的实现与刀具材料、刀具几何形状、被加工材料及加工参数等密切相关。下面以应用广泛的模具材料如铝合金、工具钢和铸铁的高速加工为例，介绍德国PTW研究所近年来对高速加工刀具工艺参数优化研究的成果。 高速加工铝合金的刀具工艺参数优化 刀具材料

加工铝合金时，可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。硬质合金是高速切削铝材的主要刀具材料。实际加工中通常使用无涂层的硬质合金刀具，这是因为较厚的涂层会导致刀尖圆弧钝化，而较薄的涂层则会在加工时迅速磨损，均难以起到延长刀具寿命的作用。由于P系列和M系列硬质合金中含有TiC成分，而TiC与铝的亲和性好，不利于切削，因此在粗加工时宜选用K系列硬质合金刀具。陶瓷材料材质较轻，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于铝材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性较大而不常使用。多晶金刚石刀具的使用寿命在相同切削条件下可比硬质合金刀具显著延长，但昂贵的价格使其难以得到广泛使用；在加工Si含量较高的Al-Si合金时，由于硬质合金刀具磨损很快，使用聚晶金刚石刀具则较为经济。近年来，综合了聚晶金刚石和硬质合金两者优点的CVD聚晶金刚石涂层硬质合金刀具已得到越来越广泛的应用。 刀具几何参数

刀具几何形状的选择取决于铝合金材料的抗拉强度和Si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖钝圆半径是影响铝合金加工质量的主要因素。刀具后角的选取会影响刀具刚度，增大后角有利于提高刀具寿命，但会降低刀刃刚度。为此可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证刀具刚度。此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，圆弧半径过大或过小都会降低刀具使用寿命。整体刀具的螺旋角优化值为20°-25°。表3 列出了加工不同铝合金材料时刀具几何参数的优化经验值。

表3 加工铝合金材料的刀具几何参数优化经验值

工件材料 抗拉强度 或Si含量 刀具材料 后角 前角 刃倾角 刀尖圆弧半径 (mm) 铝塑合金 Rm<300N/mm2 硬质合金 13°～18° 铝塑合金 Rm>300N/mm2 硬质合金 12°～15° 铝铸铁合Si含量<12% 硬质合金 12° 10°～15° 12°～18° 15° 0° 0.01～0.02 ≥20° 0.005～0.01 ≥25° 0.005～0.01 金 铝铸铁合金 Si含量>12% 聚晶金刚石 12° 0° 0° 0.01～0.02 加工工艺参数

研究表明，适合高速加工铝合金材料的加工工艺优化参数为：切削速度：≥4000m/min；每齿进给量：0.005-0.5mm；进给速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和铝铜合金时vf=1-12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)时vf=1-8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和铝铜合金时为50-90cm3/mm·kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)时为40-70cm3/mm·kW。加工Al-Si合金时应使用冷却液(10%-15%乳化液，20-40巴)或微量冷却润滑技术(MVL，Minimum Volume Lubrication)，合理的冷却润滑可使刀具寿命提高50%。 加工表面质量

影响工件表面加工质量的主要因素有：①刀具径向跳动。②刀具磨损：当VB>0.2mm时，加工表面质量明显降低，因此精加工时必须将刀具磨损量控制在VB<0.2mm以内。③刀具工艺参数。④冷却方法：使用刀尖圆弧半径小于1μm的人造金刚石刀具并辅以冷却润滑，可获得良好的加工表面质量(表面粗糙度可达Ra0.1μm)；采用P系列和K系列超细颗粒硬质合金刀具(刀尖圆弧半径2-3μm)加工时，表面粗糙度分别可达Ra0.3-0.4μm和Ra0.4-0.6μm；使用金属陶瓷刀具得到的加工表面质量介于使用硬质合金刀具和金刚石刀具之间。⑤与常规加工类似，高速加工时进给速度对表面加工质量影响较大，但切削速度对表面加工质量影响甚微。 高速加工工具钢的刀具工艺参数优化

工具钢种类繁多，下列优化工艺参数适用于除奥氏体钢及淬硬钢外的工具钢高速加工。 刀具材料

高速加工工具钢时，原则上应选用热强度高的P20/30系列涂层硬质合金刀具，其加工性能优于仅含WC-Co成分的K系列硬质合金刀具。该刀具采用TiN-PVD涂层，可获得较长的使用寿命。

金属陶瓷刀具因不含WC成分，扩散性较小，亦可获得较长的使用寿命，但由于脆性较大，只适于切深和进给量较小的精加工时使用。

氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in时使用，且进给量应控制在硬质合金刀具的50%，同时应严格选择vc、fz、ap、ae等切削参数值，以避免因刀刃破损降低刀具使用寿命。

加工淬火钢时推荐使用CBN刀具，其性能价格比较合理，加工时通常应选取较小的进给量(与使用陶瓷刀具接近)。 刀具几何参数

高速加工工具钢时最重要的刀具参数是后角和刀尖圆弧半径，刀具前角对加工性能影响不显著(通常取为0°)。因高速加工时单位切削力减小，刀具后角可取16°-20°(大于20°后刀具稳定性将明显降低)。对于硬质合金刀具和金属陶瓷刀具，在进给量较小时(如fz=0.2-0.3mm)可选用锋利的刃型；在进给量较大时采用倒棱(如0.2×20°)则可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和CBN刀具时亦应采用刀刃保护棱。

加工工艺参数

在200-400m/min切削速度下切削钢材时，会形成较多积屑瘤，严重影响刀具使用寿命。当切削速度提高到600m/min以上时，因排屑速度提高减少了积屑瘤形成的接触时间，可使加工条件得以改善。此外，当切削速度低于600m/min时，产生的切削高温会加速刀具中的碳化物向被加工材料中扩散，从而破坏刀具材料的晶格结构。因此，切削速度600m/min时的切削温度常作为切削性能改善的转折点。此外，刀具寿命与被加工材料性能密切相关，材料抗拉强度增大会降低刀具使用寿命。